Guidelines for the determination of organic carbon and nitrogen stocks and their variations in mineral soils at field scale

This document presents a method to quantify the soil organic carbon and nitrogen stocks in mineral soils at plot scale. It also provides guidance on how to detect and quantify simultaneously the variations of carbon and nitrogen stocks over time in mineral soils at field scale. It is based on several documents already published[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8]. This document does not apply to organic soils, soils with permafrost, wetland soils, or to soil layers prone to submergence below the groundwater table. NOTE 1 The possibility of increasing soil C storage is viewed as a means to sequester atmospheric carbon dioxide (CO2) and mitigate greenhouse gas (GHG) emissions. Information on soil nitrogen (N) stocks is crucial because it interacts with carbon cycling through plant nutrition and organic matter decomposition, and leakage of N is of environmental concern (e.g. N2O emissions, NO3- leaching). Therefore, it is becoming increasingly important to measure accurately the impact of changes of land uses and practices on organic carbon and nitrogen stocks. NOTE 2 While understanding changes in soil inorganic carbon it is important also to understand the land-atmosphere exchange of CO2, measuring stocks of soil inorganic carbon is outside the scope of this document.

Lignes directrices pour la détermination des stocks de carbone organique et d’azote et de leurs variations dans les sols minéraux à l’échelle d’une parcelle

Le présent document décrit une méthode visant à quantifier les stocks de carbone organique et d’azote présents dans les sols minéraux à l’échelle d’une parcelle. Il fournit également des recommandations relatives à la manière de détecter et de quantifier simultanément les variations des stocks de carbone et d’azote dans le temps dans les sols minéraux à l’échelle d’un champ. Il s’appuie sur plusieurs documents déjà publiés[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8]. Le présent document ne s’applique pas aux sols organiques, aux sols du pergélisol, aux sols des zones humides ou aux couches de sol susceptibles d’être submergées au-dessous du niveau de la nappe phréatique. NOTE 1 La possibilité d’augmenter le stockage du carbone par le sol est considérée comme un moyen de séquestrer le dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique et d’atténuer les émissions de gaz à effet de serre (GES). Les informations sur les stocks d’azote (N) du sol sont capitales car l’azote interagit avec le cycle du carbone par le biais de la nutrition des plantes et de la décomposition de la matière organique, et une fuite d’azote est préoccupante pour l’environnement (par exemple, émissions de N2O, lessivage de NO3). C’est pourquoi il devient de plus en plus important de mesurer avec exactitude l’impact des modifications apportées à l’utilisation et aux pratiques de gestion du sol sur les stocks de carbone organique et d’azote. NOTE 2 Bien qu’il soit nécessaire de comprendre les variations des stocks de carbone inorganique du sol pour appréhender les échanges terre-atmosphère de CO2, le mesurage des stocks de carbone inorganique du sol ne relève pas du domaine d’application du présent document.

General Information

Status
Published
Publication Date
07-Oct-2021
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
08-Oct-2021
Completion Date
08-Oct-2021
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ISO 23400:2021 - Guidelines for the determination of organic carbon and nitrogen stocks and their variations in mineral soils at field scale
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 23400
First edition
2021-10
Guidelines for the determination of
organic carbon and nitrogen stocks
and their variations in mineral soils at
field scale
Lignes directrices pour la détermination des stocks de carbone
organique et d’azote et de leurs variations dans les sols minéraux à
l’échelle d’une parcelle
Reference number
ISO 23400:2021(E)
© ISO 2021
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 23400:2021(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
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be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on

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Published in Switzerland
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ISO 23400:2021(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction .................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ..................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions .................................................................................................................................................................................... 1

4 Principle ........................................................................................................................................................................................................................ 3

5 Procedure ....................................................................................................................................................................................................................3

5.1 Site investigation strategy ........................................................................................................................................................... 3

5.2 Sampling ....................................................................................................................................................................................................... 4

5.2.1 Sampling objectives ......................................................................................................................................................... 4

5.2.2 Sampling plan ........................................................................................................................................................................ 4

5.2.3 Sampling strategy ............................................................................................................................................................. 5

5.2.4 Sample handling, storage and transport in the field ...................................................................... 10

5.2.5 Sample handling and storage in the laboratory .................................................................................. 10

5.2.6 Safety ......................................................................................................................................................................................... 11

5.2.7 Environmental Protection ...................................................................................................................................... 11

5.2.8 Quality assurance during sampling ............................................................................................................... 11

5.2.9 Sampling report ............................................................................................................................................................... 11

5.3 Determination of the dry mass and the volume of the soil sampled ................................................... 11

5.4 Chemical analysis ..............................................................................................................................................................................12

5.4.1 Sample processing for chemical analysis ..................................................................................................12

5.4.2 Chemical analysis ...........................................................................................................................................................12

6 Calculations of the organic C and N stocks ............................................................................................................................13

7 Measuring the temporal variations of soil organic carbon and nitrogen ............................................14

7.1 General ........................................................................................................................................................................................................ 14

7.2 Calculation of soil OC stock changes and uncertainties.................................................................................. 14

7.3 Possible source of errors ............................................................................................................................................................15

7.4 Information needed.........................................................................................................................................................................15

8 Reporting ..................................................................................................................................................................................................................15

8.1 Reporting for soil organic carbon and nitrogen stocks .................................................................................. 15

8.2 Additional reporting for variation of soil organic carbon and nitrogen stocks ........................ 16

Annex A (informative) Using minimum detectable difference to determine sample size ......................17

Annex B (informative) Equivalent soil mass procedure ..............................................................................................................18

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................19

iii
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---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 23400:2021(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to

the World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see

www.iso.org/iso/foreword.html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 190, Soil quality.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
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---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 23400:2021(E)
Introduction

Soils comprise an important pool in the biogeochemical cycles of carbon (C) and nitrogen (N), and thus

[1]

are critical for climate regulation either by emitting greenhouse gases (GHGs) or by sequestering C. .

Soils are the largest terrestrial reservoir of organic carbon, accounting for more carbon than contained

in the atmosphere or biota. Consequently, relatively small changes in soil carbon stocks can equate to

considerable exchanges with other actively cycling carbon pools, such as the atmosphere. Estimation

of soil organic carbon stock changes is one of the main methods applied to determine long-term carbon

fluxes and to design carbon sequestration strategies. Soil organic carbon (soil OC) is the balance

between inputs (e.g. plant residues, manure, etc.) and biologically mediated losses. Information on soil

total N stocks is valuable, because adequate N is critical for plant production while excessive N can be

an environmental hazard. Leakage of nitrous oxide (N O) from terrestrial systems to the atmosphere

(where it enhances radiative forcing and may catalyse stratospheric ozone (O ) destruction) is one

hazard associated with excessive soil N inputs. The ratio of organic C to total N stock can also provide

insight into soil OC stability and potential for element retention in the soil. Climate policies promote

actions regarding the protection and increase of soil OC stocks. Such measures require standardized

methods to assess the current soil OC stocks at the relevant scale (e.g. plot, farm, region) and to verify the

efficiency of soil carbon sequestration actions. This document provides guidance on the measurement

of carbon and nitrogen stocks in soils and to the detection of their temporal variations.

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INTERNATIONAL STANDARD ISO 23400:2021(E)
Guidelines for the determination of organic carbon and
nitrogen stocks and their variations in mineral soils at
field scale
1 Scope

This document presents a method to quantify the soil organic carbon and nitrogen stocks in mineral

soils at plot scale. It also provides guidance on how to detect and quantify simultaneously the variations

of carbon and nitrogen stocks over time in mineral soils at field scale. It is based on several documents

[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8]
already published .

This document does not apply to organic soils, soils with permafrost, wetland soils, or to soil layers

prone to submergence below the groundwater table.

NOTE 1 The possibility of increasing soil C storage is viewed as a means to sequester atmospheric carbon

dioxide (CO ) and mitigate greenhouse gas (GHG) emissions. Information on soil nitrogen (N) stocks is crucial

because it interacts with carbon cycling through plant nutrition and organic matter decomposition, and leakage

of N is of environmental concern (e.g. N O emissions, NO - leaching). Therefore, it is becoming increasingly

2 3

important to measure accurately the impact of changes of land uses and practices on organic carbon and nitrogen

stocks.

NOTE 2 While understanding changes in soil inorganic carbon it is important also to understand the land-

atmosphere exchange of CO , measuring stocks of soil inorganic carbon is outside the scope of this document.

2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content

constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For

undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

ISO 16133, Soil quality — Guidance on the establishment and maintenance of monitoring programmes

ISO 18400-101, Soil quality — Sampling — Part 101: Framework for the preparation and application of a

sampling plan

ISO 18400-105, Soil quality — Sampling — Part 105: Packaging, transport, storage and preservation of

samples

ISO 18400-206, Soil quality — Sampling — Part 206: Collection, handling and storage of soil under aerobic

conditions for the assessment of microbiological processes, biomass and diversity in the laboratory

3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.

ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
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---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 23400:2021(E)
3.1
spatial composite sample

two or more individual soil samples (e.g. cores) separated laterally in space having the same volume,

and coming from the same soil layer or depth increment
Note 1 to entry: Also called average sample or aggregated sample.

Note 2 to entry: Composite samples sometimes are collected to encompass more lateral variability and better

represent the mean of the measurement (e.g. water content, or C concentration) than provided by a single soil

core.
3.2
land cover
observed (bio)physical cover of the Earth's surface
3.3
land use
socio-economic purpose of the land
3.4
land management practices

approach taken to achieve a land use outcome - the 'how' of land use (e.g. cultivation practices, such as

minimum tillage and direct drilling)
3.5
mineral soil
soil composed largely or entirely of mineral (inorganic) constituents
[SOURCE: ISO 14688-1:2017]
3.6
organic soil

soil in which the organic component is dominant with respect to the mineral component

Note 1 to entry: For the purpose of this standard, organic soils are taken to contain more than 50 % organic

matter by volume or more than 30 % organic matter by weight, i.e. 17 % of organic carbon. The definition of

‘organic soil” varies between different soil classification systems.
3.7
organic soil layer

horizon dominated by organic material, consisting of undecomposed or partially decomposed litter,

such as leaves, needles, twigs, moss, and lichens, which has accumulated on the surface; they may be on

top of either mineral or organic soils
3.8
permafrost

ground consisting of mineral soil and sediment, rock, ice, peat and other organic materials that remain

below 0 °C for at least two consecutive years
3.9
sampling point

precise position within a sampling site or within each soil constituting horizon from which samples are

collected

Note 1 to entry: The coordinates must include x and y dimensions to indicate lateral locations and may also

indicate the elevation of the soil surface in m relative to sea level.
3.10
undisturbed sample

sample obtained from the soil using a method designed to preserve the soil structure

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ISO 23400:2021(E)
3.11
soil layer

layer of soil defined by its upper and deeper dimension (e.g. 0-30; 30-50 cm etc.) and/or by the sampling

procedure and it may comprise, or intersect, one or more soil horizons

Note 1 to entry: An horizon is a layer in soil that is roughly parallel to the ground surface and which is

[9] [10]

distinguished from layers above or below it on the basis of physical, chemical or biological differences ( , ).

Note 2 to entry: Horizon related sample: sample collected from and representing a defined soil horizon.

4 Principle

Organic carbon and nitrogen stocks in mineral soils reflect the balance between inputs and outputs of

C and N to the soil over decadal spans of time. Soil is heterogeneous due to variations in climate, parent

material, topography, organisms (including human activity) and time. Consequently, soil C stocks vary

with depth, location in space and sampling time. A proper sampling strategy should be implemented to

take this into account in order to get a representative estimate of C and N stocks. This generally entails

collecting several soil samples at different depths and locations.

To estimate soil organic carbon (soil OC) and total nitrogen (TN) stocks, samples of a known volume

shall be collected, and the following determinations made:
— dry mass of the entire sample;
— dry mass of coarse (> 2 mm) mineral fragments or stones;
— fine soil (≤ 2mm) mass per volume sampled (“bulk density”);
— carbon and nitrogen concentrations in the fine soil fraction.

In general, significant field variations in organic carbon and nitrogen stocks occur very slowly, often

over a period of 5 to 10 years as a minimum, depending on climate and soil management practices.

Careful consideration of the complex factors governing the distribution of carbon and nitrogen stocks is

important for the sampling design over space and time to be able to differentiate spatial and temporal

variations.

Each step of the procedure (e.g. sampling, analysis) is associated with uncertainties, which can be

quantified in order to calculate the total uncertainties regarding stocks and stock variation values.

However, it could suffice to collect replicate cores, recognizing that they will encompass variability in

space as well as errors associated with all the steps. Separately quantifying analytical uncertainties

can verify that properly implemented methods using modern elemental analysers have small errors.

5 Procedure
5.1 Site investigation strategy

Site and soil description are necessary to interpret soil carbon stocks measurements and provide a

basis for extrapolation.

A site investigation strategy shall be prepared for the overall investigation. In addition to the sampling

strategy prepared in accordance with 5.2. This might include:
— description of the area of interest;

— current and past uses (e.g. crops, livestock, natural vegetation, restoration works) and management

(e.g. soil tillage, organic fertilization and amendment, cover crops, crop yields, crop residue removal);

— characterization of soils and profiles as deemed necessary, including for example soil type, layer

thicknesses, and basic physical and chemical characteristics;
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ISO 23400:2021(E)

— using methods to record sampling locations that will permit precise positioning of subsequent (5 to

10 years in the future) sampling, including GPS coordinates with sub-metre resolution, distances to

other permanent features, installation of an electromagnetic marker, etc.

Particular care shall be taken when developing the overall strategy and the sampling strategy so that

samples can be collected from the same sampling locations in future years to monitor changes in

soil organic carbon stock (in accordance with ISO 16133 relating to monitoring sites). Sufficient and

appropriate information on the site/area and soils should be collected to enable comparisons with the

results for other areas, when this is required.

NOTE 1 ISO 18400-202 gives detailed guidance on desk studies and site inspections (preliminary

investigations) and ISO 18400-205 gives further guidance relating to natural, near natural and cultivated sites.

ISO 18400-205 gives specific guidance on sampling in orchards etc. and wooded areas.

NOTE 2 ISO 25177 provides guidance on site and soil descriptions.
5.2 Sampling
5.2.1 Sampling objectives

The goal of soil sampling is to collect volumetric samples that represent the area of interest, and that

estimate mean soil OC and TN stocks (element masses per unit area to a specified soil depth and mass),

including estimates of variability (i.e. scatter or dispersion of the data) about the means.

Determination of the soil organic carbon and total nitrogen stocks for a defined area (e.g., plot, field)

thus requires the boundaries of the area of interest to be delineated and the depth (range) of interest to

be decided.

The mass of soil also shall be stated. Assuming negligible geomorphological processes, comparisons

among soil OC or TN stocks should preferably be based on an equivalent soil mass, rather than on a

fixed volume.

It is also necessary to know the moisture content so that the results can be expressed on a dry weight

basis. The analytical measurements for C and N are made on the less than 2 mm fraction. It is therefore

necessary to know the mass of material (e.g. rocks, organic fragments) in the soil that is > 2 mm.

All organic matter in representative soil samples must be quantified, including the coarse (> 2mm)

organic fraction. Such materials can be ground or chopped to < 2 mm and included for analysis with the

entire < 2 mm mineral soil sample, or they can be isolated (e.g. as particulate or light fraction OM) and

analysed independently, but they must not be discarded.
NOTE 1 Scale is discussed in ISO 18400-104, 5.6 and Annex E.

NOTE 2 Since sample processing and chemical analyses account for relatively small cost increments on sample

collection, it usually is preferable to perform independent analyses on separate sampling points and soil layers.

This provides important information on variability in three dimensions. In addition, when samples are taken

on at least two different collection dates, it makes it possible to distinguish temporal variability from spatial

variability.

NOTE 3 Depending on the specific program objectives, the coarse organic fraction could be determined (and

its C-N content measured) separately from the mineral soil to assess the time dynamics for specific purposes

(short term change of stocks, effect of a specific practice of OM management etc.). Particulate or light fraction

OM is often sensitive to management changes, and measuring > 2 mm fractions could provide early and valuable

indications of forthcoming changes in soil OC stocks.
5.2.2 Sampling plan
A sampling plan shall be prepared in accordance with ISO 18400-101.

This should describe what is to be done to obtain the required samples and the practical requirements

for carrying out the work (i.e. how to implement the sampling strategy, see 5.2.3).

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ISO 23400:2021(E)

Whatever the methods used to collect or form samples, their form and how they are to be taken should

be prescribed in the sampling plan.
5.2.3 Sampling strategy
5.2.3.1 General

A sampling strategy should be prepared in accordance with the guidance in ISO 18400-104 having

regard also to the guidance in ISO 18400-205. Usually based on the site investigation (5.1), the site may

[11]
be stratified in different zones using as a minimum the following variables :

— land location (nearest settlement or roadway), legal land description, GPS coordinates;

— typical soil texture, parent material, solum thickness, soil classification;

— topography and landscape morphology (e.g. slope position, surface shape (concavity/convexity),

erosion forms, drainage and water regime);

— biome, ecodistrict (if known), remote sensing images, vegetative cover, land use and management.

The sampling strategy should also:
— include all sampling activities that are to be undertaken;

— determine how to collect volumetric samples that represent the area of interest and that estimate

mean soil OC and TN stocks including estimates of variability about the means;
— provide information on spatial variation at the desired scale if required.

Mean elemental stocks of the area can be determined using composite sampling (see 5.2.3.2 – Figure 1)

or by averaging the stocks from independent sampling points (see 5.2.3.3 – Figure 1). The latter is

preferred because it will yield information on variability at the scale of the sampling pattern and it

allows pairing of sampling points from different sampling times to improve assessment of temporal

changes (see Clause 7). However, depending on the budget, compositing can be required. Figure 1 gives

an overview of the different steps needed from sampling to calculating to obtain a mean elemental

value of the stock of an area.

Bulk density measurements and carbon and nitrogen concentrations should all derive from the same

core sample to determine the soil OC and TN stocks for that sample.
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ISO 23400:2021(E)
Key
action
soil sample

Averaging the stocks from independent point samples is preferred because it will yield information on

variability at the scale of the sampling pattern and it allows pairing of sampling points among sampling

times to improve assessment of temporal changes. However, depending on the budget, compositing

can be required.

Depending on the specific program objectives, the coarse organic fragments could be determined (and

its C-N content measured) to assess the time dynamics for specific purposes (short term changes of

stocks, effect of specific practice of organic matter management, etc.). Coarse fragments of plant roots

and shoots and other organic materials may respond to management changes. Consequently, these

organic materials could be crushed or chopped to <2 mm and included with the < 2 mm mineral soil.

Figure 1 — Steps of soil sample collection, preparation and analysis for soil organic carbon and

total nitrogen stocks determination
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ISO 23400:2021(E)

NOTE 1 A pre-sampling (e.g. with augers and/or soil pit description) can be performed to produce a first

qualitative assessment of soil carbon and nitrogen distribution and organize the sampling campaign.

NOTE 2 Composite sampling can also provide some information on variability depending on how it is applied.

The simplest way is to collect several (at least 2) composite samples.

NOTE 3 Initially it could be useful to collect samples from more points than actually required so that

the minimum number of samples required to attain the minimum detectable difference can be calculated.

Furthermore, some samples might be lost.

NOTE 4 Mechanization of soil sample collection (e.g. using hydraulically driven soil core tubes) increases the

likelihood of obtaining the samples required for statistically significant determination of soil OC and TN stocks,

Furthermore, such mechanization typically minimizes site disturbance, allowing subsequent samples to be

collected near (in space) to the initial ones. This might decrease the influence of spatial variability and increase

the detectability of temporal changes. However, the practicality of using such equipment, which is commonly in

the form of portable but heavy hand-operated gear or a self-propelled tracked rig, will depend on the location

where it is to be used (e.g. topography, vegetation).
5.2.3.2 Composite sampling

When desired, to reduce analytical costs, composite sampling may be carried out in accordance with

ISO 18400-104 which, among other things, provides guidance on:
— how to form composite samples;

— how many composite samples to take from an area of a given size (see Table 1 and ISO 18400-

104:2018, 7.3.2).

Table 1 — Number of zones for composite sampling in relation to the total area of the site (after

ISO 18400-104:2018, Table 4)
Area Minimum number of Zones
A n
0 to 2 1
> 2 to 5 2
> 5 to 10 3
> 10 to 15 4
> 15 to 20 5
> 20 to 30 6

NOTE 1 For areas larger than those given, the following equation should be used to specify the number of zones to be

sampled: nA=+1 .

NOTE 2 The underlying assumption is that properties are generally uniform within the area to be investigated – if this is

not the case, the number of samples should be increased to ensure that each area with generally uniform soil properties is

sampled separately, while also ensuring that the number of zones is not less than the minimum stated in the table.

— judgements to be made irrespective of the size of the area of interest (e.g. whether to zone the site

in response to site observations such as topography, health of crops, evidence of flooding etc.).

NOTE 1 ISO 18400-104:2018, 6.5.4 provides guidance on the preparation and use of composite samples. For

the reasons explained in ISO 18400-104:2018, B.2 a “W” pat
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 23400
Première édition
2021-10
Lignes directrices pour la
détermination des stocks de carbone
organique et d’azote et de leurs
variations dans les sols minéraux à
l’échelle d’une parcelle
Guidelines for the determination of organic carbon and nitrogen
stocks and their variations in mineral soils at field scale
Numéro de référence
ISO 23400:2021(F)
© ISO 2021
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ISO 23400:2021(F)
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

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---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 23400:2021(F)
Sommaire Page

Avant-propos .............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction .................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ..................................................................................................................................................................................1

3 Termes et définitions ...................................................................................................................................................................................... 1

4 Principe.......................................................................................................................................................................................................................... 3

5 Mode opératoire ................................................................................................................................................................................................... 3

5.1 Stratégie d’étude du site ................................................................................................................................................................. 3

5.2 Échantillonnage ..................................................................................................................................................................................... 4

5.2.1 Objectifs de l’échantillonnage ................................................................................................................................. 4

5.2.2 Plan d’échantillonnage .................................................................................................................................................. 5

5.2.3 Stratégie d’échantillonnage ...................................................................................................................................... 5

5.2.4 Manipulation, stockage et transport des échantillons sur le terrain ...............................12

5.2.5 Manipulation et stockage des échantillons en laboratoire ........................................................12

5.2.6 Sécurité .................................................................................................................................................................................... 13

5.2.7 Protection de l’environnement ........................................................................................................................... 13

5.2.8 Assurance de la qualité au cours de l’échantillonnage ..................................................................13

5.2.9 Rapport d’échantillonnage ..................................................................................................................................... 13

5.3 Détermination de la masse sèche et du volume du sol échantillonné ................................................13

5.4 Analyse chimique .............................................................................................................................................................................. 14

5.4.1 Traitement des échantillons pour leur analyse chimique .......................................................... 14

5.4.2 Analyse chimique ............................................................................................................................................................ 14

6 Calculs des stocks de carbone organique et d’azote ...................................................................................................15

7 Mesurage des variations du carbone organique et de l’azote du sol dans le temps ..................16

7.1 Généralités .............................................................................................................................................................................................. 16

7.2 Calcul des variations des stocks de COS et incertitudes ................................................................................ 17

7.3 Sources d’erreur possibles ........................................................................................................................................................ 17

7.4 Informations requises ................................................................................................................................................................... 18

8 Rapport .......................................................................................................................................................................................................................18

8.1 Rapport concernant les stocks de carbone organique et d’azote du sol ........................................... 18

8.2 Rapport supplémentaire concernant la variation des stocks de carbone organique

et d’azote du sol ................................................................................................................................................................................... 18

Annexe A (informative) Utilisation de la différence minimale détectable pour déterminer

la taille des échantillons ...........................................................................................................................................................................19

Annexe B (informative) Mode opératoire relatif à la masse de sol équivalente ................................................20

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................21

iii
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ISO 23400:2021(F)
Avant-propos

L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes

nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est

en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude

a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,

gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.

L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document

a été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2

(voir www.iso.org/directives).

L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable

de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l'ISO (voir www.iso.org/brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion

de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 190, Qualité du sol.

Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent

document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes

se trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
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ISO 23400:2021(F)
Introduction

Les sols comprennent un important réservoir participant aux cycles biogéochimiques du carbone (C)

et de l’azote (N) et sont donc essentiels pour la régulation du climat, soit par l’émission de gaz à effet

[1]

de serre (GES), soit par la séquestration du carbone. Les sols sont le plus grand réservoir terrestre

de carbone organique et contiennent plus de carbone que l’atmosphère ou le biote. Par conséquent,

des variations relativement mineures des stocks de carbone du sol peuvent entraîner des échanges

considérables avec d’autres réservoirs de carbone à cycle actif, notamment l’atmosphère. L’estimation

des variations du stock de carbone organique du sol constitue l’une des principales méthodes appliquées

pour déterminer les flux de carbone à long terme et pour concevoir des stratégies de séquestration du

carbone. Le carbone organique du sol (COS) correspond à l’équilibre entre les apports (par exemple,

résidus végétaux, fumier, etc.) et les pertes dues à des processus biologiques. Les informations sur

les stocks d’azote total du sol sont précieuses car une quantité d’azote adéquate est essentielle à

la production végétale, tandis qu’une présence excessive d’azote peut présenter un risque pour

l’environnement. Une fuite de protoxyde d’azote (N O) de systèmes terrestres dans l’atmosphère (où

celui-ci augmente le forçage radiatif et peut catalyser la destruction de l’ozone (O ) stratosphérique)

est un risque associé à des apports excessifs d’azote du sol. Le rapport du stock de carbone organique

sur le stock d’azote total peut également donner un aperçu de la stabilité du COS et de la possibilité

de rétention d’éléments dans le sol. Les politiques climatiques favorisent les mesures de protection et

d’augmentation des stocks de COS. Elles nécessitent des méthodes normalisées pour évaluer les stocks

actuels de COS à l’échelle concernée (par exemple, parcelle, ferme, région) et pour vérifier l’efficacité

des mesures de séquestration du carbone du sol. Le présent document fournit des recommandations

pour le mesurage des stocks de carbone et d’azote dans les sols et pour la détection de leurs variations

dans le temps.
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NORME INTERNATIONALE ISO 23400:2021(F)
Lignes directrices pour la détermination des stocks de
carbone organique et d’azote et de leurs variations dans
les sols minéraux à l’échelle d’une parcelle
1 Domaine d’application

Le présent document décrit une méthode visant à quantifier les stocks de carbone organique et d’azote

présents dans les sols minéraux à l’échelle d’une parcelle. Il fournit également des recommandations

relatives à la manière de détecter et de quantifier simultanément les variations des stocks de carbone et

d’azote dans le temps dans les sols minéraux à l’échelle d’un champ. Il s’appuie sur plusieurs documents

[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8]
déjà publiés .

Le présent document ne s’applique pas aux sols organiques, aux sols du pergélisol, aux sols des zones

humides ou aux couches de sol susceptibles d’être submergées au-dessous du niveau de la nappe

phréatique.

NOTE 1 La possibilité d’augmenter le stockage du carbone par le sol est considérée comme un moyen de

séquestrer le dioxyde de carbone (CO ) atmosphérique et d’atténuer les émissions de gaz à effet de serre (GES).

Les informations sur les stocks d’azote (N) du sol sont capitales car l’azote interagit avec le cycle du carbone

par le biais de la nutrition des plantes et de la décomposition de la matière organique, et une fuite d’azote est

préoccupante pour l’environnement (par exemple, émissions de N O, lessivage de NO ). C’est pourquoi il devient

2 3

de plus en plus important de mesurer avec exactitude l’impact des modifications apportées à l’utilisation et aux

pratiques de gestion du sol sur les stocks de carbone organique et d’azote.

NOTE 2 Bien qu’il soit nécessaire de comprendre les variations des stocks de carbone inorganique du sol pour

appréhender les échanges terre-atmosphère de CO , le mesurage des stocks de carbone inorganique du sol ne

relève pas du domaine d’application du présent document.
2 Références normatives

Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur

contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.

Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les

éventuels amendements).

ISO 16133, Qualité du sol — Lignes directrices pour l'établissement et l'entretien de programmes de

surveillance

ISO 18400-101, Qualité du sol — Échantillonnage — Partie 101: Cadre pour la préparation et l'application

d'un plan d'échantillonnage

ISO 18400-105, Qualité du sol — Échantillonnage — Partie 105: Emballage, transport, stockage et

conservation des échantillons

ISO 18400-206, Qualité du sol — Échantillonnage — Partie 206: Collecte, manipulation et conservation de

sols destinés à l'évaluation de paramètres biologiques fonctionnels et structurels en laboratoire

3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.

L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:

— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https:// www .iso .org/ obp

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ISO 23400:2021(F)
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
échantillon composite spatial

au moins deux échantillons de sol individuels (par exemple, carottes de sol) séparés latéralement dans

l’espace, possédant le même volume et provenant de la même couche de sol ou du même incrément de

profondeur

Note 1 à l'article: Également appelé «échantillon moyen» ou «échantillon d’ensemble».

Note 2 à l'article: Les échantillons composites sont parfois prélevés de façon à inclure plus de variabilité latérale

et à mieux représenter la moyenne du mesurage (par exemple, teneur en eau ou concentration en carbone) qu’une

seule carotte de sol.
3.2
couverture du sol
couverture (bio)physique observée à la surface de la Terre
3.3
utilisation du sol
finalité socio-économique de l’occupation du sol
3.4
pratiques de gestion des sols

approche adoptée pour obtenir un résultat de l’utilisation du sol – le «comment» de l’utilisation du sol

(par exemple, pratiques de culture, telles que labour minimum et forage direct)
3.5
sol minéral
sol largement ou entièrement composé de constituants minéraux (inorganiques)
[SOURCE: ISO 14688-1:2017]
3.6
sol organique

sol contenant une proportion majoritaire de constituants organiques par rapport aux constituants

minéraux

Note 1 à l'article: Pour les besoins de la présente norme, les sols organiques prélevés contiennent plus de 50 % de

matière organique en volume ou plus de 30 % de matière organique en masse, soit 17 % de carbone organique. La

définition de «sol organique» varie entre les différents systèmes de classification des sols.

3.7
couche de sol organique

horizon constitué principalement de matériaux organiques, composés de litière non décomposée ou

partiellement décomposée, notamment de feuilles, d’aiguilles, de brindilles, de mousse et de lichens, qui

se sont accumulés en surface; il peut se situer au sommet de sols minéraux ou organiques

3.8
pergélisol

sol constitué de sol minéral et de sédiments, de roche, de glace, de tourbe et d’autres matériaux

organiques qui restent à une température inférieure à 0 °C pendant au moins deux années consécutives

3.9
point d’échantillonnage

endroit précis d’un site d’échantillonnage ou de chacun des horizons constituant un sol où sont prélevés

des échantillons

Note 1 à l'article: Les coordonnées doivent inclure les dimensions x et y pour indiquer les emplacements latéraux

et peuvent également comprendre l’altitude de la surface du sol en mètres par rapport au niveau de la mer.

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ISO 23400:2021(F)
3.10
échantillon non remanié

échantillon de sol obtenu à l’aide d’une méthode conçue pour préserver la structure du sol

3.11
couche de sol

épaisseur de sol définie par sa profondeur la plus proche et sa profondeur la plus éloignée de la surface

(par exemple, 0-30; 30-50 cm, etc.) et/ou par le mode opératoire d’échantillonnage. La couche de sol

peut comprendre ou couper un ou plusieurs horizons de sol

Note 1 à l'article: Un horizon est une couche de sol approximativement parallèle à la surface du sol et qui

se distingue des couches situées au-dessus ou au-dessous par des différences physiques, chimiques ou

[9],[10]
biologiques ( ).

Note 2 à l'article: Échantillon lié à l’horizon: échantillon prélevé dans un horizon défini du sol et le représentant.

4 Principe

Les stocks de carbone organique et d’azote dans les sols minéraux reflètent l’équilibre entre les apports

de C et de N au sol et les exportations de C et de N en provenance du sol sur des décennies. Le sol est

hétérogène en raison des variations du climat, de la roche mère, de la topographie, des organismes (y

compris de l’activité humaine) et du temps. Par conséquent, les stocks de carbone du sol varient en

fonction de la profondeur, de la position dans l’espace et du moment du prélèvement. Il convient de

mettre en œuvre une stratégie d’échantillonnage appropriée pour prendre en compte cet aspect afin

d’obtenir une estimation représentative des stocks de C et de N. En général, elle implique de prélever

plusieurs échantillons de sol à différentes profondeurs et en différents emplacements.

Pour estimer les stocks de carbone organique du sol (COS) et d’azote total (TN), des échantillons de

volume connu doivent être prélevés et les déterminations suivantes doivent être effectuées:

— masse sèche de l’échantillon complet;
— masse sèche des fragments minéraux grossiers (>2 mm) ou des pierres;
— masse de terre fine (≤2 mm) par volume prélevé («masse volumique apparente»);
— concentrations de carbone et d’azote dans la fraction de terre fine.

En général, les variations significatives des stocks de carbone organique et d’azote sur le terrain se

produisent très lentement, souvent sur une période de 5 à 10 ans au minimum, en fonction du climat

et des pratiques de gestion des sols. Il est important de porter une attention particulière aux facteurs

complexes qui déterminent la répartition des stocks de carbone et d’azote lors de la conception de

l’échantillonnage dans l’espace et dans le temps, de façon à pouvoir distinguer les variations spatiales et

temporelles.

Chaque étape du mode opératoire (par exemple, échantillonnage, analyse) est associée à des

incertitudes, qui peuvent être quantifiées afin de calculer les incertitudes globales concernant les stocks

et les valeurs de variation des stocks. Toutefois, il peut s’avérer suffisant de répéter les prélèvements,

en admettant que ces répétitions permettront de tenir compte de la variabilité dans l’espace et des

erreurs liées à toutes les étapes du protocole. La quantification séparée des incertitudes d’analyse

peut permettre de vérifier que des méthodes correctement mises en application à l’aide d’analyseurs

élémentaires modernes sont associées à de faibles erreurs.
5 Mode opératoire
5.1 Stratégie d’étude du site

Les descriptions du site et du sol sont nécessaires pour interpréter les mesurages des stocks de carbone

du sol et fournir une base pour l’extrapolation.
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ISO 23400:2021(F)

Une stratégie d’étude du site doit être élaborée pour l’investigation globale. Outre la stratégie

d’échantillonnage élaborée conformément au 5.2, elle peut inclure:
— une description de la zone étudiée;

— son utilisation actuelle et ses utilisations antérieures (par exemple, cultures, présence de bétail,

végétation naturelle, travaux de réhabilitation) ainsi que sa gestion (par exemple, travail du sol,

fertilisation organique et amendement, cultures de couverture, rendements des récoltes, élimination

des résidus de récolte);

— la caractérisation des sols et des profils selon ce qui est jugé nécessaire, y compris le type de sol,

l’épaisseur des couches et les caractéristiques physiques et chimiques fondamentales;

— les méthodes utilisées pour enregistrer les emplacements d’échantillonnage qui permettront un

positionnement précis des échantillonnages suivants (dans 5 à 10 ans), y compris les coordonnées GPS

avec une résolution submétrique, les distances par rapport à d’autres éléments permanents, la mise

en place d’un marqueur électromagnétique, etc.

Une attention particulière doit être portée à l’élaboration de la stratégie globale et de la stratégie

d’échantillonnage, afin que les échantillons puissent être prélevés aux mêmes emplacements

d’échantillonnage dans les années à venir, et de façon à surveiller les variations du stock de carbone

organique (conformément à l’ISO 16133 relative aux sites de surveillance). Il convient de recueillir des

informations appropriées et suffisantes concernant le site/la zone et les sols afin de pouvoir établir des

comparaisons avec les résultats relatifs à d’autres zones, lorsque cela est nécessaire.

NOTE 1 L’ISO 18400-202 fournit des recommandations détaillées relatives aux études sur document et

inspections de site (investigations préliminaires) et l’ISO 18400-205 fournit d’autres recommandations

concernant les sites naturels, quasi naturels et cultivés. L’ISO 18400-205 fournit des recommandations

spécifiques relatives à l’échantillonnage dans les vergers, etc., et les zones boisées.

NOTE 2 L’ISO 25177 fournit des recommandations sur les descriptions des sites et des sols.

5.2 Échantillonnage
5.2.1 Objectifs de l’échantillonnage

L’échantillonnage du sol a pour objectif de prélever des échantillons volumétriques représentatifs de

la zone étudiée, afin de pouvoir estimer les stocks moyens de carbone organique et d’azote total du sol

(masses d’éléments par unité de surface à une profondeur et pour une masse de sol spécifiées) ainsi

que des estimations de la variabilité (c’est-à-dire de la dispersion des données) autour de ces valeurs

moyennes.

La détermination des stocks de carbone organique et d’azote total du sol dans une zone donnée (par

exemple, parcelle, champ) nécessite donc de définir les limites de la zone étudiée et de décider de la

(plage de) profondeur étudiée.

La masse du sol doit également être indiquée. En présumant que les processus géomorphologiques

sont négligeables, il convient de comparer les stocks de carbone organique et d’azote total du sol de

préférence sur la base d’une masse de sol équivalente, plutôt que sur un volume fixe.

Il est également nécessaire de connaître la teneur en humidité de manière à pouvoir exprimer les

résultats sur la base de la masse sèche. Les dosages analytiques du carbone et de l’azote sont effectués

sur la fraction mesurant moins de 2 mm. Il est donc nécessaire de connaître la masse de matériaux (par

exemple, roches, fragments organiques) du sol mesurant plus de 2 mm.

Toute la matière organique des échantillons de sol représentatifs doit être quantifiée, y compris

la fraction organique grossière (>2 mm). Ces matériaux peuvent être broyés ou hachés à des

dimensions < 2 mm et être inclus pour analyse dans l’échantillon de sol minéral < 2 mm complet. Ils

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ISO 23400:2021(F)

peuvent également être isolés (par exemple sous forme de matière organique particulaire ou en fraction

légère) et analysés indépendamment, mais ils ne doivent pas être écartés.
NOTE 1 L’échelle est traitée dans l’ISO 18400-104, 5.6 et Annexe E.

NOTE 2 Étant donné que le traitement des échantillons et les analyses chimiques représentent un surcoût

relativement faible par rapport au prélèvement des échantillons, il est généralement préférable d’effectuer des

analyses indépendantes pour des points d’échantillonnage et des couches de sol distincts. Cette séparation fournit

des informations importantes sur la variabilité en trois dimensions. En outre, lorsque des échantillons sont

prélevés à au moins deux dates de prélèvement différentes, elle permet d’établir et de comparer les variabilités

spatiale et temporelle.

NOTE 3 Selon les objectifs particuliers du programme, la fraction organique grossière peut être déterminée

(et sa teneur en C-N mesurée) séparément du sol minéral pour évaluer la dynamique dans le temps à des fins

spécifiques (variation à court terme des stocks, effet d’une pratique spécifique de gestion de la matière organique,

etc.). La matière organique particulaire ou en fraction légère est souvent sensible aux modifications de gestion,

et un mesurage des fractions > 2 mm peut donner de premières indications utiles sur les variations futures des

stocks de COS.
5.2.2 Plan d’échantillonnage
Un plan d’échantillonnage doit être préparé conformément à l’ISO 18400-101.

Il convient que celui-ci décrive la marche à suivre pour obtenir les échantillons requis et les exigences

pratiques pour mener à bien le travail (c’est-à-dire la manière de mettre en œuvre la stratégie

d’échantillonnage, voir 5.2.3).

Quelles que soient les méthodes utilisées pour prélever ou constituer des échantillons, il convient que

leur forme et la façon dont ils doivent être prélevés soient prescrites dans le plan d’échantillonnage.

5.2.3 Stratégie d’échantillonnage
5.2.3.1 Généralités

Il convient d’élaborer une stratégie d’échantillonnage conformément aux recommandations de

l’ISO 18400-104, en tenant également compte des recommandations de l’ISO 18400-205. En général, en

s’appuyant sur l’étude du site (5.1), ce dernier peut être segmenté en différentes zones en utilisant au

[11]
minimum les variables suivantes :

— emplacement du terrain (zone d’habitation ou route la plus proche), documentation cadastrale,

coordonnées GPS;
— texture type du sol, roche mère, épaisseur du solum, classifications du sol;

— topographie et morphologie du paysage (par exemple, position de la pente, forme de la surface

(concave/convexe), formes d’érosion, régimes de drainage et hydrique);

— biome, écodistrict (si connu), images de détection à distance, couverture végétale, utilisation et

gestion du sol.
En outre, il convient que la stratégie d’échantillonnage:
— inclut toutes les activités d’échantillonnage qui doivent être entreprises;

— détermine la manière de prélever des échantillons volumétriques représentatifs de la zone étudiée,

qui fournissent une estimation des stocks moyens de carbone organique et d’azote total du sol, y

compris des estimations de la variabilité autour des valeurs moyennes;

— fournisse des informations sur la variation spatiale à l’échelle souhaitée, si exigé.

Les stocks moyens d’éléments de la zone peuvent être déterminés par le biais d’un échantillonnage

composite (voir 5.2.3.2 – Figure 1) ou en calculant la moyenne des stocks déterminés sur des points

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ISO 23400:2021(F)

d’échantillonnage indépendants (voir 5.2.3.3 – Figure 1). Cette dernière option est privilégiée car

elle donne des informations sur la variabilité à l’échelle de la grille d’échantillonnage et elle permet

d’associer des points d’échantillonnage sur les différentes dates d’éc
...

FINAL
INTERNATIONAL ISO/FDIS
DRAFT
STANDARD 23400
ISO/TC 190
Guidelines for the determination of
Secretariat: DIN
organic carbon and nitrogen stocks
Voting begins on:
2021­06­15 and their variations in mineral soils at
field scale
Voting terminates on:
2021­08­10
Lignes directrices pour la détermination des stocks de carbone
organique et d’azote et de leurs variations dans les sols minéraux à
l’échelle d’une parcelle
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO
SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION
OF ANY RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH
THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPOR TING
DOCUMENTATION.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
Reference number
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNO­
ISO/FDIS 23400:2021(E)
LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES,
DRAFT INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON
OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE
LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STAN­
DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
NATIONAL REGULATIONS. ISO 2021
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ISO/FDIS 23400:2021(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2021

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ISO/FDIS 23400:2021(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Principle ........................................................................................................................................................................................................................ 3

5 Procedure..................................................................................................................................................................................................................... 3

5.1 Site investigation strategy ............................................................................................................................................................. 3

5.2 Sampling ....................................................................................................................................................................................................... 4

5.2.1 Sampling objectives ....................................................................................................................................................... 4

5.2.2 Sampling plan ..................................................................................................................................................................... 4

5.2.3 Sampling strategy............................................................................................................................................................ 5

5.2.4 Sample handling, storage and transport in the field ......................................................................10

5.2.5 Sample handling and storage in the laboratory .................................................................................10

5.2.6 Safety .......................................................................................................................................................................................11

5.2.7 Environmental Protection ....................................................................................................................................11

5.2.8 Quality assurance during sampling ..............................................................................................................11

5.2.9 Sampling report .............................................................................................................................................................11

5.3 Determination of the dry mass and the volume of the soil sampled .....................................................11

5.4 Chemical analysis ...............................................................................................................................................................................12

5.4.1 Sample processing for chemical analysis.................................................................................................12

5.4.2 Chemical analysis .........................................................................................................................................................12

6 Calculations of the organic C and N stocks .............................................................................................................................13

7 Measuring the temporal variations of soil organic carbon and nitrogen ..............................................14

7.1 General ........................................................................................................................................................................................................14

7.2 Calculation of SOC stock changes and uncertainties ...........................................................................................14

7.3 Possible source of errors .............................................................................................................................................................15

7.4 Information needed .........................................................................................................................................................................15

8 Reporting ...................................................................................................................................................................................................................15

8.1 Reporting for soil organic carbon and nitrogen stocks .....................................................................................15

8.2 Additional reporting for variation of soil organic carbon and nitrogen stocks............................16

Annex A (informative) Using minimum detectable difference to determine sample size .........................17

Annex B (informative) Equivalent soil mass procedure ................................................................................................................18

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................19

© ISO 2021 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/FDIS 23400:2021(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non­governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso .org/

iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 190 Soil quality.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 23400:2021(E)
Introduction

Soil comprise important pools in the biogeochemical cycles of carbon (C) and nitrogen (N), and thus

[1]

are critical for climate regulation either by emitting greenhouse gases (GHGs) or by sequestering C. .

Soils are the largest terrestrial reservoir of organic carbon, accounting for more carbon than contained

in atmosphere or biota. Consequently, relatively small changes in soil carbon stocks can equate to

considerable exchanges with other actively cycling carbon pools, such as the atmosphere. Estimation

of soil organic carbon stock changes is one of the main methods applied to determine long­term carbon

fluxes and to design carbon sequestration strategies. Soil organic carbon (SOC) is the balance between

inputs (e.g. plant residues, manure, etc.) and biologically mediated losses. Information on soil total

N stocks is valuable, because adequate N is critical for plant production while excessive N can be an

environmental hazard. Leakage of nitrous oxide (N O) from terrestrial systems to the atmosphere

(where it enhances radiative forcing and may catalyse stratospheric ozone (O ) destruction) is one

hazard associated with excessive soil N inputs. The ratio of organic C to total N stock can also provide

insight into SOC stability and potential for element retention in the soil. Climate policies promote actions

regarding the protection and increase of SOC stocks. Such measures require standardized methods to

assess the current SOC stocks at the relevant scale (e.g. plot, farm, region) and to verify the efficiency of

soil carbon sequestration actions. This document provides guidance on the measurement of carbon and

nitrogen stocks in soils and to the detection of their temporal variations.
© ISO 2021 – All rights reserved v
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FINAL DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/FDIS 23400:2021(E)
Guidelines for the determination of organic carbon and
nitrogen stocks and their variations in mineral soils at
field scale
1 Scope

This document presents a method to quantify the soil organic carbon and nitrogen stocks in mineral

soils at plot scale. It also provides guidance on how to detect and quantify simultaneously the variations

of carbon and nitrogen stocks over time in mineral soils at field scale. It is based on several documents

[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
already published , , , , , , .

This document does not apply to organic soils, soils with permafrost, wetland soils, or to soil layers

prone to submergence below the groundwater table.

NOTE 1 The possibility of increasing soil C storage is viewed as a means to sequester atmospheric carbon

dioxide (CO ) and mitigate greenhouse gas (GHG) emissions. Information on soil nitrogen (N) stocks is crucial

because it interacts with carbon cycling through plant nutrition and organic matter decomposition, and leakage

of N is of environmental concern (e.g. N O emissions, NO - leaching). Therefore, it is becoming increasingly

2 3

important to measure accurately the impact of changes of land uses and practices on organic carbon and nitrogen

stocks.

NOTE 2 While understanding changes in soil inorganic carbon it is important also to understand the land­

atmosphere exchange of CO , measuring stocks of soil inorganic carbon is outside the scope of this document.

2 Normative references

The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated

references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced

document (including any amendments) applies.

ISO 16133, Soil quality — Guidance on the establishment and maintenance of monitoring programmes

ISO 18400­101, Soil quality — Sampling — Part 101: Framework for the preparation and application of a

sampling plan

ISO 18400­105, Soil quality — Sampling — Part 105: Packaging, transport, storage and preservation of

samples

ISO 18400­206, Soil quality — Sampling — Part 206: Collection, handling and storage of soil under aerobic

conditions for the assessment of microbiological processes, biomass and diversity in the laboratory

3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
© ISO 2021 – All rights reserved 1
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ISO/FDIS 23400:2021(E)
3.1
spatial composite sample

two or more individual soil samples (e.g. cores) separated laterally in spacet having the same volume,

and coming from the same soil layer or depth increment
Note 1 to entry: Also called average sample or aggregated sample.

Note 2 to entry: Composite samples sometimes are collected to encompass more lateral variability and better

represent the mean of the measurement (e.g water content, or C concentration) than provided by a single soil

core.
3.2
land cover
observed (bio)physical cover of the Earth's surface
3.3
land use
socio­economic purpose of the land
3.4
land management practices

approach taken to achieve a land use outcome - the 'how' of land use (eg cultivation practices, such as

minimum tillage and direct drilling)
3.5
mineral soil
soil composed largely or entirely of mineral (inorganic) constituents
[SOURCE: ISO 14688­1:2017]
3.6
organic soil

soil in which the organic component is dominant with respect to the mineral component

Note 1 to entry: For the purpose of this standard, organic soils are taken to contain more than 50 % organic

matter by volume or more than 30 % organic matter by weight, i.e. 17 % of organic carbon. Please note that the

definition of ‘organic soils” varies between different soil classification systems.

3.7
organic soil layer

horizon dominated by organic material, consisting of undecomposed or partially decomposed litter,

such as leaves, needles, twigs, moss, and lichens, which has accumulated on the surface; they may be on

top of either mineral or organic soils
3.8
permafrost

ground consisting of mineral soil and sediment, rock, ice, peat ant other organic materials that remain

below 0 °C for at least two consecutives years
3.9
sampling point

precise position within a sampling site or within each soil constituting horizon from which samples are

collected

Note 1 to entry: The coordinates must include x and y dimensions to indicate lateral locations and may also

indicate the elevation of the soil surface in m relative to sea level.
3.10
undisturbed sample

sample obtained from the soil using a method designed to preserve the soil structure

2 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 23400:2021(E)
3.11
soil layer

layer of soil defined by its upper and deeper dimension (e.g. 0-30; 30-50 cm etc.) and/or by the sampling

procedure and it may comprise, or intersect, one or more soil horizons

Note 1 to entry: An horizon is a layer in soil that is roughly parallel to the ground surface and which is

[9] [10]

distinguished from layers above or below it on the basis of physical, chemical or biological differences ( , ).

Note 2 to entry: Horizon related sample: sample collected from and representing a defined soil horizon.

4 Principle

Organic carbon and nitrogen stocks in mineral soils reflect the balance between inputs and outputs of

C and N to the soil over decadal spans of time. Soil is heterogeneous due to variations in climate, parent

material, topography, organisms (including human activity) and time. Consequently, soil C stocks vary

with depth, location in space and sampling time. A proper sampling strategy should be implemented to

take this into account in order to get a representative estimate of C and N stocks. This generally entails

collecting several soil samples at different depths and locations.

To estimate soil organic carbon (SOC) and total nitrogen (TN) stocks, samples of a known volume shall

be collected, and the following determinations made:
— dry mass of the entire sample;
— dry mass of coarse (> 2 mm) mineral fragments or stones;
— fine soil (≤ 2mm) mass per volume sampled (“bulk density”);
— carbon and nitrogen concentrations in the fine soil fraction.

In general, significant field variations in organic carbon and nitrogen stocks occur very slowly, often

over a period of 5 to 10 years a minima, depending on climate and soil management practices. Careful

consideration of the complex factors governing the distribution of carbon and nitrogen stocks is

important for the sampling design over space and time to be able to differentiate spatial and temporal

variations.

Each step of the procedure (e.g. sampling, analysis) is associated with uncertainties, which can be

quantified in order to calculate the total uncertainties regarding stocks and stocks variations values.

However, it could suffice to collect replicate cores, recognizing that they will encompass variability in

space as well errors associated with all the steps. Separately quantifying analytical uncertainties can

verify that properly implemented methods using modern elemental analysers have small errors.

5 Procedure
5.1 Site investigation strategy

Site and soil description are necessary to interpret soil carbon stocks measurements and provide a

basis for extrapolation.

A site investigation strategy shall be prepared for the overall investigation. In addition to the sampling

strategy prepared in accordance with 5.2. This might include:
— description of the area of interest;

— current and past uses (e.g. crops, livestock, natural vegetation, restoration works) and management

(e.g. soil tillage, organic fertilization and amendment, cover crops, crop yields, crop residue removal);

— characterization of soils and profiles as deemed necessary, including for example soil type, layer

thicknesses, and basic physical and chemical characteristics;
© ISO 2021 – All rights reserved 3
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ISO/FDIS 23400:2021(E)

— use methods to record sampling locations that will permit precise positioning of subsequent (5 to

10 years in the future) sampling, including GPS coordinates with sub-metre resolution, distances to

other permanent features, installation of an electromagnetic marker.

Particular care shall be taken when developing the overall strategy and the sampling strategy so that

samples can be collected from the same sampling locations in future years to monitor changes in

soil organic carbon stock (in accordance with ISO 16133 relating to monitoring sites). Sufficient and

appropriate information on the site/area and soils should be collected to enable comparisons with the

results for other areas, when this is required.

NOTE 1 ISO 18400-202 gives detailed guidance on desk studies and site inspections (preliminary

investigations) and ISO 18400­205 gives further guidance relating to natural, near natural and cultivated sites.

ISO 18400-205 gives specific guidance on sampling in orchards etc. and wooded areas.

NOTE 2 ISO 25177 provides guidance on site and soil descriptions.
5.2 Sampling
5.2.1 Sampling objectives

The goal of soil sampling is to collect volumetric samples that represent the area of interest, and that

estimate mean soil OC and TN stocks (element masses per unit area to a specified soil depth and mass),

including estimates of variability (i.e scatter or dispersion of the data) about the means.

Determination of the soil organic carbon and total nitrogen stocks for a defined area (e.g., plot, field)

thus requires the boundaries of the area of interest to be delineated and the depth (range) of interest to

be decided.

The mass of soil also shall be stated. Assuming negligible geomorphological processes, comparisons

among soil OC or TN stocks should preferably be based on an equivalent soil mass, rather than on a

fixed volume.

It is also necessary to know the moisture content so that the results can be expressed on a dry weight

basis. The analytical measurements for C and N are made on the less than 2 mm fraction. It is therefore

necessary to know the mass of material (e.g. rocks, organic fragments) in the soil that is > 2 mm.

All organic matter in representative soil samples must be quantified, including the coarse (> 2mm)

organic fraction. Such materials can be ground or chopped to < 2 mm and included for analysis with the

entire < 2 mm mineral soil sample, or they can be isolated (e.g. as particulate or light fraction OM) and

analyzed independently, but they must not be discarded.
NOTE 1 Scale is discussed in ISO 18400-104, 5.6 and Annex E.

NOTE 2 Since sample processing and chemical analyses account for relatively small cost increments on sample

collection, it usually is preferable to perform independent analyses on separate sampling points and soil layers.

This provides important information on variability in three dimensions. In addition, when samples were taken

on at least two different collection dates, it makes it possible to distinguish temporal variability from spatial

variability.

NOTE 3 Depending on the specific program objectives, the coarse organic fraction could be determined (and

its C-N content measured) separately from the mineral soil to assess the time dynamics for specific purposes

(short term change of stocks, effect of a specific practice of OM management etc.). Particulate or light fraction

OM is often sensitive to management changes, and measuring > 2 mm fractions could provide early and valuable

indications of forthcoming changes in SOC stocks.
5.2.2 Sampling plan
A sampling plan shall be prepared in accordance with ISO 18400­101.

This should describe what is to be done to obtain the required samples and the practical requirements

for carrying out the work (i.e. how to implement the sampling strategy, see 5.2.3).

4 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 23400:2021(E)

Whatever the methods used to collect or form samples, their form and how they are to be taken should

be prescribed in the sampling plan.
5.2.3 Sampling strategy
5.2.3.1 General

A sampling strategy should be prepared in accordance with the guidance in ISO 18400-104 having

regard also to the guidance in ISO 18400-205. Usually based on the site investigation (5.1), the site may

[11]
be stratified in different zones using as a minimum the following variables :

— Land location (nearest settlement or roadway), legal land description, GPS coordinates;

— Typical soil texture, parent material, solum thickness, soil classification;

— Topography and landscape morphology (e.g. slope position, surface shape (concavity/convexity),

erosion forms, drainage and water regime);

— Biome, ecodistrict (if known), remote sensing images, vegetative cover, land use and management.

The sampling strategy should also:
— include all sampling activities that are to be undertaken;

— determine how to collect volumetric samples that represent the area of interest and that estimate

mean soil OC and TN stocks including estimates of variability about the means;
— provide information on spatial variation at the desired scale if required.

Mean elemental stocks of the area can be determined using composite sampling (see 5.2.2.2 – Figure 1)

or by averaging the stocks from independent sampling points (see 5.2.2.3 – Figure 1). The latter is

preferred because it will yield information on variability at the scale of the sampling pattern and it

allows pairing of sampling points from different sampling times to improve assessment of temporal

changes (see Clause 7.). However, depending on the budget, compositing can be required. Figure 1 gives

an overview of the different steps needed from sampling to calculating to obtain a mean elemental

value of the stock of an area.

Bulk density measurements and carbon and nitrogen concentrations should all derive from the same

core sample to determine the soil OC and TN stocks for that sample.
© ISO 2021 – All rights reserved 5
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ISO/FDIS 23400:2021(E)
Key
action
soil sample

Averaging the stocks from independent point samples is preferred because it will yield information on

variability at the scale of the sampling pattern and it allows pairing of sampling points among sampling

times to improve assessment of temporal changes. However, depending on the budget, compositing

can be required.

Depending on the specific program objectives, the coarse organic fragments could be determined (and

its C-N content measured) to assess the time dynamics for specific purposes (short term changes of

stocks, effect of specific practice of organic matter management, etc.). Coarse fragments of plant roots

and shoots and other organic materials may respond to management changes. Consequently, these

organic materials could be crushed or chopped to <2 mm and included with the < 2 mm mineral soil.

Figure 1 — Steps of soil samples collection, preparation and analysis for soil organic carbon and

total nitrogen stocks determination
6 © ISO 2021 – All rights reserved
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ISO/FDIS 23400:2021(E)

NOTE 1 A pre-sampling (e.g. with augers and/or soil pit description) can be performed to produce a first

qualitative assessment of soil carbon and nitrogen distribution and organize the sampling campaign.

NOTE 2 Composite sampling can also provide some information on variability depending on how it is applied.

The simplest way is to collect several (at least 2) composite samples.

NOTE 3 Initially it colud be useful to collect samples from more points than actually required so that

the minimum number of samples required to attain the minimum detectable difference can be calculated.

Furthermore, some samples might be lost.

NOTE 4 Mechanization of soil sample collection (e.g. using hydraulically driven soil core tubes) increases the

likelihood of obtaining the samples required for statistically significanct determination of soil OC and TN stocks,

Furthermore, such mechanization typically minimizes site disturbance, allowing subsequent samples to be

collected near (in space) to the initial ones. This might decrease the influence of spatial variability and increase

the detectability of temporal changes. However, the practicality of using such equipment, which is commonly in

the form of portable but heavy hand-operasted gear or a self-propelled tracked rig, will depend on the location

where it is to be used (e.g. topograsphy, vegetation).
5.2.3.2 Composite sampling

When desired, to reduce analytical costs, composite sampling may be carried out in accordance with

ISO 18400­104 which, among other things, provides guidance on:
— how to form composite samples;

— how many composite samples to take from an area of a given size (see Table 1 and ISO 18400­104:2018,

7.3.2).

Table 1 — Number of zones for composite sampling in relation to the total area of the site (after

ISO 18400-104:2018, Table 4)
Area Minimum number of Zones
A n
0 to 2 1
> 2 to 5 2
> 5 to 10 3
> 10 to 15 4
> 15 to 20 5
> 20 to 30 6

NOTE 1 For areas larger than those given, the following equation should be used to specify the number of zones to be

sampled: nA=+1 .

NOTE 2 The underlying assumption is that properties are generally uniform within the area to be investigated – if this

...

PROJET
NORME ISO/FDIS
FINAL
INTERNATIONALE 23400
ISO/TC 190
Lignes directrices pour la
Secrétariat: DIN
détermination des stocks de carbone
Début de vote:
2021-06-15 organique et d’azote et de leurs
variations dans les sols minéraux à
Vote clos le:
2021-08-10
l’échelle d’une parcelle
Guidelines for the determination of organic carbon and nitrogen
stocks and their variations in mineral soils at field scale
LES DESTINATAIRES DU PRÉSENT PROJET SONT
INVITÉS À PRÉSENTER, AVEC LEURS OBSER-
VATIONS, NOTIFICATION DES DROITS DE PRO-
PRIÉTÉ DONT ILS AURAIENT ÉVENTUELLEMENT
CONNAISSANCE ET À FOURNIR UNE DOCUMEN-
TATION EXPLICATIVE.
OUTRE LE FAIT D’ÊTRE EXAMINÉS POUR
ÉTABLIR S’ILS SONT ACCEPTABLES À DES FINS
INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET COM-
Numéro de référence
MERCIALES, AINSI QUE DU POINT DE VUE
ISO/FDIS 23400:2021(F)
DES UTILISATEURS, LES PROJETS DE NORMES
INTERNATIONALES DOIVENT PARFOIS ÊTRE
CONSIDÉRÉS DU POINT DE VUE DE LEUR POSSI-
BILITÉ DE DEVENIR DES NORMES POUVANT
SERVIR DE RÉFÉRENCE DANS LA RÉGLEMENTA-
TION NATIONALE. ISO 2021
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ISO/FDIS 23400:2021(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2021

Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette

publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,

y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut

être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
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Publié en Suisse
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ISO/FDIS 23400:2021(F)
Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Principe .......................................................................................................................................................................................................................... 3

5 Mode opératoire.................................................................................................................................................................................................... 3

5.1 Stratégie d’étude du site ................................................................................................................................................................. 3

5.2 Échantillonnage ...................................................................................................................................................................................... 4

5.2.1 Objectifs de l’échantillonnage ............................................................................................................................... 4

5.2.2 Plan d’échantillonnage ............................................................................................................................................... 5

5.3 Stratégie d’échantillonnage .......................................................................................................................................................... 5

5.3.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 5

5.3.2 Manipulation, stockage et transport des échantillons sur le terrain ...............................12

5.3.3 Manipulation et stockage des échantillons en laboratoire .......................................................12

5.3.4 Sécurité .................................................................................................................................................................................13

5.3.5 Protection de l’environnement .........................................................................................................................13

5.3.6 Assurance de la qualité au cours de l’échantillonnage ................................................................13

5.3.7 Rapport d’échantillonnage ...................................................................................................................................13

5.4 Détermination de la masse sèche et du volume du sol échantillonné .................................................13

5.5 Analyse chimique ...............................................................................................................................................................................14

5.5.1 Traitement des échantillons pour leur analyse chimique .........................................................14

5.5.2 Analyse chimique .........................................................................................................................................................14

6 Calculs des stocks de carbone organique et d’azote .....................................................................................................15

7 Mesurage des variations du carbone organique et de l’azote du sol dans le temps ....................16

7.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................16

7.2 Calcul des variations des stocks de COS et incertitudes ...................................................................................17

7.3 Sources d’erreur possibles.........................................................................................................................................................17

7.4 Informations requises ....................................................................................................................................................................18

8 Rapport........................................................................................................................................................................................................................18

8.1 Rapport concernant les stocks de carbone organique et d’azote du sol ............................................18

8.2 Rapport supplémentaire concernant la variation des stocks de carbone organique

et d’azote du sol ...................................................................................................................................................................................18

Annexe A (informative) Utilisation de la différence minimale détectable pour déterminer la

taille des échantillons ..................................................................................................................................................................................19

Annexe B (informative) Mode opératoire relatif à la masse de sol équivalente ...................................................20

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................21

© ISO 2021 – Tous droits réservés iii
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ISO/FDIS 23400:2021(F)
Avant-propos

L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes

nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est

en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude

a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,

gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.

L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/ directives).

L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable

de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion

de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ fr/ avant -propos.

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 190, Qualité du sol.

Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent

document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes

se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
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ISO/FDIS 23400:2021(F)
Introduction

Les sols comprennent d’importants réservoirs participant aux cycles biogéochimiques du carbone (C)

et de l’azote (N) et sont donc essentiels pour la régulation du climat, soit par l’émission de gaz à effet

[1]

de serre (GES), soit par la séquestration du carbone. Les sols sont le plus grand réservoir terrestre

de carbone organique et contiennent plus de carbone que l’atmosphère ou le biote. Par conséquent,

des variations relativement mineures des stocks de carbone du sol peuvent entraîner des échanges

considérables avec d’autres réservoirs de carbone à cycle actif, notamment l’atmosphère. L’estimation

des variations du stock de carbone organique du sol constitue l’une des principales méthodes appliquées

pour déterminer les flux de carbone à long terme et pour concevoir des stratégies de séquestration du

carbone. Le carbone organique du sol (COS) correspond à l’équilibre entre les apports (par exemple,

résidus végétaux, fumier, etc.) et les pertes dues à des processus biologiques. Les informations sur

les stocks d’azote total du sol sont précieuses car une quantité d’azote adéquate est essentielle à

la production végétale, tandis qu’une présence excessive d’azote peut présenter un risque pour

l’environnement. Une fuite de protoxyde d’azote (N O) de systèmes terrestres dans l’atmosphère (où

celui-ci augmente le forçage radiatif et peut catalyser la destruction de l’ozone (O ) stratosphérique)

est un risque associé à des apports excessifs d’azote du sol. Le rapport du stock de carbone organique

sur le stock d’azote total peut également donner un aperçu de la stabilité du COS et de la possibilité

de rétention d’éléments dans le sol. Les politiques climatiques favorisent les mesures de protection et

d’augmentation des stocks de COS. Elles nécessitent des méthodes normalisées pour évaluer les stocks

actuels de COS à l’échelle concernée (par exemple, parcelle, ferme, région) et pour vérifier l’efficacité

des mesures de séquestration du carbone du sol. Le présent document fournit des recommandations

pour le mesurage des stocks de carbone et d’azote dans les sols et pour la détection de leurs variations

dans le temps.
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PROJET FINAL DE NORME INTERNATIONALE ISO/FDIS 23400:2021(F)
Lignes directrices pour la détermination des stocks de
carbone organique et d’azote et de leurs variations dans
les sols minéraux à l’échelle d’une parcelle
1 Domaine d’application

Le présent document décrit une méthode visant à quantifier les stocks de carbone organique et d’azote

présents dans les sols minéraux à l’échelle d’une parcelle. Il fournit également des recommandations

relatives à la manière de détecter et de quantifier simultanément les variations des stocks de carbone et

d’azote dans le temps dans les sols minéraux à l’échelle d’un champ. Il s’appuie sur plusieurs documents

[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
déjà publiés , , , , , , .

Ce document ne s’applique pas aux sols organiques, aux sols du pergélisol, aux sols des zones humides

ou aux couches de sol susceptibles d’être submergées au-dessous du niveau de la nappe phréatique.

NOTE 1 La possibilité d’augmenter le stockage du carbone par le sol est considérée comme un moyen de

séquestrer le dioxyde de carbone (CO ) atmosphérique et d’atténuer les émissions de gaz à effet de serre (GES).

Les informations sur les stocks d’azote (N) du sol sont capitales car l’azote interagit avec le cycle du carbone

par le biais de la nutrition des plantes et de la décomposition de la matière organique, et une fuite d’azote est

préoccupante pour l’environnement (par exemple, émissions de N O, lessivage de NO ). C’est pourquoi il devient

2 3

de plus en plus important de mesurer avec exactitude l’impact des modifications apportées à l’utilisation et aux

pratiques de gestion du sol sur les stocks de carbone organique et d’azote.

NOTE 2 Bien qu’il soit nécessaire de comprendre les variations des stocks de carbone inorganique du sol pour

appréhender les échanges terre-atmosphère de CO , le mesurage des stocks de carbone inorganique du sol ne

relève pas du domaine d’application du présent document.
2 Références normatives

Les documents ci-après sont des références normatives indispensables à l’application du présent

document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les références non datées, la

dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels amendements).

ISO 16133, Qualité du sol — Lignes directrices pour l'établissement et l'entretien de programmes de

surveillance

ISO 18400-101, Qualité du sol — Échantillonnage — Partie 101: Cadre pour la préparation et l'application

d'un plan d'échantillonnage

ISO 18400-105, Qualité du sol — Échantillonnage — Partie 105: Emballage, transport, stockage et

conservation des échantillons

ISO 18400-206, Qualité du sol — Échantillonnage — Partie 206: Collecte, manipulation et conservation de

sols destinés à l'évaluation de paramètres biologiques fonctionnels et structurels en laboratoire

3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.

L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:

— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp;

— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/ .
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3.1
échantillon composite spatial

au moins deux échantillons de sol individuels (par exemple, carottes de sol) séparés latéralement dans

l’espace, possédant le même volume et provenant de la même couche de sol ou du même incrément de

profondeur

Note 1 à l'article: Également appelé «échantillon moyen» ou «échantillon d’ensemble».

Note 2 à l'article: Les échantillons composites sont parfois prélevés de façon à inclure plus de variabilité latérale

et à mieux représenter la moyenne du mesurage (par exemple, teneur en eau ou concentration en carbone) qu’une

seule carotte de sol.
3.2
couverture du sol
couverture (bio)physique observée à la surface de la Terre
3.3
utilisation du sol
finalité socio-économique de l’occupation du sol
3.4
pratiques de gestion des sols

approche adoptée pour obtenir un résultat de l’utilisation du sol – le « comment » de l’utilisation du sol

(par exemple, pratiques de culture, telles que labour minimum et forage direct)
3.5
sol minéral
sol largement ou entièrement composé de constituants minéraux (inorganiques)
[SOURCE: ISO 14688-1:2017]
3.6
sol organique

sol contenant une proportion majoritaire de constituants organiques par rapport aux constituants

minéraux

Note 1 à l'article: Pour les besoins de la présente norme, les sols organiques prélevés contiennent plus de 50 % de

matière organique en volume ou plus de 30 % de matière organique en masse, soit 17 % de carbone organique.

Il faut noter que la définition des «sols organiques» varie entre les différents systèmes de classification des sols.

3.7
couche de sol organique

horizon constitué principalement de matériaux organiques, composés de litière non décomposée ou

partiellement décomposée, notamment de feuilles, d’aiguilles, de brindilles, de mousse et de lichens, qui

se sont accumulés en surface; il peut se situer au sommet de sols minéraux ou organiques

3.8
pergélisol

sol constitué de sol minéral et de sédiments, de roche, de glace, de tourbe et d’autres matériaux

organiques qui restent à une température inférieure à 0 °C pendant au moins deux années consécutives

3.9
point d’échantillonnage

endroit précis d’un site d’échantillonnage ou de chacun des horizons constituant un sol où sont prélevés

des échantillons

Note 1 à l'article: Les coordonnées doivent inclure les dimensions x et y pour indiquer les emplacements latéraux

et peuvent également comprendre l’altitude de la surface du sol en mètres par rapport au niveau de la mer.

3.10
échantillon non remanié

échantillon de sol obtenu à l’aide d’une méthode conçue pour préserver la structure du sol

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3.11
couche de sol

épaisseur de sol définie par sa profondeur la plus proche et sa profondeur la plus éloignée de la surface

(par exemple, 0-30; 30-50 cm, etc.) et/ou par le mode opératoire d’échantillonnage. La couche de sol

peut comprendre ou couper un ou plusieurs horizons de sol

Note 1 à l'article: Un horizon est une couche de sol approximativement parallèle à la surface du sol et qui

se distingue des couches situées au-dessus ou au-dessous par des différences physiques, chimiques ou

[9] [10]
biologiques ( , ).

Note 2 à l'article: Échantillon lié à l’horizon: échantillon prélevé dans un horizon défini du sol et le représentant.

4 Principe

Les stocks de carbone organique et d’azote dans les sols minéraux reflètent l’équilibre entre les apports

de C et de N au sol et les exportations de C et de N en provenance du sol sur des décennies. Le sol est

hétérogène en raison des variations du climat, de la roche mère, de la topographie, des organismes (y

compris de l’activité humaine) et du temps. Par conséquent, les stocks de carbone du sol varient en

fonction de la profondeur, de la position dans l’espace et du moment du prélèvement. Il convient de

mettre en œuvre une stratégie d’échantillonnage appropriée pour prendre en compte cet aspect afin

d’obtenir une estimation représentative des stocks de C et de N. En général, elle implique de prélever

plusieurs échantillons de sol à différentes profondeurs et en différents emplacements.

Pour estimer les stocks de carbone organique du sol (COS) et d’azote total (TN), des échantillons de

volume connu doivent être prélevés et les déterminations suivantes doivent être effectuées:

— masse sèche de l’échantillon complet;
— masse sèche des fragments minéraux grossiers (>2 mm) ou des pierres;

— masse de terre fine (≤2 mm) par volume prélevé (« masse volumique apparente »);

— concentrations de carbone et d’azote dans la fraction de terre fine.

En général, les variations significatives des stocks de carbone organique et d’azote sur le terrain se

produisent très lentement, souvent sur une période de 5 à 10 ans au minimum, en fonction du climat

et des pratiques de gestion des sols. Il est important de porter une attention particulière aux facteurs

complexes qui déterminent la répartition des stocks de carbone et d’azote lors de la conception de

l’échantillonnage dans l’espace et dans le temps, de façon à pouvoir distinguer les variations spatiales et

temporelles.

Chaque étape du mode opératoire (par exemple, échantillonnage, analyse) est associée à des incertitudes,

qui peuvent être quantifiées afin de calculer les incertitudes globales concernant les valeurs des stocks

et leurs variations. Toutefois, il peut s’avérer suffisant de répéter les prélèvements, en admettant que

ces répétitions permettront de tenir compte de la variabilité dans l’espace et des erreurs liées à toutes

les étapes du protocole. La quantification séparée des incertitudes d’analyse peut permettre de vérifier

que des méthodes correctement mises en application à l’aide d’analyseurs élémentaires modernes sont

associées à de faibles erreurs.
5 Mode opératoire
5.1 Stratégie d’étude du site

Les descriptions du site et du sol sont nécessaires pour interpréter les mesurages des stocks de carbone

du sol et fournir une base pour l’extrapolation.
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Une stratégie d’étude du site doit être élaborée pour l’investigation globale. Outre la stratégie

d’échantillonnage élaborée conformément au 5.2, elle peut inclure:
— une description de la zone étudiée;

— son utilisation actuelle et ses utilisations antérieures (par exemple, cultures, présence de bétail,

végétation naturelle, travaux de réhabilitation) ainsi que sa gestion (par exemple, travail du sol,

fertilisation organique et amendement, cultures de couverture, rendements des récoltes, élimination

des résidus de récolte);

— la caractérisation des sols et des profils selon ce qui est jugé nécessaire, y compris le type de sol,

l’épaisseur des couches et les caractéristiques physiques et chimiques fondamentales;

— les méthodes utilisées pour enregistrer les emplacements d’échantillonnage qui permettront un

positionnement précis des échantillonnages suivants (dans 5 à 10 ans), y compris les coordonnées GPS

avec une résolution submétrique, les distances par rapport à d’autres éléments permanents, la mise

en place d’un marqueur électromagnétique.

Une attention particulière doit être portée à l’élaboration de la stratégie globale et de la stratégie

d’échantillonnage, afin que les échantillons puissent être prélevés aux mêmes emplacements

d’échantillonnage dans les années à venir, et de façon à surveiller les variations du stock de carbone

organique (conformément à l’ISO 16133 relative aux sites de surveillance). Il convient de recueillir des

informations appropriées et suffisantes concernant le site/la zone et les sols afin de pouvoir établir des

comparaisons avec les résultats relatifs à d’autres zones, lorsque cela est nécessaire.

NOTE 1 L’ISO 18400-202 fournit des recommandations détaillées relatives aux études sur document et

inspections de site (investigations préliminaires) et l’ISO 18400-205 fournit d’autres recommandations

concernant les sites naturels, quasi naturels et cultivés. L’ISO 18400-205 fournit des recommandations

spécifiques relatives à l’échantillonnage dans les vergers, etc., et les zones boisées.

NOTE 2 L’ISO 25177 fournit des recommandations sur les descriptions des sites et des sols.

5.2 Échantillonnage
5.2.1 Objectifs de l’échantillonnage

L’échantillonnage du sol a pour objectif de prélever des échantillons volumétriques représentatifs de

la zone étudiée, afin de pouvoir estimer les stocks moyens de carbone organique et d’azote total du sol

(masses d’éléments par unité de surface à une profondeur et pour une masse de sol spécifiées) ainsi

que des estimations de la variabilité (c’est-à-dire de la dispersion des données) autour de ces valeurs

moyennes.

La détermination des stocks de carbone organique et d’azote total du sol dans une zone donnée (par

exemple, parcelle, champ) nécessite donc de définir les limites de la zone étudiée et de décider de la

(plage de) profondeur étudiée.

La masse du sol doit également être indiquée. En présumant que les processus géomorphologiques

sont négligeables, il convient de comparer les stocks de carbone organique et d’azote total du sol de

préférence sur la base d’une masse de sol équivalente, plutôt que sur un volume fixe.

Il est également nécessaire de connaître la teneur en humidité de manière à pouvoir exprimer les

résultats sur la base de la masse sèche. Les dosages analytiques du carbone et de l’azote sont effectués

sur la fraction mesurant moins de 2 mm. Il est donc nécessaire de connaître la masse de matériaux (par

exemple, roches, fragments organiques) du sol mesurant plus de 2 mm.

Toute la matière organique des échantillons de sol représentatifs doit être quantifiée, y compris

la fraction organique grossière (>2 mm). Ces matériaux peuvent être broyés ou hachés à des

dimensions < 2 mm et être inclus pour analyse dans l’échantillon de sol minéral < 2 mm complet. Ils

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ISO/FDIS 23400:2021(F)

peuvent également être isolés (par exemple sous forme de matière organique particulaire ou en fraction

légère) et analysés indépendamment, mais ils ne doivent pas être écartés.
NOTE 1 L’échelle est traitée dans l’ISO 18400-104, 5.6 et Annexe E.

NOTE 2 Étant donné que le traitement des échantillons et les analyses chimiques représentent un surcoût

relativement faible par rapport au prélèvement des échantillons, il est généralement préférable d’effectuer des

analyses indépendantes pour des points d’échantillonnage et des couches de sol distincts. Cette séparation

fournit des informations importantes sur la variabilité en trois dimensions. En outre, lorsque des échantillons

ont été prélevés à au moins deux dates de prélèvement différentes, elle permet d’établir et de comparer les

variabilités spatiale et temporelle.

NOTE 3 Selon les objectifs particuliers du programme, la fraction organique grossière peut être déterminée

(et sa teneur en C-N mesurée) séparément du sol minéral pour évaluer la dynamique dans le temps à des fins

spécifiques (variation à court terme des stocks, effet d’une pratique spécifique de gestion de la matière organique,

etc.). La matière organique particulaire ou en fraction légère est souvent sensible aux modifications de gestion,

et un mesurage des fractions > 2 mm peut donner de premières indications utiles sur les variations futures des

stocks de COS.
5.2.2 Plan d’échantillonnage
Un plan d’échantillonnage doit être préparé conformément à l’ISO 18400-101.

Il convient que celui-ci décrive la marche à suivre pour obtenir les échantillons requis et les exigences

pratiques pour mener à bien le travail (c’est-à-dire la manière de mettre en œuvre la stratégie

d’échantillonnage, voir 5.2.3).

Quelles que soient les méthodes utilisées pour prélever ou constituer des échantillons, il convient que

leur forme et la façon dont ils doivent être prélevés soient prescrites dans le plan d’échantillonnage.

5.3 Stratégie d’échantillonnage
5.3.1 Généralités

Il convient d’élaborer une stratégie d’échantillonnage conformément aux recommandations de

l’ISO 18400-104, en tenant également compte des recommandations de l’ISO 18400-205. En général, en

s’appuyant sur l’étude du site (5.1), ce dernier peut être segmenté en différentes zones en utilisant au

[11]
minimum les variables suivantes :

— emplacement du terrain (zone d’habitation ou route la plus proche), documentation cadastrale,

coordonnées GPS;
— texture type du sol, roche mère, épaisseur du solum, classifications du sol;

— topographie et morphologie du paysage (par exemple, position de la pente, forme de la surface

(concave/convexe), formes d’érosion, régimes de drainage et hydrique);

— biome, écodistrict (si connu), images de détection à distance, couverture végétale, utilisation et

gestion du sol.
En outre, il convient que la stratégie d’échantillonnage:
— inclut toutes les activités d’échantillonnage qui doive
...

Questions, Comments and Discussion

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