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Modélisation du fonctionnement microbien au centre des
échanges de carbone et d’azote entre les plantes, le sol et
l’atmosphère
Hatem Ibrahim, Abdessatar Hatira, Jean-Jacques Drevon, Marc Pansu
To cite this version:
Hatem Ibrahim, Abdessatar Hatira, Jean-Jacques Drevon, Marc Pansu. Modélisation du fonction-nement microbien au centre des échanges de carbone et d’azote entre les plantes, le sol et l’atmosphère. 12. Journées d’Etude des Sols (JES), Jun 2014, Le Bourget du Lac, France. 2014, 12e Journées d’Etude des Sols. Le sol en héritage. �hal-01268701�
Modélisation du fonctionnement microbien au centre des échanges
de carbone et d’azote entre les plantes, le sol et l’atmosphère
I
BRAHIMHatem
1, H
ATIRAAbdessatar
1, D
REVONJean-Jacques
2et P
ANSUMarc
31
U.R. 04/UR/10-02 Pédologie, Département de Géologie, Faculté des Sciences de
Tunis, Université El Manar, 2092 Tunis, Tunisie
2
Institut National de Recherche Agronomique (INRA), UMR Eco&Sols, Ecologie
fonctionnelle et Biogéochimie des Sols et des Agro-Ecosystèmes, Bâtiment 12, 2
place Viala, 34060 Montpellier Cedex 2, France.
3
Institut de Recherche pour le Dévelopement (IRD), UMR Eco&Sols, adresse
ci-dessus.
Situation de l’étude
La couche supérieure du sol contient la plus grande réserve de carbone organique (C) et d’azote (N) potentiellement disponible pour la croissance des plantes, elle joue un rôle fondamental dans le cycle de la vie et l’équilibre planétaire. Bien que les microorganismes du sol représentent environ 80% des organismes vivants sur la planète, les modèles globaux existants n’ont généralement pas réussi à mettre en équation leur rôle fonctionnel direct sur la décomposition (Manzoni et Porporato, 2009), une nouvelle génération a été souhaitée qui prenne mieux prendre en compte les mécanismes fondamentaux sans exiger une complexité mathématique excessive (Jizhong Zhou et al. 2011, Todd-Brown et al., 2012, Ibrahim et al., 2013). La proposition du modèle MOMOS (Microorganismes et Matières Organiques du Sol) s’est inscrite dans cette demande en basant ses premières expérimentations sur des traceurs isotopiques 14C et 15N, d’abord en proposant un système d’équations en comparaison avec les systèmes existant (Pansu et al., 2004), en le liant aux conditions climatiques, édaphiques (Pansu et al., 2007) et biologiques (Bottner et al., 2006 ; Pansu et al., 2009), en le validant pour le cycle C dans six écosystèmes très contrastés (Pansu et al., 2010) et en l’étendant au cycle N dans les mêmes écosystèmes (Pansu et al., 2014). Ainsi pour la première fois, ce modèle apparaissait comme réellement centré sur le fonctionnement microbien. Ses équations et paramètres avaient permis de définir avec parcimonie l’écologie fonctionnelle de croissance, mortalité, et respiration microbienne en liens étroits avec les conditions environnementales, ce qui le rendait probablement le plus sensible aux changements du climat et de l’usage des terres.
La présente étude visait en conséquence à utiliser au mieux la sensibilité présumée du modèle : était-il possible de prédire les faibles échanges journaliers de C et N entre les plantes, les microorganismes, le sol et l’atmosphère, soit à modéliser le cycle de la vie terrestre soutenu par les réserves organiques du sol ? L’application concernait des systèmes complexes de production céréalière intensifiés par couplage avec des légumineuses à graines fixatrices d’azote en milieu méditerranéen (programme Fabatropimed, financement Agropolis fondation, Montpellier). Il comportait deux défis supplémentaires : (i) coupler les équations de décomposition avec des modules d’eau du sol, de croissances végétales et de symbiotes fixateurs de N vers un nouvel outil pour l’agro-écologie et le changement global (ii) faire tourner l’ensemble en milieu méditerranéen calcaire, avec des équations initialement établies en milieu tropical acide.
Résultat
Les simulations ont été trouvées en bonne concordance avec les données mesurées et celles de la littérature (Ibrahim et al., 2014 ; Pansu et al., 2014). Croissances végétales et
12es Journées d'Etude des Sols, 30 juin - 4 juillet 2014, Le Bourget du Lac
fonctionnement microbien apparaissent prédits par les mêmes fonctions climatiques et colimités par la température en hiver et l’humidité en été. Dans les parcelles expérimentales depuis treize ans en agriculture biologique non fertilisée, la plus grande part de C photo synthétisé était modélisée comme allouée aux racines et perdue pour les parties aériennes et le rendement des récoltes. Ces pertes étaient simulées vers la respiration de croissance des racines de céréales, probablement pour la recherche des nutriments, et la mortalité des racines de légumineuses alimentant la croissance des décomposeurs et peut-être des symbiotes fixateurs d’azote. Au total, le système de culture associée était modélisé comme un puits de plus de 4 Mg C ha-1 durant la saison culturale, mais uniquement dans C labile d’origine microbienne. Ce compartiment était aussi simulé comme la principale réserve de N potentiellement disponible pour les organismes vivants, très supérieure à celle des micro-organismes, elle-même supérieure à celle de la céréale et égale à celle de la légumineuse. La modélisation des échanges microbiens avec N minéral montrait une immobilisation nette d’azote juste compensée par la fixation symbiotique. Elle a permis de mieux comprendre les flux de C et N entre atmosphère, légumineuse, micro-organismes et céréale et de proposer des solutions agronomiques pour l’amélioration des systèmes de culture en association ou rotation. Le modèle MOMOS apparaît suffisamment sensible et robuste pour modéliser chaque jour les échanges microbiens de C et N entre les plantes, le sol et l’atmosphère, définissant le cycle de la vie terrestre lié aux conditions environnementales. Nous le proposons comme un outil prévisionnel fiable de l’agro-écologie et du changement global.
Références
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Ibrahim, H., Hatira, A., Pansu, M., 2013. Modelling the functional role of microorganisms in the daily exchanges of carbon between atmosphere, plants and soil. Procedia Environmental Sciences 19, 96-105.
Ibrahim, H., Pansu, M., Blavet, D., Hatira, A., McDonald, P., Bernoux, M., Drevon, J.J., 2014. The daily exchange of carbon between living organisms, the soil and the atmosphere. Submited.
Jizhong Zhou, Xue, K., Xie, J., Deng, Y., LiyouWu, Cheng, X., Fei, S., Shiping Deng, He, Z., Nostrand, J.D.V., Luo, Y., 2011. Microbial mediation of carbon-cycle feedbacks to climate warming. Nature Climate Change 1331.
Manzoni, S., Porporato, A., 2009. Soil carbon and nitrogen mineralization: Theory and models across scales. Soil Biology & Biochemistry 41, 1355-1379
Pansu, M., Bottner, P., Sarmiento, L., Metselaar, K., 2004. Comparison of five soil organic matter decomposition models using data from a 14C and 15N labeling field experiment. Global Biogeochemical Cycles 18, GB4022, doi:4010.1029/2004GB002230.
Pansu, M., Ibrahim, H., Hatira, A., Brahim, N., Drevon, J.-J., Harmand, J.-M., Chotte, J.-L., 2014. The daily exchange of inorganic Nitrogen between microorganisms, plant roots, the atmosphere, and the organic reserves of soil. Submitted.
Pansu, M., Machado, D., Bottner, P., Sarmiento, L., 2014. Modelling microbial exchanges between forms of soil nitrogen in contrasting ecosystems. Biogeosciences 11, 915-927, www.biogeosciences.net/11/915/2014/
Pansu, M., Martineau, Y., Saugier, B., 2009. A modelling method to quantify in situ the input of carbon from roots and the resulting C turnover in soil. Plant and Soil 317, 103-120.
Pansu, M., Sarmiento, L., Metselaar, K., Hervé, D., Bottner, P., 2007. Modelling the transformations and sequestration of soil organic matter in two contrasting ecosystems of the Andes. European Journal of Soil Science 58, 775 - 785.
Pansu, M., Sarmiento, L., Rujano, M.A., Ablan, M., Acevedo, D., Bottner, P., 2010. Modeling Organic transformations by Micro-Organisms of Soils in six contrasting ecosystems: validation of the MOMOS model. Global Biogeochemical Cycles 24, GB1008, doi : 10.1029/2009GB003527.
Todd-Brown, K.E.O., Hopkins, F.M., Kivlin, S.N., Jennifer M. Talbot, J.M., Allison, S.D., 2012. A framework for representing microbial decomposition in coupled climate models. Biogeochemistry 109, 19-33.
12es Journées d'Etude des Sols, 30 juin - 4 juillet 2014, Le Bourget du Lac
