Pre-industrial charcoal kiln sites in Wallonia, Belgium: spatial distribution, effects on soil properties and long-term fate of charcoal in soil. Brieuc Hardy Thèse présentée en vue de l’obtention du grade de Docteur en Sciences agronomiques et Ingénierie biologique Mars 2017 Faculté des bioingénieurs Université catholique de Louvain Jury composition Supervisors Pr. Pierre Defourny, Earth and Life Institute, Université catholique de Louvain, Belgium. Pr. J.-T. Cornélis, Department BIOSystem Engineering, University of Liege – Gembloux Agro-Bio Tech. Members of the examination board Pr. Bruno Delvaux, Earth and Life Institute, Université catholique de Louvain, Belgium (Jury president) Pr. Bas Van Wesemael, Earth and Life Institute, Université catholique de Louvain, Belgium (Jury secretary) Pr. Joseph Dufey, Earth and Life Institute, Université catholique de Louvain, Belgium. Pr. Erik Smolders, Division Soil and Water Management, Katholieke Universiteit Leuven, Belgium Pr. Jens Leifeld, Institute of Environmental Geosciences, University of Basel, Switzerland 1 Remerciements Mes premières pensées vont à Joseph Dufey, qui m’a transmis sa passion pour la science du sol, les sorties de terrain et les fameuses « aires de faulde », ces tâches noires qui parsèment les labourés de l’entre-Sambre-et-Meuse et dont il s’est longtemps questionné sur l’origine alors qu’il parcourait les champs de la ferme familiale étant gamin… En m’offrant l’opportunité de poursuivre mon mémoire de fin d’étude en thèse de doctorat, il m’a également offert mon premier travail : assistant au laboratoire de Sciences du Sol de l’UCL. Une sacrée aventure… Mon travail de doctorat a commencé par d’épiques campagnes de terrain aux 4 coins du territoire wallon, par tous les temps et en toute saison, avec comme inconditionnels Joseph et sa Toyota au grand coffre dans lequel toutes les tarières, sondes et autres bêches trouvent place… à côté du frigobox. Même s’il s’est détaché de ses responsabilités administratives dès le début de ses « vacances éternelles » fin d’année 2013, Joseph est resté disponible jusqu’au bout pour me partager sa connaissance, son expérience et son amitié. Travailler avec Joseph est un privilège car il est apprécié de tous pour sa rigueur professionnelle, son humour, son humilité et le respect qu’il porte aux autres. Je remercie mes deux promoteurs, Jean-Thomas Cornélis et Pierre Defourny, pour leur accompagnement au cours de ces six années. Leurs rôles furent complémentaires : Jean-Thomas, très accessible et toujours joignable pour discuter d’un problème, échanger des idées ou m’aider à garder le cap quand la motivation n’était pas au zénith. Pierre, clairvoyant et doté d’une vision d’échelle exceptionnelle qui m’a grandement aidé à structurer mon travail et à faire les bons choix à certains moments charnière du projet. Merci à mes lecteurs, Bas Van Wesemael, Erik Smolders et Jens Leifeld ainsi qu’au président de mon jury, Bruno Delvaux. Si j’ai eu envie de persévérer dans l’environnement de mon mémoire de fin d’étude, c’est essentiellement parce que j’ai tout de suite apprécié la bonne humeur et le côté humain des collègues du labo SOLS. Merci à la grande famille SOLS de représenter un si bon terreau à l’épanouissement. Merci à Françoise, à la barre pour toutes les tâches organisationnelles et administratives. Merci à Anne et Claudine pour leur bonne humeur et les innombrables analyses de laboratoire qui auraient été impossible à réaliser sans elles. Travailler avec elles aux labos didactiques du cours de sciences du sol a été un véritable plaisir. Merci à Patrick et André, qui ont été d’une grande 3 aide pour le travail de terrain et le traitement des échantillons en début de thèse. Merci à David, Hugues et Benoît pour les nombreuses discussions et conseils avisés sur les thèmes du biochar, de la pédogenèse ou des statistiques. Merci à Bruno, Philippe, Sophie et Pierre qui furent des sources d‘inspiration à de nombreux égards. Merci à Aubry, Marie-Liesse, Marie, Yolanda, Rawaa, Zimin, Mathilde, Charles, Inga, François, Carlos, Gabriella, Michelle, Clayria, Elena et Koffi, mes compagnons d’armes, pour les rires et tous les moments partagés au labo et en dehors (combien de litres de café écoulés pendant les pauses ?? Je vous renvoie à la thèse de Marie-Liesse Vermeire pour avoir le chiffre exact. A noter que le café n’est jamais aussi bon que quand c’est Claudine qui l’a préparé). Merci aussi d’avoir soigné mon équilibre alimentaire : impossible d’être carencé en quoique ce soit quand on alterne entre la gastronomie chinoise et libanaise, en passant par des saveurs espagnoles, russes ou équatoriennes. Outre mes collègues directs, ce document n’aurait pu aboutir sans l’aide et le travail d’un grand nombre de personnes qui m’ont fait bénéficier de leurs connaissances, de leurs compétences ou qui m’ont consacré du temps au cours de ces six années. Merci à Richard Lambert et au personnel du centre Agri- environnemental de Michamps pour les premières caractérisations des sols d’étude, à Marco Bravin pour les nombreuses analyses C et N, à Pierre Eloy pour les analyses XPS, à Julien Radoux pour les conseils en télédétection et géomatique, à Koen Deforce pour les identifications de charbons de bois, à Heike Knicker pour les analyses NMR, à Ludivine Van den Biggelaar pour les analyses FTIR, à Nils Borchard pour les échantillons caractérisés au BPCA, à Laurence Ryelandt pour les analyses SEM-EDX, à Steven Sleutel et Caroline Churchland pour les analyses PLFA, à Julien Minet pour ses conseils pour l’utilisation du GPS différentiel, à François Thonon et Nathalie Sondag pour le prêt de leur GPS, à Catherine Rasse, et Alain Guillet pour leurs conseils en statistiques, à Thierry Kervyn pour les données et les informations relatives aux cartes anciennes, à Alain Plante pour les essais d’analyses TG- DSC-EGA, à Margaret Oliver qui m’a aidé à améliorer mon anglais scientifique, à Georges Rousseau qui a régulièrement participé aux campagnes de terrain, aux agents du Département de la Nature et des Forêts (DNF) pour leur contribution au repérage des aires de faulde, aux nombreux agriculteurs qui nous ont laissé échantillonner leurs terres. Une pensée particulière à Vincent Brahy et Patrick Engels du Service Public de Wallonie qui ont été nos principaux répondants lors de la convention qui a couvert les frais de fonctionnement durant mes deux premières années de 4 recherche. Ils nous ont toujours soutenus et continuent à manifester de l’intérêt pour nos travaux. Cette convention a ouvert de nombreuses possibilités pour la suite du projet. Un tout grand merci à Sébastien Françoisse, François-Xavier Henrard et Martin Berwart qui ont réalisé leur travail de fin d’étude sur les aires de faulde et qui ont par ce biais contribué à cette thèse. Sébastien a réalisé un superbe travail de détection des aires de faulde par télédétection qui a permis d’estimer leur nombre en Wallonie. François-Xavier a contribué à l’échantillonnage et aux analyses des charbons de bois prélevés le long d’une séquence de mise en culture. Martin s’est penché sur la problématique de la dynamique de l’azote dans les aires de faulde. Leur travail a généré une partie des données utilisées dans ce document, et les nombreuses interactions que nous avons eues ont égayé mes journées de travail. Je salue Alain Goy et les Bons Cousins de la forêt de Chaux qui nous ont offert un accueil chaleureux et initié à la pratique du charbonnage. La veille de la meule, au milieu des bois et de nuit restera un souvenir intemporel. I also warmly thank Jens Leifeld and Robin Giger from the Agroscope of Zürich for their indispensable help for the numerous DSC and elemental analyzes that were made. Many thanks to the team of the Institute for Sustainability Sciences of the Agroscope of Zürich (Switzerland) for the kind welcome that I received during my two stays at the Agroscope. Particularly, Roman Hüppi and his roommate, Florian Eichenberger, made my stay delighting by offering me bed and board, friendship and visits of Zürich and surroundings. Some great ping-pong games were played at night. We also went tourskiing in the Swiss Alps for one day. Great memories. I really hope to see you sometimes in Belgium for a visit. Merci à Thierry Marique pour la mise en page du document préliminaire, ce qui m’a probablement sauvé du burnout au stade critique de la fin de rédaction. Merci aux membres de la Gibloux beach, Lulu, Karlotta, Brioche, Mat-Mat- la-menace, Alex, Phao, Val et Céline, qui m’ont accompagné durant ces trois dernières années. La cohabitation avec vous a été un plaisir permanent. Merci pour votre amitié et tous ces grands moments partagés. Merci pour les petits plats, apéros, les pauses café-thé, les soirées garage, les jeux de société, les dames blanches, les rallyes chambres, les écognoles, le dentifrice canin au foie de veau, … et d’avoir supporté mes humeurs pendant l’épreuve de la rédaction. 5 Merci à mes frères et soeur d’avoir toujours été là. Chloé, Clément et Lionel. Merci à Céline d’avoir si bien suivi notre chantier dans les moments chauds durant lesquels j’avais peu de temps et d’esprit à y consacrer. Céline, mon entrepreneuse. Carrelage, parquets, cuisine, peinture… Rien ne l’arrête (à condition que maman biche, son meilleur lieutenant, sois présente… Biche, merci de nous aider sans arrêt pour l’intendance et les travaux)! Merci à mes parents Bénédicte et Jean-Paul, principal sponsor de mes études de bioingénieur qui m’ont donné accès à ce doctorat. L’éducation est la clé des grands enjeux de société d’aujourd’hui et de demain.