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et phosphatée, de prairies permanentes en relation avec les bilans minéraux et le régime hydrique.
Marcel Ciprian Stroia, Claire Jouany
To cite this version:
Marcel Ciprian Stroia, Claire Jouany. Evolution pluri annuelle des niveaux de nutrition azotée et phosphatée, de prairies permanentes en relation avec les bilans minéraux et le régime hydrique..
Symposium international INRA-UMR AGIR (Agrosystèmes et développement territorial) : Outils pour la gestion des prairies permanentes, Jul 2005, Castanet-Tolosan, France. �hal-02751638�
Les Cahiers d’Orphée – mai 2008
Evolution pluri annuelle des niveaux de nutrition azotée et phosphatée, de prairies permanentes en relation avec les bilans minéraux et le régime hydrique.
Ciprian Stroia, Claire Jouany*
Introduction
La gestion raisonnée des fertilisants minéraux est essentielle pour le développement de systèmes herbagers durables. Pour l’azote (N) et le phosphore (P), cette question est directement associée à des enjeux économiques et environnementaux majeurs. Des économies substantielles peuvent être réalisées en réduisant voire supprimant momentanément les intrants ; une gestion raisonnée du phosphore limite les risques d’eutrophisation (Ehlert et al, 2003) et favorise la conservation de prairies riches en espèces (Critchley et al, 2002). Ces objectifs nécessitent de disposer d’outils de diagnostic fiables et robustes pour évaluer les niveaux de fertilité et raisonner la fertilisation des prairies en conséquence.
Parmi les méthodes de diagnostic disponibles, un certain nombre est basé sur l’analyse de la plante. Les plus simples à mettre en œuvre s’appuient sur la détermination d’une teneur critique, qui correspond à la teneur minimum qui permet d’atteindre la croissance maximum du couvert. Ces méthodes sont d’un intérêt limité car elles ne prennent pas en compte l’évolution de la teneur avec le temps et la concentration d’autres éléments, en réponse à la dilution des éléments minéraux au cours de la croissance. D’autres méthodes basées sur les teneurs relatives ont été développées (Bailey et al, 2001). En France, la méthode basée sur les indices de nutrition (Thélier‐
Huché et al, 1999) est à l’heure actuelle largement utilisée pour le diagnostic
*Auteur correspondant : [email protected]
de la fertilité P et K des prairies naturelles (Farruggia et al, 2000). Cette méthode relie les teneurs en éléments minéraux N, P et K à lʹaccumulation de la biomasse aérienne ; le diagnostic se fait par le calcul d’un indice de nutrition qui mesure l’écart au comportement normal donné par une courbe critique (Duru & Thélier‐ Huché, 1997). Pour P et K, l’indice de nutrition indique dans quelle mesure l’offre du sol (réserves et / ou engrais) a satisfait la demande du couvert.
Les études menées sur les écosystèmes naturels et cultivés confirment que ces indicateurs basés sur l’analyse de plante sont pertinents pour faire un diagnostic instantané ou a posteriori (à la récolte) du niveau de nutrition (Laurent, 1995). Cependant des questions se posent sur leur capacité à prédire le niveau des ressources minérales disponibles à moyen et long terme. Cette question est importante dans le cas où on envisage de réduire, voire supprimer, les apports de fertilisants. Les suivis réalisés sur des parcelles expérimentales permettent d’apporter des éléments de réponse à cette question. Cette étude s’appuie sur deux essais implantés sur prairie permanente, sur lesquels on teste, après plusieurs années de traitement, les effets cumulatifs de la fertilisation N et P qui a largement différencié les bilans minéraux.
Nos objectifs sont : (i) d’analyser les trajectoires d’évolution des indices de nutrition en relation avec les bilans minéraux et de vérifier dans quelle mesure elles sont capables de rendre compte de l’évolution contrastée des réserves du sol en N et en P en relation avec les bilans cumulés ; (ii) d’évaluer l’effet de l’alimentation hydrique sur l’évolution interannuelle des indices de nutrition.
Matériel et méthodes
Le dispositif d’Ercé (Ariège) est situé dans les Pyrénées centrales, celui de Gramond (Aveyron) est implanté dans la petite région du Ségala. Les dispositifs ont été mis en place en collaboration avec les chambres départementales d’agriculture, en 1999 à Ercé, en 1998 à Gramond ; les prairies n’avaient pas reçu de fertilisation minérale dans les dix années précédant la mise en place des essais. La parcelle d’Ercé située en fond de vallée, destinée principalement à la constitution de stocks fourragers pour l’hiver, recevait régulièrement des engrais de ferme. A Gramond, la parcelle était régulièrement fertilisée par des engrais de ferme et par des scories dans le courant des années 70. La teneur en matière organique et le rapport C/N sont respectivement de 89 mg.g‐1 et 9.8 à Ercé et de 55 mg.g‐1 et 10.9 à
Gramond ; le niveau de P biodisponible (Olsen et al, 1954) est de 0.01 mg.g‐1 à Ercé et de 0.046 mg.g‐1 à Gramond (horizon 0‐10 cm). Le bilan hydrique (P‐
ETP) a été calculé à partir des données recueillies par des stations météorologiques situées à proximité (Figure 1).
(A)
-400 0 400 800 1200 1600
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
année
mm
précipitation ETP bilan
(B)
-400 0 400 800 1200 1600
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 année
mm
précipitation ETP bilan
Figure 1 Evolution du bilan hydrique sur les sites de Ercé (A) et Gramond (B) Pour les deux sites, il s’agit d’un dispositif expérimental à deux facteurs croisés N et P, qui déterminent 4 traitements : N0P0, N0P1, N1P0 et N1P1 ; avec N0= 0 kg N ha‐1 an‐1; P0= 0 kg P ha‐1an‐1; P1= 50 kg P ha‐1an‐1 (45% P2O5). La dose d’azote N1 (NH4NO3) est de 60 kg ha–1 en premier et troisième cycle et de 100 kg ha–1 en deuxième cycle à Ercé, et de 100 kg ha–1 en premier cycle et
de 60 kg ha–1 pour les cycles suivants à Gramond ; les apports de N pour les repousses ne sont pas systématiques ils sont raisonnés en fonction des disponibilités hydriques (Tableau 1). Les parcelles sont disposées en blocs aléatoires avec 4 répétitions. Une dose unique de 400 kg de K ha‐1 an‐1 (KCl) est apportée sur l’ensemble des parcelles.
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
Ercé –
220 (3)
220 (3)
220 (3)
160 (2)
160 (2)
160 (2)
Gramond 280 (4)
160 (2)
220 (3)
160 (2)
160 (2)
100 (1)
160 (2)
Tableau 1 Apports annuels de N (kg ha–1) et nombre d’apports (entre parenthèses) pour les traitements N1
Avant chaque fauche, un prélèvement de biomasse est réalisé à l’aide d’un cadre (0.25 m * 0.75 m) sur une zone représentative de l’état de la parcelle afin de mesurer le rendement de matière sèche. Si les fourrages contiennent des légumineuses, ils sont triés pour séparer les fractions.
Après séchage (48 H à 80 °C), les échantillons sont broyés à 0,5 mm. Les teneurs en azote et phosphore sont mesurées par les méthodes conventionnelles sur l’ensemble de la récolte ou sur les fractions.
Pour une récolte donnée, les exportations sont obtenues en multipliant la matière sèche par les teneurs. Pour N les calculs sont faits en considérant uniquement la fraction sans légumineuse, on fait l’hypothèse que l’azote exporté par les espèces fixatrice ne provient pas des réserves du sol. Pour le phosphore, on additionne les exportations des deux fractions récoltées (légumineuse et non légumineuse). Pour une année donnée, les exportations totales sont obtenues en additionnant les quantités exportées par chacune des coupes successives. Les bilans annuels de N et de P sont calculés par différence entre les apports par la fumure et les exportations par les récoltes.
Il s’agit de bilans apparents dans la mesure où les apports atmosphériques et les pertes par lessivage ne sont pas pris en compte dans le calcul. Pour une
année donnée, les bilans cumulés sont obtenus en additionnant les bilans apparents annuels depuis la mise en route de l’essai.
Les indices de nutrition azotée (Ni) et phosphatée (Pi) du couvert sont calculés sur les fourrages récoltés sur le premier cycle de croissance au cours duquel le risque de stress hydrique est le plus faible (Duru and Thélier–
Huché, 1997), en tenant compte des légumineuses, le cas échéant (Cruz, et al.
2006 ; Jouany, et al. 2005) ; les dates correspondantes sont données dans le tableau 2.
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Ercé 28/04 19/04 27/04 14/05 21/05 18/05 Gramond 28/04 03/05 17/04 10/05 28/04 19/05 13/05
Tableau 2 Date de la première coupe
Résultat et discussion
Bilans de N
Les bilans apparents annuels moyens de N toutes années et traitements confondus sont ‐ 185 +/‐ 81kg N ha–1 à Ercé et ‐ 144 +/‐ 84 kg N ha–1 à Gramond ; ces valeurs sont significativement différentes (P =0.0004) (Figure 2).
Sur les deux sites, le bilan annuel est toujours négatif même pour les traitements N1, où les exportations de N sont supérieures aux apports.
On note une variabilité importante selon l’année et selon le traitement;
les bilans (kg N ha–1) sont compris entre un minimum de –306 (N1P1, 2000) et un maximum de –53 (N1P0, 2002) à Ercé et entre un minimum de ‐ 306 (N0P1, 1998) et un maximum de –19 (N1P1, et N1P0 2003) à Gramond.
Ercé
-400 -300 -200 -100 0 100
1999 2000 2001 2002 2003 2004
kg N ha -1
Gramond
-400 -300 -200 -100 0 100
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
kg N ha -1
Figure 2. Evolution du bilan annuel de N ({ N0P0; N0P1; z N1P0; N1P1) sur le site
d’Ercé et Gramond
A Ercé, les bilans annuels moyens (kg N ha–1) varient entre un minimum de –284 (2000) et un maximum de –118 (2002); à Gramond ils varient entre un minimum de –230 (1998) et un maximum de –40 (2003).
L’effet d’un apport de N sur les bilans est plus ou moins significatif et toujours positif, i.e. il réduit le déficit apparent, quels que soient le site ou l’année, excepté à Ercé en 2000, 2003 et 2004 (NS) et 2001 (P<0.05) où cet effet est négatif et à Gramond en 2002 et 2004 (NS): en valeur absolue, les bilans des traitements N1 sont supérieurs à ceux des traitements N0. Ce résultat rend compte d’une meilleure exploitation des fournitures du sol lorsqu’il y a un apport de N; ce résultat est à mettre en relation avec les coefficients apparents d’utilisation de l’azote (CAUN) qui sont supérieurs à 1.
On observe un effet significatif et négatif de P seulement en 2002 pour Ercé et en 1998 pour Gramond ; l’augmentation des exportations de N est la conséquence de l’augmentation de la production de biomasse liée à l’apport de P.
Sur les deux dispositifs on observe une diminution progressive du bilan apparent cumulé qui devient de plus en plus négatif avec le temps, quel que soit le niveau de N (Figure 3) ; un palier s’observe sur les deux dispositifs à partir de 2002 ; il est plus marqué pour les traitements N1. A Ercé les valeurs du bilan cumulé (kg N ha–1) en 2004 sont de –1255 (N0P1), –1120 (N0P0), –1090 (N1P1) et –982 (N1P0) ; à Gramond elles sont de –1327 (N0P1), –1189 (N0P0), – 779 (N1P1) et –723 (N1P0).
En valeur absolue, les bilans de N des traitements P1 sont supérieurs à ceux des traitements P0 sur la durée de l’étude ; l’apport de P augmente de manière significative les exportations de N.
Bilans de P
Les bilans annuels moyens (kg P ha–1) tous traitements et années confondus sont de –8 ± 21 à Ercé et de –10 ± 26 kg P ha–1 à Gramond (Figure 4).
Les bilans sont négatifs pour les traitements P0 ainsi que pour le traitement N1P1 à Ercé (2000 et 2001) et à Gramond (1998, et de 2000 à 2002).
Dans le premier cas le phosphore est prélevé exclusivement à partir des réserves du sol; dans le deuxième cas les quantités extraites sont supérieures aux apports par l’engrais. Les années où les bilans sont positifs correspondent à des situations d’enrichissement où les exportations sont inférieures aux apports. Tous traitements et années confondus (Figure 4) , les valeurs moyennes (kg P ha–1) sont comprises entre un minimum de –41 (N1P0, 2000) et un maximum de 30 (N0P1 2004) à Ercé, entre un minimum de – 61 (N1P0, 1998) et un maximum de 37 (N0P1, 2003) à Gramond.
Ercé
-1800 -1500 -1200 -900 -600 -300 0
1999 2000 2001 2002 2003 2004
kg N ha-1
Gramond
-1800 -1500 -1200 -900 -600 -300 0
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
kg N ha-1
Figure 3 Evolution du bilan cumulé de N ({ N0P0; N0P1; z N1P0; N1P1) sur le site
d’Ercé et Gramond
Tous traitements confondus, les moyennes annuelles (kg P ha–1) varient entre un minimum de –18 (2000) et un maximum de 5 (2004) à Ercé, entre un minimum de –28 (1998) et un maximum de 13 (2003) à Gramond. En moyenne pour les deux sites, le bilan annuel se répartit selon l’ordre suivant:
N1P0 < N0P0 < N1P1 < N0P1.
Ercé
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60
1999 2000 2001 2002 2003 2004
kg P ha -1
Gramond
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
kg P ha-1
Figure 4 Evolution du bilan annuel de P({ N0P0; N0P1; z N1P0; N1P1) sur le site
d’Ercé (A) et Gramond (B)
Pour les deux sites, un effet positif et très significatif de P se manifeste tous les ans (P<0.001). L’effet de N sur le bilan de P est significatif en 2000 et 2001 à Ercé (P<0.01) et en 1998 (P<0.001), 2002 (P<0.05) et 2004 (P<0.01) à Gramond. Cet effet de N est négatif, il rend compte de l’augmentation des exportations de P liée à l’augmentation de la production en présence de N (valeurs non présentées).
Les bilans cumulés des traitements P1 augmentent de manière continue dans le temps, alors que ceux des traitements P0 diminuent progressivement (Figure 5). Ces évolutions observées illustrent l’effet cumulatif des bilans
annuels (Figure 4). L’épuisement des réserves est accentué pour le traitement N1P0 par rapport à N0P0. Pour un niveau donné de P donné, cet écart augmente avec le temps.
Ercé
-300 -150 0 150
1999 2000 2001 2002 2003 2004
kg P ha-1
Gramond
-300 -150 0 150
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
kg P ha-1
Figure 5 Evolution du bilan cumulé de P ({ N0P0; N0P1; z N1P0; N1P1) sur le site d’Ercé et Gramond
En 2004, sur le site d’Ercé les bilans cumulés (kg P ha–1) sont de –172 (N1P0), –138 (N0P0), 21 (N1P1) et 96 (N0P1) ; à Gramond, ils sont de –246 (N1P0) –191 (N0P0), 47 (N1P1) et 103 (N0P1).
Evolution des indices de nutrition en relation avec les bilans minéraux Les indices mesurés sur le fourrage récolté au premier cycle de croissance de l’année (n) sont mis en relation avec le bilan cumulé calculé à la fin de l’année (n–1). Sur les deux sites, quel que soit le traitement, on observe que l’indice Ni est systématiquement inférieur à 100 (Figure 6) ; à Ercé pour un niveau de bilan donné, celui du traitement N0P1 est supérieur à celui de N0P0. En présence d’azote (N1) on note à Ercé une diminution continue de Ni avec le bilan au cours des quatre premières années, suivie d’un ‘sursaut’ en 2004 ; à Gramond, sur la même période, on note une variabilité importante de Ni, puis une rupture brusque en 2005. Pour les parcelles N0, l’indice Ni diminue progressivement avec le bilan ; sur les deux sites on note un ‘rebond’ en 2004.
L’évolution de l’indice Pi dans le temps est variable selon le régime de fertilisation et le site (Figure 7). Quel que soit le niveau initial de la fertilité phosphaté, Pi répond de manière positive aux apports de P, et de manière négative à l’azote. Pour les traitements P1, qui correspondent à des régimes d’enrichissement (N0P1) ou d’équilibre (N1P1), Pi est, à trois exceptions près, supérieur à 100 ; on n’observe pas de relation entre Pi et l’augmentation du bilan cumulé quel que soit le site. A Ercé, pour les traitements P0 l’indice Pi est toujours inférieur à 100 ; il augmente au départ puis diminue progressivement lorsque le bilan diminue. A Gramond, on n’observe pas de relation entre les deux variables quel que soit le niveau d’azote. Pour des bilans compris entre 0 et –250 kg de P, l’indice Pi moyen oscille entre 62 et 140, sans montrer de tendance particulière ; pour un niveau de bilan donné, il est toujours inférieur pour le traitement N1 par rapport à N0.
Ni
20 40 60 80 100 120 140
-1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 bilan de N (F - E) (kg ha -1)
Ercé
Ni
20 40 60 80 100 120
-1400 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 bilan de N (F - E) (kg ha -1)
Gramond
Figure 6 Evolution de Ni (année ‘n’) en relation avec le bilan cultural (F – E) (année ‘n‐1’) sur le site d’Ercé et de Gramond ({ N0P0; N0P1; z N1P0; N1P1)
Pi
40 60 80 100 120 140 160
-300 -200 -100 0 100 200
bilan de P (F - E) (kg ha -1) Ercé
Pi
40 60 80 100 120 140 160
-300 -200 -100 0 100 200
bilan de P (F - E) (kg ha -1) Gramond
Figure 7 Evolution de Pi (année ‘n’) en relation avec le bilan cultural (F–E) (année ‘n–1’) sur le site d’Ercé et de Gramond ({ N0P0; N0P1; z N1P0; N1P1).
Discussion et Conclusion
Le suivi des bilans et des indices Ni et Pi sur plusieurs années permet de mettre en évidence les effets direct des bilans sur les niveaux de nutrition, ainsi que des effets différés liés aux conditions climatiques particulières.
La rupture observée pour les bilans de N et dans une moindre mesure de P entre 2002 et 2003 (Figures 3 et 5) rend compte de la diminution des
flux annuels de N et de P ; elle est à mettre en relation avec les conditions climatiques exceptionnelles de 2003, conjonction d’un stress hydrique et thermique sévères en fin de printemps, qui ont pénalisé fortement la croissance de la prairie et limité les exportations de minéraux par rapport aux années précédentes.
En ce qui concerne Ni, on observe sur les deux sites que lorsqu’il n’y a pas d’apport d’azote (traitements N0), l’évolution continue de l’indice avec le bilan rend compte de l’épuisement progressif des réserves du sol en azote facilement minéralisable. Lorsqu’il y a un apport de N (traitements N1), l’évolution se fait de manière discontinue ; cette variabilité plus grande rend compte de la fluctuation interannuelle des flux de N (Table 1).
En ce qui concerne Pi, lorsqu’il n’y a pas d’apport de phosphore (traitements P0), si le niveau de P biodisponible est faible (Ercé), l’évolution des indices Pi rend compte de l’épuisement du compartiment du P biodisponible. Des résultats semblables sont reportés par Thélier–Huché et al., (1996). A Gramond, où le niveau de P biodisponible reste élevé même après 6 ans d’impasse, les réserves du sol sont suffisantes pour alimenter le couvert de manière satisfaisante, les indices Pi restent élevés et sont indépendants des bilans de P.
Cependant, pour les deux sites, on observe une rupture importante dans l’évolution des indices entre 2003 et 2004. Ces évolutions sont des effets différés des conditions climatiques exceptionnelles de 2003 (stress hydrique et thermique). L’augmentation relative du niveau de nutrition N en 2004 est liée au fait que en 2003 les exportations de N ont été limitées du fait d’une production réduite (Figure 3) ; d’autre part, fin 2003 on a observé une forte mortalité des talles qui a produit des quantités de litières supérieures à celles observées habituellement, qui ont libéré de l’azote l’année suivante (2004). On fait l’hypothèse que l’effet des stress sur la biomasse microbienne du sol a eu des conséquences identiques sur le cycle de N (Wu & Brookes, 2005). Ce comportement particulier de l’indice Ni en 2004 a été rapporté également par les laboratoires d’analyse qui ont mesuré des Ni particulièrement élevés.
L’ensemble des résultats présentés dans cette étude nous permet de préciser les domaines de validité des indices de nutrition Ni et Pi. Sur des prairies permanentes implantées sur des sols de milieu fertile et exploitées en fauche, les indices de nutrition sont capables de rendre compte à un instant donné de l’augmentation de la disponibilité de N ou de P observée
suite à un apport de fertilisant ; ils sont de bons indicateurs a posteriori des conditions d’alimentation minérale du couvert. Le suivi pluri annuel des indices Ni et Pi permet de mettre en évidence les interactions qui existent entre l’alimentation minérale (N et P) du couvert et les disponibilités hydriques. Les stress hydriques entraînent une variabilité interannuelle des indices, d’autant plus importante que le niveau des disponibilités est élevé.
En absence de fertilisation azotée, Ni mesuré sur le premier cycle rend compte de la diminution du stock d’azote du sol facilement minéralisable, quel que soit le statut organique du sol. En absence de fertilisation phosphatée, on n’observe pas de relation systématique entre Pi et le bilan cultural de P, celle ci est conditionnée par le niveau initial de fertilité P.
Ces résultats montrent qu’il y a des limites à utiliser l’évolution interannuelle de Pi à des fins de pronostic. En effet, une variation de Pi mesurée une année ‘n’ donnée, relativement à l’année ‘n–1‘, peut être liée au changement de disponibilité de P dans le sol, mais elle peut également être la conséquence d’une variation du niveau de nutrition N. Une diminution de Pi peut être directement liée à la diminution de la disponibilité de P dans le sol, mais aussi, la conséquence d’un déficit hydrique sur l’absorption de P.
Le suivi pluri annuel démontre que les indices Pi sont d’un intérêt limité lorsqu’il s’agit d’évaluer a priori le niveau de biodisponibilité du P dans les sols de prairies permanente. A cette fin, l’analyse de sol semble un outil prometteur ; en effet, les résultats obtenus par Stroia (2007) sur ces deux dispositifs montrent que le P soluble à l’eau est un indicateur sensible pour rendre compte de l’évolution des bilans de P, en régime déficitaire, équilibré ou excédentaire.
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