Modifications du fonctionnement d'un écosystème technosol/plante par l'incorporation de biochar : une approche géophysique // Changing the functioning of a technosol/plant ecosystem through the incorporation of biochar: a geophysical approach

L'objectif de ces travaux de thèse est de documenter l'impact du vieillissement des biochars sur les propriétés hydriques et la croissance des arbres d'un technosol sur un site expérimental situé à Limeil-Brévannes (94), près de Paris. Ces travaux feront appel à la complémentarité de plusieurs méthodes géophysiques qui seront développées en 3 volets :
1. Évaluer la trajectoire physico-chimique des biochars avec la polarisation provoquée spectrale (SIP). Divers travaux ont précédemment montré que la SIP était particulièrement sensible aux modifications des propriétés des biochars (quantité, taux de carbone, taille des particules… ; Gao et al., 2017 ; Gao et al., 2019 ; Delarue et al., soumis). Dans le cadre de ces travaux de thèse, il sera question de dissocier, à l'échelle des spectres SIP obtenus sur le terrain, les effets de la saturation en eau et des biochars pour suivre leur devenir physico-chimique.
2. Documenter l'impact des biochars sur les variations saisonnières des propriétés hydriques du technosol étudié avec les méthodes sismiques. Les placettes expérimentales sont équipées de sondes mesurant la teneur en eau, la température et la conductivité dans le sol à plusieurs profondeurs. Seulement, par essence, les technosols sont particulièrement hétérogènes et il convient donc de développer parallèlement une approche permettant de caractériser ces propriétés à l'échelle du volume de la placette expérimentale. Cela sera effectué en deux étapes avec : (1) l'estimation par méthodes sismiques (réfraction et ondes de surface, cf. Pasquet et Bodet, 2017) des vitesses d'onde de compressions (Vp) et de cisaillement (Vs) en plusieurs régions des placettes et au court du temps (à l'échelle saisonnière) ; (2) Vp et Vs seront interprétées, à l'aide d'un modèle pétrophysique (p. ex. Solazzi et al., 2021) calibré avec les données de sondes mentionnées supra, en paramètres hydodynamiques du sol (p.ex. sa porosité et sa saturation en eau).
3. Quantifier l'impact des biochars sur la croissance des plantes par une approche couplant équations allométriques et tomographie de résistivité électrique (ERT). L'impact des biochars sur la croissance des arbres (p ex. févier d'Amérique) sera déterminé via l'utilisation d'équation allométrique reposant sur des paramètres simples tels que la circonférence de l'arbre à 1,3 m (paramètre DBH p. ex. Nikolova et al., 2021). Cette approche devrait également permettre d'estimer le volume racinaire des arbres (Lai et al., 2013) et sera confrontée aux résultats plus standards d'imagerie par ERT permettant de visualiser indirectement les dimensions de la rhizosphère à travers son influence sur les teneurs en eau du sol (Gaimbastiani et al., 2021).
Delarue et al. (soumis) Toward characterization of aromatic rich organic matter by spectral-induced polarization: preliminary investigation and perspectives. Geophysical Journal International
Gao et al. (2019). Spectral Induced Polarization of biochar in variably saturated soil. Vadose Zone Journal, 18, 1 13
Gao et al. (2017). Spectral induced polarization for the characterisation of biochar in sand. Near Surface Geophysics, 15, 645 656
Giambastiani et al. (2021). Indirect root distribution characterization using electrical resistivity tomography in different soil conditions. Urban Forestry & Urban Greening, 67, 127442
Lai et al. (2013). The allometry of coarse root biomass: Log-transformed linear regression or nonlinear regression? PLoS ONE, 8, e77007
Nikolova et al. (2021). Changes in root–shoot allometric relations in alpine Norway spruce trees after strip cutting. Frontiers in Plant Science, 12, 703674
Pasquet et Bodet (2017). SWIP: An integrated workflow for surface-wave dispersion inversion and profiling. Geophysics, 82, WB47 WB61
Solazzi et al. (2021). Surface‐wave dispersion in partially saturated soils: The role of capillary forces. Journal of Geophysical Research Solid Earth, 126, e2021JB022074
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

The objective of this thesis work is to document the impact of biochar aging on the hydric properties and tree growth over a technosol. The experimental site is located in Limeil-Brévannes (94), near Paris. This work will leverage the complementarity of several geophysical methods, developed in three parts:
1. Evaluate the physico-chemical trajectory of biochars using spectral induced polarization (SIP). Various studies have previously shown that SIP is particularly sensitive to modifications in biochar properties (quantity, carbon rate, particle size, etc.; Gao et al., 2017; Gao et al., 2019; Delarue et al., submitted). In this thesis work, the effects of water saturation and biochars impact on the SIP spectra obtained in the field will be delineated. The associated changes will especialy be used to track the physico-chemical evolution of the biochar.
2. Document the impact of biochars on seasonal variations in the hydric properties of the studied technosol using seismic methods. The experimental plots are equipped with probes measuring water content, temperature, and conductivity in the soil at various depths. However, as technosols are particularly heterogeneous, it is necessary to develop an approach to characterize these properties at the scale of the experimental plot volume. Two steps are proposed to: (1) estimating, using seismic methods (refraction and surface waves, cf. Pasquet and Bodet, 2017), the velocities of compressional (Vp) and shear (Vs) waves in several regions of the plots and over time (at the seasonal scale); (2) Vp and Vs will be interpreted, using a petrophysical model (e.g., Solazzi et al., 2021) calibrated with the aforementioned probe data, into hydrodynamic parameters of the soil (e.g., its porosity and water saturation).
3. Quantify the impact of biochars on plant growth using an approach that combines allometric equations and electrical resistivity tomography (ERT). The impact of biochars on tree growth (e.g., American hackberry) will be determined using allometric equations based on simple parameters such as tree circumference at 1.3m (DBH parameter, e.g., Nikolova et al., 2021). This approach should also allow for the estimation of the root volume of the trees (Lai et al., 2013) and will be compared with more standard ERT imaging results, allowing the indirect visualization of the dimensions of the rhizosphere through its influence on soil water content (Gaimbastiani et al., 2021).
Delarue et al. (submitted) Toward characterization of aromatic rich organic matter by spectral-induced polarization: preliminary investigation and perspectives. Geophysical Journal International
Gao et al. (2019). Spectral Induced Polarization of biochar in variably saturated soil. Vadose Zone Journal, 18, 1 13
Gao et al. (2017). Spectral induced polarization for the characterisation of biochar in sand. Near Surface Geophysics, 15, 645 656
Giambastiani et al. (2021). Indirect root distribution characterization using electrical resistivity tomography in different soil conditions. Urban Forestry & Urban Greening, 67, 127442
Lai et al. (2013). The allometry of coarse root biomass: Log-transformed linear regression or nonlinear regression? PLoS ONE, 8, e77007
Nikolova et al. (2021). Changes in root–shoot allometric relations in alpine Norway spruce trees after strip cutting. Frontiers in Plant Science, 12, 703674
Pasquet et Bodet (2017). SWIP: An integrated workflow for surface-wave dispersion inversion and profiling. Geophysics, 82, WB47 WB61
Solazzi et al. (2021). Surface‐wave dispersion in partially saturated soils: The role of capillary forces. Journal of Geophysical Research Solid Earth, 126, e2021JB022074
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://sites.google.com/view/optisoil-project/home

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Sorbonne Université SIM (Sciences, Ingénierie, Médecine)

398 Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement

La personne recrutée devra être titulaire d'un Master 2 ou d'un diplôme d'ingénieur en géosciences ou équivalent Compétences : Connaissances générales en géophysique appliquée/de proche surface/environnementale Capacités analytiques et de synthèse Capacité à rédiger des rapports et des articles scientifiques Autonomie, rigueur et capacité à travailler en équipe
The person recruited must hold a Master 2 degree or an engineering degree in geoscience or equivalent. Skills: General knowledge about applied/near surface/environmental geophysics Analytical and synthesis skills Ability to write scientific reports and articles Autonomy, thoroughness and ability to work as part of a team