Interactions entre cycles CNP (S-K-Mg-Ca) dans les agro-écosystèmes: Intérêts – Outils – Verrous

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Submitted on 3 Jun 2020

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Interactions entre cycles CNP (S-K-Mg-Ca) dans les agro-écosystèmes: Intérêts – Outils – Verrous

Isabelle Bertrand, Valérie Viaud, Tanguy Daufresne, Sylvie Recous

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Isabelle Bertrand, Valérie Viaud, Tanguy Daufresne, Sylvie Recous. Interactions entre cycles CNP (S-K-Mg-Ca) dans les agro-écosystèmes: Intérêts – Outils – Verrous. Cycles biogéochimiques (CNP et autres éléments) dans les agroécosystèmes : faut-il approfondir l’étude des interactions entre ces cycles ?, Feb 2015, Paris, France. �hal-02744126�

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Interactions entre cycles CNP

(S-K-Mg-Ca) dans les

agro-écosystèmes

Isabelle BERTRAND, Valérie VIAUD,

Tanguy DAUFRESNE, Sylvie RECOUS

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.02

SOMMAIRE

 Analyse Bibliométrique

 Enjeux à différentes échelles spatiales

 Quels outils?

 Concepts et outils développés en écologie

- Quelle déclinaison dans les agro-écosystèmes?

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Analyse bibliométrique

Collaboration Virginie Lelièvre

_01

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.04

Méthodologie

‐Web of Science 1975-Actuel, articles et reviews

ENVIRONMENTAL SCIENCES OR MULTIDISCIPLINARY SCIENCES OR PLANT SCIENCES OR GEOSCIENCES MULTIDISCIPLINARY OR ECOLOGY OR SOIL SCIENCE OR MARINE FRESHWATER BIOLOGY OR AGRONOMY OR OCEANOGRAPHY OR WATER RESOURCES OR FORESTRY OR AGRICULTURE MULTIDISCIPLINARY OR LIMNOLOGY OR FISHERIES OR MICROBIOLOGY OR BIOTECHNOLOGY APPLIED MICROBIOLOGY

‐Interrogations ‐Hypothèse : Interrogation que sur les titres (10% de perte environ)

C and P C and N C and P and N P and N C and S N and S P and S C and P and S C and N and S C and P and N and S P and N and S stoichiometry (C or P or N or S) and (Ca or K or Mg) C N P S (C or N or P or S) and (Ca or K or Mg) Sélection par SC Simple Combinatoire

Sélection supplémentaire sur titres des revues Selection titres papiers Selection SC + titres revues Stoichio* 9832 1183 C 334855 73235 N 236861 76315 P 138456 31595 S 106383 17455 OR 728724 179116 Ecosytèmes Aquatiques Ecosytèmes Terrestres

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.05 C 35% P 17% N 42% S 6% Ecosystèmes Terrestres C P N S C 40% P 17% N 34% S 9% Ecosystèmes Aquatiques C P N S

Approches élémentaires et interactions dans les écosystèmes

19662 8329 16704 4110 41138 20185 50634 7022 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 N and S P and N P and S C and S C and P C and N (C or P or N or S) and (Ca or K or Mg) C and P and N and S P and N and S C and P and S C and N and S C and P and N Stoechiometry Nombre de publications Stœchiométrie 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 N and S P and N P and S C and S C and P C and N (C or P or N or S) and (Ca or K or Mg) C and P and N and S P and N and S C and P and S C and N and S C and P and N Stoechiometry Nombre de publications Stœchiométrie

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.06

Evolution temporelle

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 1975 1985 1995 2005 Nombre cumulé de publications C and P C and N P and N C and S N and S P and S (C or P or N or S) and (Ca or K or Mg) Stoichiometry ‐Augmentation des publications pour C et N ‐Les études avec S augmentent peu

‐Apparition récente de la stoechiométrie

‐Très tôt couplage CN et PN

‐Depuis 1990 prise en compte du S et

augmentation relative de stoechiemetrie importante 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1975 1985 1995 2005 2015 Nombre cumulé de publications C and P C and N C and P and N P and N C and S N and S P and S C and N and S (C or P or N or S) and (Ca or K or Mg) Stoichiometry

Ecosystèmes Aquatiques Ecosystèmes Terrestres

CN PN Stoi CP NS CPN PS CNS CN PN Minéraux NS CP Stoi PS

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.07

Répartition au sein des écosystèmes terrestres

Milieux “peu anthropisés”: Forêts, prairies, pâtures, montagnes, tourbières, marais etc….

Milieux “anthropisés”: Terres cultivées, agro‐écosystèmes, agroforesterie, etc…. Interactions Peu Anthropisés Anthropisés

Total 4045 8371

France 141 342

INRA 70 187

Pays Nbre Pub % 4045

USA 1375 34,0 Chine 476 11,8 Allemagne 403 10,0 Canada 287 7,1 New‐Zealand 193 4,8 Suede 187 4,6 UK 183 4,5 Hollande 153 3,8 Brésil 150 3,7 Finlande 147 3,6 France 141 3,5 Japon 133 3,3

Pays Nbre Pub % 8371

USA 2207 26,4 Chine 919 11,0 Allemagne 656 7,8 Inde 598 7,1 Canada 584 7,0 Australie 475 5,7 Japon 378 4,5 Brésil 378 4,5 UK 372 4,4 France 342 4,1 Espagne 285 3,4 Hollande 283 2,0

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.08

Quelles Finalités?

‐Recherche dans les mots clés des auteurs puis tri

Ecosystèmes anthropisés Ecosystèmes peu anthropisés

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Pourquoi aborder les

interactions? Quels Enjeux?

_02

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.010

Echelle Globale

Rapport N/P dépôts atmosphériques (2000-2010)

Penuelas et al. (2013) Nature Communications

La faible disponibilité en N et P pourrait limiter le stockage de C dans les

écosystèmes terrestres

-Mobiliser les stocks de P dans les sols

-Limiter le déséquilibre N/P des fertilisants

10 20 50 100 200 500 _{1000 2000 5000}

Simulations 2000-2099 C4MIP

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.011

Echelle Bassin Versant et Territoire

Gisements de MO divers et localisés dans le territoire (vinasses, boues, lisier de porcs, fientes de volailles) Besoin des cultures : apports équilibrés N,P, K

Gestion territorialisée des résidus organiques : recyclage et limitation de l’impact sur l’environnement

Projet CASDAR GIROVAR (2011‐2015)

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.012

Echelle locale (parcelle)

Disponibilité des nutriments :

-effets directs sur la photosynthèse, la production de biomasse totale, la composition de la biomasse, la teneur en protéines, etc.

Interactions C et éléments majeurs

dans le plante et à l’échelle peuplement Rétro‐contrôle de la dynamique de C par la disponibilité de N au cours de la

décomposition dans le sol

150 200 250 300 350 400 450 0 100 200 300 400 500 600 Days F0N0F0 N‐ F2N0F2 N‐ F0N1F0 N+ F2N1F2 N+ 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0 100 200 300 400 500 600 Days +N ‐N Without leaves With leaves MINERALIZED CARBON mg C‐CO2kg‐1dry soil MICROBIAL CARBON mg C‐CO2kg‐1dry soil @Segura Raphael @agricultureconservatio n @D’Hooghe

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.013

Echelle de la communauté microbienne

Fierer et al. (2009) Ecology Letters; Miralez et al. (2010) Ecology, Ramirez et al. (2012) Global Change Biology

Respiration Biomasse Microbienne % chang e fr om co nt ro l soil 0 20 40 60 20 40 80 Prairie Agricole

-Renforcer les liens de causalité entre

structure et fonctions

-Prise en compte simultanée de CNP

-Etudier davantage les écosystèmes

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.014 pO2 CO₂ O₂ H₂ H+ _HCO 3 -dissolution/desorption PO4- C+ absorption exsorption pH eH Phytate influx _efflux

Echelle des interactions organismes-plantes

Drevon et al. Com. Pers.

- Augmenter les synergies locales entre fixation de N et disponibilité en P

- Favoriser le développement des mycorhizes

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Les outils

_03

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.016

Chadwick et al. (1999) Nature

Notion de gradients

-Très présente en écologie

-Permet de mettre en évidence les processus puis de les “borner”

-Le plus souvent, intègre la complexité des écosystèmes (below-above ground)

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.017

Approches isotopiques

Méthode Split‐root, combinée à l’utilisation d’isotopes Etude de la rhizodéposition

Fustec et al. (2010) Agronomy for sustainable development

Utilisation de résidus de culture doublement marqués 13_C15_N,13_C35_S Monolithes de sols sous atmosphère 13_C‐CO2 Interactions entre nutrition, peuplement et dynamique de C @Maitre @Grehan

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.018

Modèles de couplages empiriques

Interactions C,N dans les modèles de dynamique de la MO

Exemple du modèle CANTIS

Stoichiométrie C:N + hypothèse d’homéostasie microbienne

Rapidly

Hemi-decomp celluloses Cellulose Lignin osable Soluble C-N Zymogenous biomass Rz

Fresh organic matter

NH4+ NH4+ CO2 CO2 Nm k1 _k2 k3 k4 kz ks Yz Ys Garnier et al. (2001) Eur J Soil Sc

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.019

Modèles de couplage mécanistes

Modélisation couplée des cycles C,N,P dans un écosystème forestier

Modélisation du cycle C, N, P dans un peuplement de pins Douglas mature Accumulation de C,N, P dans le sol et dans les arbres prédite par 4 types de modèles •Uncoupled : cycle du C indépendant des cycles N, P •Liebig model : croissance des plantes et des microorganismes limitées par la disponibilité du nutriment le plus limitant •Concurrent limitation model : croissance des plantes et des microorganismes augmente en fonction de la disponibilité de tous les nutriments •Acclimating : ajustements des prélèvements de nutriments pour optimiser la croissance. Rastetter, E. (2011) Front Ecol Environ

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Concepts et outils en écologie

Transposition aux agro-écosystèmes?

_04

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.021

Stœchiométrie

St œchiométrie Or ga nisme, Communaut é Stœchiométrie de la ressource 1:1 Homéostasie Pas d’homéostasie Redfield et al. Aquatiques Ecosystèmes Application concept stoechiométrie Terrestres 106:16:1 Rapports CNP 1958

‐Fôrets McGroody et al. Feuilles 1212:28:1

Litières 3007:45:1

2004

Sols “naturels” 2007 Cleaveland et Liptzin

BMS 60:7:1

2009

Sols et sédiments Sinsabaugh et al. _EEA Concept

Eco‐stœchiométrie Enzymatique

Eco‐enzymes 1:1:1 MOS 186:13:1

‐La stœchiométrie structure la biologie des systèmes

‐Les interactions biotiques sont régulées ET impactent la disponibilité des ressources

‐La réponse d’un système à des changements environnementaux dépend de son domaine de flexibilité stœchiométrique

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.022

Homéostasie et loi de Liebig

Loi du minimum: La différence entre la fourniture et la demande en nutriment

gouverne la limitation en ressource et régule la croissance individuelle des plantes Bactérie Communauté bactérienne

Homéostasie du ratio C/P dans la biomasse d’une souche bactérienne d’une communauté bactérienne varie.

Danger et al. 2008 (Oikos)

A l’échelle d’une communauté, la dépendance à une ressource limitante est moindre mais des co-limitations peuvent apparaître

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.023

Quels impacts pour les écosystèmes?

‐Changer la composition chimique des plantes ou des décomposers Flexibilité stoechiométrique

‐Impact sur plusieurs niveaux trophiques et in fine stockage du C

A des échelles “petites”

le changement dans la limitation en nutriments régule l’expression de la flexibilité stoechiométrique

A des échelles “larges” la dynamique de perturbation et les rétro‐actions régule l’expression de la flexibilité stoechiométrique

Sistla et Schimel (2012) New Phytologist

Combien de flexibilité ont les systèmes pour maintenir des processus globaux (stockage C) sans réaliser un changement vers un nouvel état (transition de prairie vers garrigue par ex…) ?

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.024

Modèles plante‐nutriment de type « chémostat » ou de type « recyclage »

Quels outils?

Daufresne et Hedin (2005)

Chémostat : milieu dynamique contraint par les apports extérieurs

Système sol/plante : milieu dynamique moins contraint par apports extérieurs et plus par les

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.025

Application aux agro-écosystèmes?

Milieu ouvert Milieu fermé Recyclage pas optimisé (pertes) “Fast growers” Recyclage optimisé “Slow growers” . Forêts Primaires et matures Agriculture Intensive Forêt Secondaires Taillis Agriculture extensive Prairies

agro‐écologie?

La flexibilité stoechiométrique peut‐elle nous aider à évaluer les changements possibles en relation avec l’agro‐écologie?

‐ Déterminer des seuils de variations possibles sur des compartiments clés : ‐espèces végétales et litières agricoles,

‐biomasse microbienne de sols agricoles ‐amendements organiques

‐ Extrapoler dans le temps et l’espace

‐ Adopter la notion de gradients (de fertilisation et/ou de pratiques etc…)

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Difficultés à surmonter

Challenges

_05

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.027

Challenges

Coupler davantage les cycles des éléments notamment par la modélisation:

 Par exemple développer les modules “phosphore” dans le cadre de la plateforme “sol virtuel” ?

Développer davantage l’approche “gradient” utilisée pour les écosystèmes naturels

 Les dispositifs SOERE (ACBB, PRO, …) comportant plusieurs sites autour de questions communes peuvent‐ils y contribuer ?

Coupler davantage les cycles au sein des questions et échelles abordées  Faire évoluer les spécialités “par élément” des équipes et chercheurs, organisation issue du passé ?

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.028

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.029

Stratégies expérimentales

Activités, Fonctions Composition élémentaire ressource Disponibilité en nutriments Communautés du sol Composition structure Taille Tot a l P Tot a l P unamended (A) 4 weeks

+ green waste (B) 12 weeks + compost + biochar 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0.05 Total C 0.05 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Total C NMDS1 NMDS1 PLFA Ng et al. (2014) Soil Biology & Biochemistry sol

Enzymes (rapport C/nutriment ≈ cte) Changement de structure de_communautés

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.030 Relations entre les activités d’acquisition du C et de: ‐ N organique ‐ P organique Sinsabaugh et al. (2009), Nature River Soil Wetland ln(AP) ln(BG) ln(BG) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Eco‐Enzymatic Activities (EEA Concept) Les communautés microbiennes hétérotrophes issues de différents écosystèmes partagent une

“stoechiométrie fonctionnelle” ‐la fonction d’acquisition