Boucler les grands cycles, Biologie des sols et matière organique, GES

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Boucler les grands cycles, Biologie des sols et matière organique, GES

Philippe Lemanceau, Abad Chabbi, Christophe Flechard, Sébastien Fontaine, Sylvie Recous

To cite this version:

Philippe Lemanceau, Abad Chabbi, Christophe Flechard, Sébastien Fontaine, Sylvie Recous. Boucler les grands cycles, Biologie des sols et matière organique, GES. Colloque Agroécologie et Recherche INRA, Oct 2013, Paris, France. �hal-01594741�

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Boucler les grands cycles

Biologie des sols et matière organique, GES

Ph. Lemanceau, A. Chabbi, C. Fléchard, S. Fontaine, S. Recous

(3)

Enjeux pour l’agroécologie : Boucler les cycles géochimiques Exemple du cycle de l’azote

Leaching NO ^3-

NO

N ²

N ² O

Nitrification

NO ^2-

De nit rific ation

NO ^2- NH ⁴⁺

Nitrogen fixation

Nitrogen fertilizers

Laurent Philippot, INRA Dijon

Ph. Lemanceau, A. Chabbi, C. Fléchard, S. Fontaine, S. Recous / Boucler les grands cycles / 17 Octobre 2013

.02

(4)

.03

Nom de l’auteur / Nom de la présentation / Date

 Evaluer et prédire l’impact de systèmes agricoles sur les flux à l’aide de bioindicateurs et de modèles

Diagnostic

 Proposer des systèmes agricoles minimisant les fuites et l’utilisation d’intrants de synthèse, tout en gérant les antagonismes possibles Action – Ingénierie écologique

Progresser dans notre connaissance de la biodiversité tellurique et son fonctionnement

Enjeux pour l’agroécologie :

Boucler les cycles géochimiques

(5)

.04

Les sols, milieux vivants…

- Faune : 1-5 T/ha ; Champignons : 3,5 T/ha ; Bactéries : 1,5 T

• Grande quantité d’organismes

- Progrès méthodologiques

maintenant accès à l’ADN microbien du sol  10

⁴

–10

⁶

génotypes bactériens / g sol

• Fantastique diversité

• Progrès méthodologiques

- Accès à des analyses moyen débit  prise en compte de larges échelles spatiales

Etablissement de référentiels permettant l’établissement de diagnostics - Réduction des coût de séquençage  meilleur accès à la biodiversité

10 K 1K 100 10 1 0.1

Dolla rs

11 10

2001 02 03 04 05 06 07 08 09 Années 12 5292.39$

0.09$

Cost per Raw Megabase of DNA Sequence

Dequiedt et al. Global Ecol. Biogeogr. 20:641-652.

Ranjard et al. Nature Comm. 4:1434.

(6)

.05

Titre de la rubrique

Rôle de la biodiversité dans les cycle géochimiques : Exemple du cycle Carbone

 Progrès nécessaires dans la caractérisation des communautés fonctionnelles impliquées.

Pierre-Alain Maron, INRA Dijon

= =

Boite noire Boite noire Boite noire

Minéralisation D1 > D2 >D3 Minéralisation MOS = f (Diversité microbienne)

> >

D1 D2 D3

0 2 4 6 8 10

0 10 20 30 40 50 60

mg C -C O 2 / g s ol

Temps (jours)

D1 D2 D3

(7)

.06

DIAGNOSTIC : Evaluer l’impact de systèmes agricoles à l’aide de bioindicateurs Exemple du cycle de l’azote

Total bacteria (16S rRNA gene copies ng

^-1

DNA)

nosZ (gene copies ng

^-1

DNA)

N E

W S

Low cattle impact Medium cattle impact

1. 10

⁴

2. 10

⁴

3. 10

⁴

1. 10

²

2. 10

²

3. 10

²

4. 10

⁴

N NO

₂

NO

₃^-

NO

₂^-

NO NO N NO

₂

O nirK/

nirS nosZ

0.5 0.8 1.1 1.4

Proportion of bacteria genetically capable

to reduce N

₂

O (% nosZ/16S rDNA) > Corrélation négative entre le % de bactéries capables de réduire N ₂ O et le % N ₂ O

/(N ₂ O+N ₂ ).

10 30 50 70 Denitrification end products % N

₂

O/(N

₂

O+N

₂

)

40 m High cattle impact

Philippot et al. Environ. Microbiol. 11:3096-3104.

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.07

DIAGNOSTIC : Evaluer l’impact de systèmes agricoles à l’aide de modèles Exemple du cycle de l’azote

NH ₃

ATMOSPHERE

(VOLT’AIR

SURFATM)

N ₂ O NO

(NOE-NEMIS, DNDC)

EAU NO ₃ ^-

(TNT2)

Valérie Parnaudeau & Chris Fléchard, INRA Rennes Ph. Lemanceau, A. Chabbi, C. Fléchard, S. Fontaine, S. Recous / Boucler les grands cycles / 17 Octobre 2013

Rotation

(Syst’N)

Culture

(STICS, CERES)

Echelles

(Modèles)

Paysage

(NitroScape)

NH

₃

NO N

₂

O

NO

₃^-

NO

₃^-

NH

₃

N

₂

O

(9)

.08

AGIR : Proposition de systèmes agricoles favorisant le bouclage

Symphony: premier modèle d’écosystème intégrant le rôle clé de deux groupes fonctionnels microbiens dans les cycles.

Microbes stockeurs

Limités par N

Microbes déstockeurs

Limités par C

Litières

(Energie) HUMUS

(Nutriments N)

N minéral Plante

sorties entrées

CO

₂

CO

₂

Perveen, Fontaine et al. Sous presse

Symphony: un nouveau outil d’évaluation de nouvelles pratiques agricoles sur le fonctionnement biologique des sols et les cycles.

N minéral Microbes stockeurs

Limités par N

Microbes déstockeurs

Limités par C

N minéral Microbes stockeurs

Limités par N

Microbes déstockeurs Limités par C

CO

₂

(10)

.09

AGIR : Proposition de systèmes agricoles minimisant les fuites Exemple du cycle de l’azote

Conseil d’Administration de l’INRA Nancy, 15 juin 2012

N

₂

O

BNI

NH

₄⁺

NH

₂

OH Nitrification

AMO HAO NO

₃^-

NO

₂^-

NO N

₂

O N

₂

Denitrification

NO

₂^-

N

₂

O

Philippot & Hallin. Trends Plant Science. 16:476-480

HAO: hydroxylamino oxidoreductase AMO: ammonia monooxygenase

Sélection de génotypes végétaux inhibant la nitrification via la synthèse de brachialactone

Leaching

(11)

.010

Sylvie Recous, INRA Reims

AGIR : Proposition de systèmes agricoles favorisant le bouclage Exemple du cycle du carbone

Systèmes de culture menés en « agriculture de conservation » :

 non labour,

 couverture permanente du sol, diversification des cultures (rotations & cultures associées)

Balesdent 2000 . Etude ITCF - Boigneville / INRA - Versailles au moyen du ¹³C

4 6 8 1

0 1 0,0 2

0,1

0,2

0,3

0,4

Carbone ancien (mg/g)

P ro fo n deur ( m )

Initial

Non travail

Travail superficiel Labour

Réduction de la minéralisation des matières organiques des sols

Couverture du sol par des couverts morts et vivants

Protection du sol (érosion) et augmentation biomasses recyclées

(C et nutriments)

Pluie CO2 N2O

C org, N Org & Min Mulch

Sol

(12)

.011

Lionel Ranjard, INRA Dijon

Biomasse moléculaire

Labour Sans CIPAN

Avec CIPAN Crucifère

Crucifère puis légumineuse T5 T6 T1

Semis direct

Sans CIPAN

Avec CIPAN Crucifère

Crucifère puis légumineuse T8 T10

T7

18, 974 27, 052 34, 334 32, 101 33, 450 39, 814 39, 216

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

SN T1 T5 T6 T7 T8 T10

µg d 'A DN / g d e so l se c

d c

b b

b

a a

Augmentation de la biomasse par les CIPAN

T5-T6 > T1 et T8-T10 > T7 Effet du travail du sol

(biomasse favorisée quand semis direct) T7 > T1

SN L - CIPAN

L + CIPAN SD - CIPAN SD + CIPAN

CIPAN: Cultures Intermédiaires Pièges à Nitrates

AGIR : Proposition de systèmes agricoles favorisant le bouclage

Exemple du cycle du carbone

(13)

.012

Primary producers

Diversity of soil decomposers

(bacteria/fungi)

Soil Organic Matter (SOM)

CO ₂

Plants residues, root exsudates

Carbon storage

Carbon release

Nutriments (N, P, K, S,…)

AGIR : Proposition de systèmes agricoles gérant les antagonismes Exemple du cycle du Carbone

Pierre-Alain Maron, INRA Dijon

(14)

.013

> L’activité microbienne contrôle la stœchiométrie C-N et le stockage/déstockage de C.

Fontaine et al. Soil Biol. Biochem. 43:86-96.

Plants

2) Low N availability

Cellulolytic Fungi

Energy and N limited

4) High N mining

(Energy consuming) Humification

Litter & exudates Energy - rich

N - poor

Soil as a bank

Soil organic matter

Energy-poor N-rich

5) High N release 3) Low N

Immobilization

1) High plant uptake

Nutrient - releasing soil (a)

+

 Intérêt de maintenir un couvert végétal permanent comprenan des légumineuses.

AGIR : Proposition de systèmes agricoles gérant les antagonismes Exemple du cycle du Carbone

(15)

.014

Conclusions et perspectives Situation actuelle

 Progrès dans les méthodes de caractérisation et la connaissance de la biodiversité et de son fonctionnement

 Connaissance des communautés fonctionnelles impliquées dans le cycle de l’azote

 Méconnaissance de celles impliquées dans le cycle du C alors que pourtant le rôle de la biodiversité a clairement été démontré

 Modèles permettant d’estimer les flux, cependant ne prennent en compte que la biomasse et pas la biodiversité microbienne

 Essais en cours d’ingéniérie écologique Perspectives

 Nécessité de référentiels afin de prendre compte les variations spatio-temporelles En appréhendant les incertitudes de mesures à différentes échelles

 Importance des SOEREs

 Poursuite des efforts sur la connaissance de la biodiversité afin d’identifier les communautés fonctionnelles, les enzymes et gènes impliqués (en particulier pour le cycle du Carbone)

Boucler les grands cycles, Biologie des sols et matière organique, GES

HAL Id: hal-01594741

https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01594741

Boucler les grands cycles, Biologie des sols et matière organique, GES

Philippe Lemanceau, Abad Chabbi, Christophe Flechard, Sébastien Fontaine, Sylvie Recous

To cite this version:

Boucler les grands cycles

Biologie des sols et matière organique, GES

Enjeux pour l’agroécologie : Boucler les cycles géochimiques Exemple du cycle de l’azote

Leaching NO 3-

NO

N 2

N 2 O

Nitrification

NO 2-

De nit rific ation

NO 2- NH 4+

Nitrogen fixation

Nitrogen fertilizers

.02

.03

 Evaluer et prédire l’impact de systèmes agricoles sur les flux à l’aide de bioindicateurs et de modèles

Diagnostic

 Proposer des systèmes agricoles minimisant les fuites et l’utilisation d’intrants de synthèse, tout en gérant les antagonismes possibles Action – Ingénierie écologique

Progresser dans notre connaissance de la biodiversité tellurique et son fonctionnement

Enjeux pour l’agroécologie :

Boucler les cycles géochimiques

.04

Les sols, milieux vivants…

- Faune : 1-5 T/ha ; Champignons : 3,5 T/ha ; Bactéries : 1,5 T

• Grande quantité d’organismes

- Progrès méthodologiques

maintenant accès à l’ADN microbien du sol  10

–10

génotypes bactériens / g sol

• Fantastique diversité

• Progrès méthodologiques

- Accès à des analyses moyen débit  prise en compte de larges échelles spatiales

Etablissement de référentiels permettant l’établissement de diagnostics - Réduction des coût de séquençage  meilleur accès à la biodiversité

10 K 1K 100 10 1 0.1

Dolla rs

11 10

2001 02 03 04 05 06 07 08 09 Années 12 5292.39$

0.09$

Cost per Raw Megabase of DNA Sequence

.05

Titre de la rubrique

Rôle de la biodiversité dans les cycle géochimiques : Exemple du cycle Carbone

 Progrès nécessaires dans la caractérisation des communautés fonctionnelles impliquées.

= =

Boite noire Boite noire Boite noire

Minéralisation D1 > D2 >D3 Minéralisation MOS = f (Diversité microbienne)

> >

D1 D2 D3

0 2 4 6 8 10

0 10 20 30 40 50 60

mg C -C O 2 / g s ol

Temps (jours)

D1 D2 D3

.06

DIAGNOSTIC : Evaluer l’impact de systèmes agricoles à l’aide de bioindicateurs Exemple du cycle de l’azote

Total bacteria (16S rRNA gene copies ng

DNA)

nosZ (gene copies ng

DNA)

Low cattle impact Medium cattle impact

1. 10

2. 10

3. 10

1. 10

2. 10

3. 10

4. 10

N NO

NO

NO

NO NO N NO

O nirK/

nirS nosZ

0.5 0.8 1.1 1.4

Leaching NO ^3-

N ²

N ² O

NO ^2-

NO ^2- NH ⁴⁺

O (% nosZ/16S rDNA) > Corrélation négative entre le % de bactéries capables de réduire N ₂ O et le % N ₂ O

/(N ₂ O+N ₂ ).

NH ₃

N ₂ O NO

EAU NO ₃ ^-