Embankment as a carbon sink : a study on carbon sequestration pathways and mechanisms in topsoil and exposed subsoil | Les talus comme puits de carbone : une étude sur les voies et mécanismes de séquestration du carbone dans le sol superficiel et le sous-sol exposé

English. Carbon (C) sequestration is receiving increasing scientific and political attention in a framework of greenhouse gasses mitigation. However, geotechnical soils have been neglected for their C sequestration potential, with the global attention focusing on agricultural and natural soils. In the present thesis project we aim to assess the potential of geotechnical embankments as C sink, and, through the study of plant species and soils showing contrasting features, shed light on SOC sequestration mechanisms and the role of the different actor involved. We aim not only to quantify the C gained and lost in soil, but even its origin (fresh new C input or old preexistent C) and how it is partitioned in different C pools characterized by different C stability (quality of stored C). First, we evaluated the C storage in different pools under soil sowed with 12 different herbaceous species in a 10 months experiment. Assessing different root traits allowed understanding the influence of root economic spectrum on C storage. We showed how traits linked to high labile C are linked to a higher C increase in the stable SILT+CLAY pool (<20µm). Root traits related to a low input of recalcitrant, instead, favor accumulation in the unstable POM fraction. Thanks to a 183 days stable isotope labelling experiment (CO2 constantly enriched with 13C) we were able to study the C dynamics in different C pools under two species (L. perenne and M. sativa) sowed on two soil (topsoil, 0-30cm depth and subsoil brought to the surface, 110-140 cm depth) showing contrasting characteristics. We evidenced the great interest of bridging C origin and C pools when studying soil C fates, allowing unveiling processes those more traditional methods would hide. New C and old C showed synergetic covariation, with lower old C losses associated to higher new C inputs. This is in good accordance with the Preferential Substrate Utilization hypothesis (Cheng and Kuzyakov, 2005). The Preferential Substrate Utilization hypothesis was also validated with the study of priming effect and soil respiration, that showed higher plant derived C in respired CO2 when plant C input were high, while increasing old C mineralization when plant C input were low, i.e. in subsoil. We observed significant plant derived new C input in the SILT+CLAY fraction (<20µm, highly stable) supporting evidence of the in vivo entombing effect in the soil Microbial Carbon Pump hypothesis (Liang et al., 2017). The species effect mainly occurred on new C input, but it was overpowered by the soil effect, with lower C storage in low quality soil (low nitrogen and microbial biomass and activity). In general, microbiological conditions were the main driver for new C accumulation and old C loss, and helped to explain why no effect of soil C saturation – a central theory in recent studies on C sequestration - was find in the protected carbon. Such fundamental understanding of plant-soil interactions help us to better optimize soil and vegetation management for road embankment revegetation.

French. La séquestration du carbone (C) fait l'objet d'une attention scientifique et politique croissante dans le cadre de la réduction des gaz à effet de serre. Les sols géotechniques ont été négligés en raison de leur potentiel de séquestration du carbone, et l'attention étant concentrée sur les sols agricoles et naturels. Nous visons à évaluer le potentiel des talus géotechniques comme puits de carbone et, par l'étude des espèces végétales et des sols présentant des caractéristiques contrastées, à mettre en lumière les mécanismes de séquestration du carbone organique et les rôles des différents acteurs impliqués. Nous visons non seulement à quantifier le C gagné et perdu dans le sol, mais aussi son origine (nouveau C frais et ancien C préexistant) et comment il est réparti dans différents pools de C qui montrent une stabilité du C différente (qualité du C stocké). Tout d'abord, nous avons évalué la séquestration du carbone dans différents pools de carbone sous un sol semé de 12 espèces herbacées différentes sur une période de 10 mois. La caractérisation des différents traits de racine a permis de comprendre l'influence de la stratégie d'alimentation des ressources en racines (représentée par le spectre économique de la racine) sur la séquestration du carbone. Nous avons montré que les espèces dont les caractéristiques racinaires sont associées à une production élevée de C labile entraînent une augmentation plus élevée de C dans le pool stable de SILT+CLAY (<20µm). Les espèces dont les traits de racine sont associés à un faible apport de C récalcitrant favorisent plutôt l'accumulation dans la fraction POM instable. Ensuite, grâce à une expérience de marquage isotopique stable de 183 jours (CO2 constamment enrichi en 13C), nous avons pu étudier la dynamique du C dans différents pools de C sous deux espèces (L. perenne et M. sativa) sur deux sols (terre végétale, profondeur 0-30 cm et sol remonté, profondeur 110-140 cm) aux caractéristiques opposées. Nous avons mis en évidence le grand intérêt de faire le pont entre l'origine du C et les pools de C lors de l'étude des destins du C du sol, ce qui permet de dévoiler des processus que les méthodes plus traditionnelles cachent. Le nouveau C et l'ancien C présentaient une covariation synergique, avec des pertes plus faibles de l'ancien C associées à de nouvelles entrées de C plus élevées. Ceci est conforme à l'hypothèse de l'utilisation préférentielle du substrat. Cette hypothèse a également été validée par l'étude de l’effet d’amorçage et de la respiration du sol. Celle-ci a montré que la teneur en CO2 inhalé était plus élevée lorsque les entrée C de la plante étaient élevées, tout en augmentant la minéralisation de l’ancien C lorsque les entrées de C de la plante étaient faibles, c’est-à-dire dans le sous-sol. De plus, nous avons validé l'hypothèse de réconciliation entre 'l'hypothèse de l'Utilisation Préférentielle des Substrats' et 'l'hypothèse de la Concurrence', cette dernière déterminant le 'priming effect' dans le sous-sol à faible fertilité. Nous avons observé de nouveaux apports significatifs de C d'origine végétale dans la fraction SILT+CLAY (<20µm, très stable) à l'appui de la preuve de l'effet d'ensevelissement in vivo dans l'hypothèse de la pompe à carbone microbienne du sol. L'effet de l'espèce s'est produit principalement sur les entrées de nouveaux C, mais il a été maîtrisé par l'effet du sol, avec un stockage de C plus faible dans un sol de faible qualité (faible activité et biomasse d'azote et microbienne). Les conditions microbiologiques ont été le principal moteur de la nouvelle accumulation de C et de l'ancienne perte de C et ont aidé à expliquer pourquoi aucun effet de la saturation en C du sol - une théorie centrale dans des études récentes sur la séquestration de C - n'a été trouvé dans le carbone protégé. Cette compréhension fondamentale des interactions plantes-sol nous aide à mieux optimiser la gestion des sols et de la végétation des talus des routes.