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Les nouveaux systèmes de culture pour favoriser la synchronisation sol/plante

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

HAL Id: hal-02790302

https://hal.inrae.fr/hal-02790302

Submitted on 5 Jun 2020

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Les nouveaux systèmes de culture pour favoriser la synchronisation sol/plante

Camille Cros, Gaël Alvarez, Frida Keuper, Sandrine Revaillot, Sébastien Fontaine

To cite this version:

Camille Cros, Gaël Alvarez, Frida Keuper, Sandrine Revaillot, Sébastien Fontaine. Les nouveaux sys- tèmes de culture pour favoriser la synchronisation sol/plante. 15ème Rencontre des Microbiologistes Clermontois, Laboratoire Microorganismes : Génome et Environnement - UMR 6023 Laboratoire Mi- croorganismes : Génome et Environnement - UMR 6023., Apr 2018, Clermont-Ferrand, France. �hal- 02790302�

(2)

L’augmentation du CO 2 atmosphérique induit une accélération de la

minéralisation du carbone organique du sol atténuée par la présence de

légumineuse

CROS Camille, ALVAREZ Gaël, KEUPER Frida, REVAILLOT Sandrine, FONTAINE Sébastien

1

(3)

Les nouveaux systèmes de culture pour favoriser la synchronisation sol/plante

2

(4)

Steffen et al., 2015 3

Impact de l’utilisation de la fertilisation N en agriculture

(5)

Efficience de la fertilisation N

• L’utilisation croissante de fertilisant N n’est plus suivi par une augmentation de la production

Tilman et al., 2002 4

(6)

Conséquence de ce manque d’efficience

 Lixiviation importante  perte de N dans l’environnement

 dépendance à la fertilisation

 désynchronisation offre du sol et demande de la plante en N

Recous et al., 1997 5

%

(7)

Prairie

• Espèce pérennes

 Apport continu de C

• Forte activité et biomasse microbienne

 pouvoir de régulation

• Fort potentiel d’immobilisation du N  Stockage de MOS

Pouvons nous créer de nouveau systèmes de cultures pour résoudre le problème de désynchronisation entre la demande de la plante en N et l’offre du sol des cultures

conventionnelles ? Recous et al., 1997

Chabbi & Lemaire, 2007

Hypothèses

Qu’en est il pour les systèmes de cultures innovants?

Culture conventionnelle

• Période de sol nu  lixiviation

• Activité et biomasse microbienne faible

• Faible potentiel d’immobilisation du N  Déstockage des MOS

pouvoir de synchronisation entre la demande de la plante et

l’offre du sol

8

pouvoir de synchronisation entre la demande de la plante et

l’offre du sol

(8)

Les traitements

Monoculture (W) Association (WGL) Blé

N+ N- N+ N-

Prairie (GL)

(raygrass anglais + trèfle blanc)

N+ N-

Intensité de gestion

+ -

9

(9)

Plateforme expérimentale

8

- Mésocosmes clos avec système de production d’air - Marquage continu au 13C

- Serre commune

- Récoltes destructives

(N minéral, biomasse microbienne, minéralisation et immobilisation brute du N)

(10)

Production de biomasse

Production aérienne sur 1 an

N- N+ N- N+ N- N+

ab

b b b ab

a

Raygrass + trèfle Raygrass + trèfle + blé

Blé

p-value=0.007 (boxcox)

89%

prairie

69.7%

prairie

• Pas d’effet de la fertilisation sur la production sauf en prairie

• Tendance à avoir plus de

production en association comparé au bé seul

11

Production aérienne(g)

(11)

Rendement

Rendement après un an de production (novembre 2016 –novembre 2017)

Traitements Prairie + paille (t MS ha -1)

Grain de blé (q ha-1 )

Raygrass+ trèfle N- 24.87

Raygrass+ trèfle N+ 30.88

Raygrass+ trèfle+ blé

N-

27.16

25.38 (prairie) 1.78 (paille)

14.82

Raygrass+ trèfle+ blé

N+

28.36

23.18 (prairie) 5.18 (paille)

48.48

Blé N- 15.14 92.50

Blé N+ 15.71 116.09

• Blé associé: maintien de la production de prairie + production blé

(12)

Azote minéral disponible dans le sol

Concentration en N minéral dans le sol de surface après un an d’implantation

b

N- N+ N- N+ N- N+

a

b

a

b

a

Raygrass + trèfle Blé + raygrass + trèfle

Blé

p-value=0.001

(Kruskal.test, conover.test)

SOL NU MineralN-NO3- +N-NH4+ (mg kg-1 )

a

• Concentration N minéral haute en blé seul

Haut potentiel de lixiviation

• Diminution de la concentration N minéral avec prairie

Faible potentiel de lixiviation

12

(13)

Proxy du pouvoir de régulation

Biomasse microbienne après un an d’implantation

• Biomasse

microbienne plus élevée en présence de plante

• Mais non significatif en blé seul

Potentiel de

régulation par les microorganismes supérieur en

présence de prairie N+

N- N+

SOL N-

NU

N+ N-

a

b

ab ab

Raygrass + trèfle Raygrass + trèfle + blé

Blé

p-value=0.0006 (log transformation)

a a a

13 Biomasse microbienne(mg C kg-1 )

(14)

Potentiel d’immobilisation

N+ N-

N- N+

SOL NU

N- N+

bc

c bc

abc bc ab

a

Raygrass + trèfle Raygrass + trèfle + blé

Blé

p-value=0.002 (log transformation)

Ratio minéralisation brute/ immobilisation brute

• Minéralisation et immobilisation inférieure en blé seul (non montré)

Faible activité microbienne

• Faible pouvoir d’immobilisation en blé seul

Faible pouvoir de régulation et

potentiel stockage

• Atténuation dans les systèmes

innovants

Plus fort potentiel de régulation et stockage

14

Ratio N minéralisation brute / N immobilisation brute

(15)

Potentiel de stockage

a

ab

bc

c

c c

Raygrass + trèfle Blé + raygrass + trèfle Blé

• Peu de formation de nouvelles SOM en blé seul

Faible potentiel de stockage

• Formation de SOM supérieure en

présence de prairie accentué par la fertilisation N+

Fort potentiel de stockage

Formation de nouvelles matière organique dans le sol

N+ N-

N+ N- N+ N-

(16)

Prairie

• Potentiel de lixiviation faible  plantes pérennes  absorption continue

• Activité et biomasse microbienne plus forte

• Fort potentiel de stockage

Conclusion

Culture conventionnelle

• Potentiel de lixiviation important

• Activité et biomasse microbienne plus faible

• Faible potentiel de stockage

Diminution des ressources par perte dans l’environnement + faible potentiel de stockage

Ecosystème dépendent à la fertilisation

pouvoir de synchronisation entre la demande de la plante et

l’offre du sol

8

pouvoir de synchronisation entre la demande de la plante et

l’offre du sol

Potentiel de régulation

Ecosystème indépendant à la fertilisation

(17)

16

Conclusion

Et les nouveaux systèmes de cultures ?

• Faible potentiel de lixiviation

 présence de plantes pérennes

• Biomasse microbienne élevé

• Potentiel d’immobilisation de N moyen et humification forte

 Potentiel de stockage

Potentiel de régulation augmenté comparé à la monoculture

Maintien de la productivité de la prairie avec ajout d’un rendement supplémentaire

pouvoir de synchronisation entre la demande de la plante et

l’offre du sol

(18)

Merci de votre attention

(19)

Minéralisation brute du N

Raygrass + trèfle Raygrass + trèfle + blé

Blé

• Minéralisation inférieure en blé seul

Faible activité microbienne

• Forte

minéralisation dans les systèmes

innovants

(20)

RPE dynamics depending on N demand

Rhizosphere priming effect across time

Grass + legumes

Wheat + grass + legumes Wheat

N- N+

During fertilization period : higher RPE in N+ in presence of grassland

Higher biomass production

Higher N demand During the wheat growth period: high RPE while N min was high in monocrop

No efficiency in N utilisation

(21)

13C-depleted CO2 of fossil-fuel origin

Tracing source of respired carbon in presence of living

plants

13CO2

Follow humification and Rhizosphere Priming

Effect

Experimental devices

Labeling platform ( 13 CO 2 )

20

(22)

Experimental devices

Gaz exchanges measurements

13CO2

air flux

Measure of differential CO2 each 30 minutes on each pots

Calculation of net ecosystem exchange

Deduction of ecosystem

respiration and photosynthesis

21

(23)

L’augmentation du CO 2 atmosphérique induit une accélération de la

minéralisation du carbone organique du sol atténuée par la présence de

légumineuse

CROS Camille, ALVAREZ Gaël, KEUPER Frida, REVAILLOT Sandrine, FONTAINE Sébastien

22

(24)

Hypothesis

CO2 +

Decrease of

mineral N Destocking

RPE increasing SOM

Photosynthesis stimulation

Biomass increasing

(+ root exsudation )

1 2 3 4

What is the consequences of modification of plant functioning due to CO

2

increase on soil processes ?

23

(25)

Bare soil English ryegrass

monocrop Intercrop with white clover

Ambiant CO

2

Ambiant CO

2

Eleveted CO

2

Eleveted CO

2

 2 species

 Sown in September 2016

 CO

2

levels

( C ambiant: 400 ppm; C eleveted: 700 ppm)

 4 replicates

 3 plants destructives harvests

Design

24

(26)

Effect of eleveted CO 2 on total plant production

Globally higher plant

production in elevated CO2 (p-value=0,04)

After summer, no significant difference in monocrop

After one year, higher

production in intercrop than monocrop

ab

Intercrop C- Intercrop C+

Monocrop C- Monocrop C+

a b a

c ab

bc a bc

c a

b

March May November

Total plant biomass(g)

Shoot + root biomass along the year

25

(27)

Effect of eleveted CO 2 on roots production

On one year, higher root production in elevated CO2 (p-value=0,002)

The higher plant production is especially due to higher root investissment

Higher soil exploration in elevated CO2

Rootbiomass(g)

Root biomass production including the 3 harvests a

b

CO2 - CO2 +

26

(28)

Consequences of root exploration on mineral N in soil

Intercrop C- Intercrop C+

Monocrop C- Monocrop C+

March May November

Nitrogenmineral: N0 3- +NH 4+ (mg/kg)

Bare soil

Planted effect

Fastly mineral N exhaustion in monocrop elevated CO2

In november , absence of biomass difference due to N limitation ?

a

c bc c b b

a

a

b b b b b b b

27

(29)

Elevated CO2 effect

Elevated CO2 Presence of legumes

BARE SOIL GRASS C+

GRASS C- GRASS +

LEGUMES C- GRASS +

LEGUMES C+

(30)

Consequences of N limitation on RPE

-20 -10 0 10 20 30 40 50 60

14-déc. 8-févr. 12-mars 11-avr. 24-avr. 12-mai 25-mai 12-juil. 2 aout 31 aout 19-sept 12-oct

*

* * * * * *

Closeto alpha= 5%

Monocrop C- Monocrop C+

RPE (mg C / chambers)

* Difference between monocrop C+ vs monocrop C- mowing

29

Globally higher RPE in monocrop C+ compared to monocrop C-

Sensitivity of extreme temperature higher in monocrop C+ compared to monocrop C-

NA 4,43°C 11,65°C 16,15°C 0,49°C 8,37°C 15,77°C 27,98°C 21,32°C 24,14°C NA 7,23°C

(31)

Consequences of N limitation on RPE

Globally no difference of RPE in intercrop

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

14-déc. 8-févr. 12-mars 11-avr. 24-avr. 12-mai 25-mai 12-juil. 2 aout 31 aout 19-sept 12-oct

*

*

Intercrop C- Intercrop C+

RPE (mg C / chambers)

* Difference between intercrop C+ vs intercrop C- mowing

30

(32)

Elevated CO2 effect

Elevated CO2

Presence of legumes

BARE SOIL GRASS C+

GRASS C- GRASS +

LEGUMES C+

GRASS + LEGUMES

C-

a

b ab

bc

c

p-value=0.000351

(33)

Ratio mineralization and immoblization

BARE SOIL GRASS C+

GRASS C- GRASS +

LEGUMES C+

GRASS + LEGUMES

C-

Elevated CO2 Presence of

legumes

ab

b

ab

a

a

p-value=0.00288

Less power of

imobilization in elevated CO2

Gradient of

immobilization capacity

Higher in presence of legumes

Probably higher storage capacity

6

(34)

Correlation between photosynthesis proxy and RPE

p – value = 0,0002 Spearman R2=0,77

p – value = 0,01 Spearman R2=0,63

cumulative RPE (mg of C / chambers) cumulative RPE (mg of C / chambers)

cumulative RP (mg of C / chambers) cumulative biomasse (g)

cumulative RP vs cumulative RPE cumulative biomass vs cumulative RPE

More biomass = more RPE

Destocking in monocrop elevated CO2 33

(35)

Interesting perspectives:

be abble to estimate RPE through primary production

34

RPE(g C kg-1 day-1 m²)

Net photosynthesis (g C kg-1 day-1 m²)

(36)

In long term, increase of SOM decomposition

 decrease of soil stock

Attenuation with legumes

Conclusion

Our results in front of others papers

Plant biomass Mineral N

Soil C storage

Adapted from Perveen et al., 2014

In intercop In monocrop Effect of elevated CO2 in adequation

Hu et al., 2001; Dijsktra et al., 2013; Perveen et al., 2014; Nie et al., 2016; Vestergard et al., 2016;

35

Références

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