En naviguant sur notre site vous acceptez l'installation et l'utilisation des cookies sur votre ordinateur. En savoir +

Menu Logo Principal Interactions Sol Plante Atmosphère

INRA UMR ISPA - Interactions Sol Plante Atmosphère

Equipe BIONUT

L'équipe Biogéochimie des nutriments

Thomas Nesme (MC), Sylvain Pellerin (DR), Bruno Ringeval (CR)

Ingénieurs : Mark Bakker (IR), Anne Budynek (IE), Pascal Denoroy (IR), Cathy Lambrot (AI, 70%), Sylvie Milin (AI),

Christian Morel (IR), Pierre Trichet (IR), Alain Vivès (AI)

Techniciens : Céline Gire, Nathalie Gallegos, Sylvie Niollet, Loïc Prud'Homme, Thierry Robert (50%), Patricia Braconnier (secrétariat)

Contexte des recherches

Les écosystèmes étudiés sont les écosystèmes cultivés en grandes cultures ou des prairies cultivés dans une gamme large de contextes pédoclimatiques et de pratiques. Les écosystèmes étudiés sont également forestiers, avec une forte composante du sous-bois, et dédiés à la production (pins maritimes ; pins Taeda ; eucalyptus). Les flux à l’échelle mondiale de phosphore, un nutriment dont les réserves s’épuisent, font également l’objet de recherche dans l’équipe.

Les écosystèmes étudiés sont localisés dans la région Aquitaine et l’ensemble de la France. L’équipe a par ailleurs de nombreuses collaborations sur des sites d’études à travers le monde (Belgique, Brésil, Canada, Madagascar, Nouvelle-Zélande, Maroc, Sibérie, Suisse …).

Objectifs

La problématique de l’équipe « biogéochimie des nutriments » (BIONUT) est de répondre à la question : comment gérer durablement les éléments nutritifs (principalement P mais aussi C, N et K) pour assurer la production agricole et forestière tout en limitant les impacts environnementaux ?

L’objectif est de comprendre et de modéliser/simuler/prévoir de manière mécaniste le fonctionnement biogéochimique de l’écosystème au travers de l’étude et de la quantification des stocks et flux des nutriments et des stocks d’éléments le long du profil de sol intercepté par les racines en prenant en compte à la fois les processus physico-chimiques et biologiques au sens large. Les interactions avec le cycle de l’eau sont étudiées en collaboration avec les autres équipes de l’unité.

Il s’agit, in fine, de produire des conseils ou des règles de bonnes pratiques aux gestionnaires des écosystèmes agricoles et forestiers.

Les 3 grandes thématiques de l’équipe sont :

- Etude et modélisation du transfert sol–plante de phosphore et de la réponse des plantes à la biodisponibilité en nutriments (principalement le phosphore) dans les écosystèmes terrestres de production sur un gradient d’intensification.

- Etude et modélisation du fonctionnement à long terme du cycle biogéochimique des nutriments (phosphore, mais aussi azote, carbone …) dans les écosystèmes terrestres anthropisés. L’équipe étudie notamment comment le cycle du phosphore est couplé à ceux du carbone et de l’azote, avec un fort accent mis sur l’étude des rapports stochiométriques.

- Etude des flux de phosphore à des échelles englobantes. L’objectif est ici de modéliser les déterminants de l'usage des ressources en P et de leur impact sur la biodisponibilité en P des sols à l'échelle mondiale.

Forêt de production de pins maritimes (Pinus pinaster)

massif-forestier

Essai de fertilisation de maïs (Zea mays)

champ

Les 3 grandes thématiques de l’équipe sont :

  • Etude et modélisation du transfert sol–plante de phosphore et de la réponse des plantes à la biodisponibilité en nutriments (principalement le phosphore) dans les écosystèmes terrestres de production sur un gradient d’intensification.
  • Etude et modélisation du fonctionnement à long terme du cycle biogéochimique des nutriments (phosphore, mais aussi azote, carbone …) dans les écosystèmes terrestres anthropisés. 
  • Etude des flux de phosphore à des échelles englobantes. L’objectif est ici de comprendre les déterminants de l'usage des ressources en P et de leur impact sur la biodisponibilité en P des sols à l'échelle mondiale.

Démarche - Outils

Une caractéristique de l’équipe est d’aborder la biogéochimie des nutriments à une gamme extrêmement large d’échelles d’étude et d’associer expérimentation et modélisation. En effet, nous étudions les cycles biogéochimiques depuis des échelles fines (la racine et la rhizosphère ; la plante et son environnement direct), jusqu’aux échelles les plus larges (modélisation des flux de P aux échelles territoriales, régionales, nationales, et mondiale). L’échelle d’étude la plus fréquemment utilisée reste cependant celle de la parcelle de gestion qui correspond au niveau où les préconisations de gestion sont les plus facilement applicables.

Les processus que nous étudions ont trait au fonctionnement de la plante (prélèvement minéral par le système racinaire, l’assimilation C et la répartition du C et des éléments minéraux entre les organes ; fixation symbiotique de l’azote ; mycorhizes), au fonctionnement du sol (concentration de la solution du sol en nutriments ; processus de transfert  à l’interface sol-solution ; de transport dans le sol par diffusion et convection ou de transformation physico-chimique (précipitation/dissolution par exemple) ou biologique (minéralisation/organisation-immobilisation)), et à l’impact des pratiques de gestion (agronomie ; sylviculture).

Les principaux outils mobilisés sont :

  •  Modélisation mécaniste (ou parfois statistique) qui sert de cadre conceptuel pour organiser et formaliser nos recherches pour produire des modèles numériques. Ces derniers sont utilisés pour la prédiction, pour élaborer et tester des scénarios, pour quantifier et hiérarchiser le poids relatif des processus modélisés en fonction des contextes et des échelles considérées, pour produire ou alimenter des outils d’aide à la décision.

Modèle mécaniste de prélèvement de phosphore par le maïs

Modele1
  • Expérimentation en conditions contrôlées sur des échantillons de sol ou des cultures en pot pour étudier la biodisponibilité, le prélèvement et la réponse des plantes.

Observations de racines et de leurs symbioses mycoriziennes     
  

analyses-labo

Utilisation de traceurs isotopiques

labo

Expérience en pots de traçage isotopique

boutures-pins1

Banque d'échantillons de sol

Terrotheque1
  • Expérimentation in situ au champ pour évaluer nos modèles, identifier les espèces/formes de P (spéciation) et quantifier les compartiments et les flux du cycle biogéochimique.

Dispositifs de mesures terrain

dispositifT3-1B
dispositifT1
  • Analyse et exploitation de bases de données statistiques ; bibliographiques ou issues d’enquêtes pour comprendre les flux à des échelles englobantes, évaluer les opportunités de recyclage.
Stats

Flux mondiaux de phosphore

Quelques résultats marquants

Etude et modélisation du transfert sol–plante de phosphore :

Messiga AJ, Ziadi N, Mollier A, Parent LE, Schneider A, Morel C (2015) Process-based mass-balance modeling of soil phosphorus availability: Testing different scenarios in a long-term maize monoculture. Geoderma 243: 41-49, doi: 10.1016/j.geoderma.2014.12.009.

Nadeem M, Mollier A, Morel C, Prud'homme L, Vives A, Pellerin S (2014) Remobilization of seed phosphorus reserves and their role in attaining phosphorus autotrophy in maize (Zea mays L.) seedlings. Seed Science Research FirstView: 24(3): 187-194, doi: 10.1017/S0960258514000105.

Achat DL, Bakker MR, Augusto L, Derrien D, Gallegos N, Lashchinskiy N, Milin S, Nikitich P, Raudina T, Rusalimova O, Zeller B, Barsukov P (2013) Phosphorus status of soils from contrasting forested ecosystems in southwestern Siberia: effects of microbiological and physicochemical properties. Biogeosciences 10 (2):733-752, doi: 10.5194/bg-10-733-2013.

Achat DL, Bakker MR, Augusto L, Morel C (2013) Contributions of microbial and physical-chemical processes to phosphorus availability in Podzols and Arenosols under a temperate forest. Geoderma 211:18-27, doi: 10.1016/j.geoderma.2013.07.003.

Nadeem M, Mollier A, Morel C, Shahid M, Aslam M, Zia-ur-Rehman M, Wahid MA, Pellerin S (2013) Maize seedling phosphorus nutrition: Allocation of remobilized seed phosphorus reserves and external phosphorus uptake to seedling roots and shoots during early growth stages. Plant Soil 371 (1-2):327-338, doi: 10.1007/s11104-013-1689-x.

Etude et modélisation du fonctionnement du cycle biogéochimique des nutriments :

Augusto L, Achat DL, Bakker MR, Bernier F, Bert D, Danjon F, Khlifa R, Meredieu C, Trichet P (2015) Biomass and nutrients in tree root systems-sustainable harvesting of an intensively managed Pinus pinaster (Ait.) planted forest. Global Change Biology Bioenergy 7 (2):231-243, doi : 10.1111/gcbb.12127.

Messiga AJ, Ziadi N, Jouany C, Virkajarvi P, Suomela R, Sinaj S, Belanger G, Stroia C, Morel C (2015) Soil test phosphorus and cumulative phosphorus budgets in fertilized grassland. Ambio 44:S252-S262, doi : 10.1007/s13280-015-0628-x.

Morel C, Ziadi N, Messiga AJ, Bélanger G, Denoroy P, Jeangros B, Jouany C, Fardeau J-C, Mollier A, Parent L-É, Proix N, Rabeharisoa L, Sinaj S (2014) Modeling of phosphorus dynamics in contrasting agroecosystems using long-term field experiments. Canadian Journal of Soil Science, 2014, 94(3): 377-387, doi:10.4141/cjss2013-024.

Gonzalez M, Augusto L, Gallet-Budynek A, Xue J, Yauschew-Raguenes N, Guyon D, Trichet P, Delerue F, Niollet S, Andreasson F, Achat DL, Bakker MR (2013) Contribution of understory species to total ecosystem aboveground and belowground biomass in temperate Pinus pinaster Ait. forests. Forest Ecology and Management 289 (0):38-47, doi: 10.1016/j.foreco.2012.10.026.

Zaehle S, Medlyn BE, De Kauwe MG, Walker AP, Dietze MC, Hickler T, Luo Y, Wang YP, El-Masri B, Thornton P, Jain A, Wang S, Warlind D, Weng E, Parton W, Iversen CM, Gallet-Budynek A, McCarthy H, Finzi A, Hanson PJ, Prentice IC, Oren R, Norby RJ (2014) Evaluation of 11 terrestrial carbon-nitrogen cycle models against observations from two temperate Free-Air CO2 Enrichment studies. New Phytologist 202 (3):803-822, doi: 10.1111/nph.12697.

Etude des flux de phosphore à des échelles englobantes :

Delmas M, Saby N, Arrouays D, Dupas R, Lemercier B, Pellerin S, Gascuel-Odoux C (2015) Explaining and mapping total phosphorus content in French topsoils. Soil Use and Management 31 (2):259-269, doi: 10.1111/sum.12192.

Nesme T, Senthilkumar K, Mollier A, Pellerin S (2015) Effects of crop and livestock segregation on phosphorus resource use: A systematic, regional analysis. European Journal of Agronomy 71:88-95, doi: 10.1016/j.eja.2015.08.001.

Makowski D, Nesme T, Papy F, Doré T (2014) Global agronomy, a new field of research. A review. Agronomy for Sustainable Development 34 (2):293-307, doi: 10.1007/s13593-013-0179-0.

Ringeval B, Nowak B, Nesme T, Delmas M, Pellerin S (2014) Contribution of anthropogenic phosphorus to agricultural soil fertility and food production. Global Biogeochemical Cycles 28 (7):743-756, doi: 10.1002/2014GB004842.

Nowak, B., Nesme, T., David, C., & Pellerin, S. (2013). Disentangling the drivers of fertilising material inflows in organic farming. Nutrient cycling in agroecosystems, 96(1), 79-91, doi: 10.1007/s10705-013-9578-5.

Nowak, B., Nesme, T., David, C., & Pellerin, S. (2013). To what extent does organic farming rely on nutrient inflows from conventional farming? Environmental Research Letters, 8(4), 044045, doi: 10.1088/1748-9326/8/4/044045.

Senthilkumar, K., Nesme, T., Mollier, A., & Pellerin, S. (2012). Conceptual design and quantification of phosphorus flows and balances at the country scale: the case of France. Global Biogeochemical Cycles, 26(2).

Etude du cycle biogéochimique des nutriments

dans des forêts de Sibérie

manip bois

     

parcelle2-bois1

Observations d'un profil de sol

profil de sol

Carence en phosphore

mais carence Phosphore