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Dernière mise à jour : Mai 2018

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Soutenance de thèse

Soutenance de thèse
Monsieur Marko KVAKIĆ Soutiendra publiquement ses travaux de thèse le mardi 22 octobre 2019 à 14h00 a l'adresse suivante: Amphithéâtre BOVE, Centre INRA Grande Ferrade 71 Avenue Edouard Bourlaux 33140 Villenave-d'Ornon

Monsieur Marko KVAKIĆ

Soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :

Dans quelle mesure le phosphore limite-t-il la production agricole à l’échelle mondiale?

Une approche de modélisation basée sur lesprocessus.Dirigés par Bruno RINGEVAL (INRA, ISPA)

Co-dirigés par Philippe CIAS (CEA, LSCE) et Sylvain PELLERIN (INRA, ISPA)

Soutenance prévue le mardi 22 octobre 2019 à 14h00 a l'adresse suivante :

Amphithéâtre BOVE, Centre INRA Grande Ferrade

71 Avenue Edouard Bourlaux

33140 Villenave-d'Ornon

Composition du jury proposé:

Mme COMTE Myriam; Professeur, Sorbonne Université (FR); Rapporteur
Mr MAKOWSKI David; Directeur de Recherche, INRA (FR); Rapporteur
Mme BONDEAU Alberte; Chargé de recherche, CNRS (FR); Examinatrice
Mr FRANKLIN Oskar; Research Scholar, IIASA (AT); Examinateur
Mr RINGEVAL Bruno; Chargé de recherche, INRA (FR); Directeur
Mr CIAIS Philippe; Directeur de Recherche, CEA (FR); Co-directeur
Mr PELLERIN Sylvain; Directeur de Recherche, INRA (FR); Invité

Résumé :

 Le rôle du phosphore (P) en agriculture est indéniable: le P est un nutriment essentiel dont
tous les êtres vivants ont besoin pour fonctionner, et est donc nécessaire pour maintenir les
rendements agricoles à l’échelle globale dans les années à venir. Une grande partie du P util-
isé pour fertiliser les cultures se présente sous forme d’engrais chimique et provient de mines
de roches phosphatées. Cette ressource finie est gérée de manière non-optimale: dans cer-
tains endroits du Monde, le P est utilisé de manière excessive et peut nuire à l’environnement,
alors qu’à d’autres endroits, le P apporté est insuffisant et conduit à des baisses de rendement
importantes. Cette hétérogénéité, combiné à des problématiques d’accès à la ressource, qui
dépend également de facteurs économiques et politiques, conduit à de sérieuses questions sur
les impacts potentiels du P sur la sécurité alimentaire mondiale.
Des études récentes se sont penchées sur les principaux facteurs limitant les rendements
agricoles dans le Monde, mais présentent des difficultés à séparer la contribution de ces dif-
férents facteurs, et en particulier du P. Dans un premier temps, j’ai combiné des simulations de
la distribution du P dans les sols agricoles et des simulations de croissance des céréales dans des
conditions idéales (i.e. non limitantes en eau, azote, etc.), tout en prenant en compte, de manière
fine, les mécanismes de transfert du P entre le sol et la plante. J’ai montré que le P pourrait con-
tribuer de manière significative à une baisse de rendement par rapport au rendement potentiel
de 22, 55 et 26 en blé d’hiver, maïs et riz. Cette diminution n’est que partiellement impactée
quand les apports actuels de P par fertilisants chimiques sont considérés et ceci s’explique prin-
cipalement par l’historique du bilan en P des sols (qui a contribué à fortement augmenter les
stocks de P des sols). Cependant, la non prise en compte de certains processus, à savoir ceux
liés aux ajustements des plantes dans des conditions limitantes en P, ont pu fortement biaisé
ces estimations.
Pour mieux représenter ces processus d’ajustements, j’ai ensuite développé un modèle
d’allocation du carbone (C) et du P basé sur des principes d’optimisation d’utilisation des
ressources au sein de la plante. Le modèle est capable de simuler la réponse de la plante à une
limitation en P: augmentation du ratio racines / biomasse aérienne, diminution de la biomasse
totale et de la concentration en P. Le modèle a été testé dans un gradient de disponibilité en
P à différentes échelles (plante en hydroponie et au champ) et reproduit raisonnablement le
comportement des plantes. Malgré des hypothèses simplistes qui ne permettent pas de cap-
turer la nature exacte de l’allocation, le modèle présenté peut être introduit dans un modèle de
végétation plus physique, permettant l’étude de la limitation en P de manière plus générique.
Le couplage du modèle d’allocation idéalisé à un modèle de végétation physique a été réal-
isé en utilisant ORCHIDEE, un modèle de végétation dynamique utilisé pour étudier les interac-
tions végétation-climat. Les paramétrisations de processus fondamentaux au sein d’ORCHIDEE
(assimilation, etc.) ont été utilisées pour piloter le modèle d’allocation en fonction de la disponi-
bilité en C et en P, et les simulations ont été comparées à deux jeux d’observations sur maïs ir-
rigué. Les résultats ont montré le potentiel de la combinaison de ces deux modèles pour simuler
de fonctionnement des cultures dans différents environnements. Le modèle ainsi obtenu pourra
être utilisé pour mieux quantifier, à l’échelle mondiale, la contribution du P à la baisse de ren-
dement des cultures par rapport à leur potentiel.
Mots-clés: global, rendement, phosphore, carbone, modèle de végétation, ORCHIDEE
Abstract

The global role of phosphorus (P) in agriculture is undeniable: P is an essential nutrient
required by all living beings to function, and thus necessary for sustaining yields worldwide
in the time to come. In global agriculture, most of the P used to grow crops comes in form of
chemical fertilizer which is mined from existing soil deposits. This in itself would not be an
issue, was it not for the way we globally (mis)manage this potentially finite resource. While
some places use P to the point of harming the environment, others do not have enough to
sustain their yields and feed themselves. Combined with uncertainties of equitable P supply
in the future which depend on economical and political factors as well, serious questions arise
on the potential impacts of P on global food security.
Recent studies have looked into the main drivers of yield worldwide, but have difficulties
separating P’ contribution, as they lack the information to do so due to their empirical nature.
As an initial step, we combined simulated global information on agricultural soil P and cereal
growth in ideal conditions, while accounting for mechanisms of soil-plant P transfer more
faithfully. We have found that P could significantly contribute to existing global production
gaps with an average yield gap of 22, 55 and 26 % in winter wheat, maize and rice; lowering
only slightly with today’s P fertilizer use. This is mainly to be due to the global P management
history or the net soil P balance up to date. But the idealized nature of the employed models
ignored other processes, namely plant adjustment in P limited environments, which have a
significant potential to change our diagnostic estimates.
To better represent plant adjustment, we have then developed an carbon (C) & P allocation
model based on optimal functioning principles. The idealized model is capable of simulating
primary plant response to a P limited environment: root-shoot ratio change, biomass and P
concentration decrease. It was compared to plant growth across a P availability gradient at
different scales (hydroponic to field) and has been found to reasonably predict observed plant
behaviour. In spite of its simplistic assumptions which do not capture the exact nature of P
flow within a plant, the idealized model could be introduced into a more physical vegetation
one to allow the study of P limitation in a generic growing environment.
The coupling of our idealized allocation model to a physical vegetation one was performed
using ORCHIDEE, a dynamic vegetation model used to study global vegetation-climate inter-
action. Its parameterizations of fundamental plant processes were used to drive our model as
function of C and P availability, and compared to two irrigated maize observation datasets. The
results have shown the potential of their combination to simulate crops in different growing
environments, which is to be used on a global scale and finally help us better understand con-
tribution of P to crop productivity globally.
Keywords: global, yield, phosphorus, carbon, vegetation model, ORCHIDEE