Régulations microbiennes et rhizosphériques des cycles du carbone et de l'azote dans les systèmes de culture conventionnels et innovants

par Camille Cros

Thèse de doctorat en Gestion de l'Environnement

Sous la direction de Pascal Carrère.

Le président du jury était Patricia Garnier.

Le jury était composé de Laetitia Bernard, Anne-Catherine Lehours, Gaël Alvarez, Sébastien Fontaine.

Les rapporteurs étaient Luc Abbadie, Éric Justes.


  • Résumé

    La présence de plantes accélère la décomposition de la matière organique du sol (MOS) au travers de l’apport de composés riches en énergie (rhizodépôts et litières) stimulant les microorganismes ; un phénomène appelé « rhizosphere priming effect » (RPE). Une augmentation de la photosynthèse, activité pourvoyeuse d'énergie rhizodéposée, pourrait augmenter le RPE et l’offre du sol en nutriments. Récemment, le modèle SYMPHONY couplant activités photosynthétiques et microbiennes du sol suggère un ajustement de l'offre du sol en nutriments (delta minéralisation-immobilisation) à la demande des plantes. Cependant, le rôle clé de la photosynthèse sur cet ajustement offre-demande reste à étudier expérimentalement.L’objectif général de la thèse est d'étudier le rôle des interactions des activités photosynthétiques et microbiennes du sol dans les régulations des flux de carbone (C) et d'azote (N) des écosystèmes. Trois écosystèmes types ont été étudiés : la prairie, la monoculture de blé et un nouveau système de culture (NSC) associant blé et plantes pérennes de la prairie. Nous émettons l’hypothèse que les plantes pérennes, via une activité photosynthétique pourvoyant les microorganismes en énergie tout au long de l'année, sont essentielles à l'ajustement offre-demande en N. De nombreux défis techniques ont été relevés afin de construire une plateforme expérimentale de 40 mésocosmes sous éclairage et température naturels. Cette plateforme permet de coupler marquage 13C des plantes, mesures continues des échanges de CO2, du RPE, de la production végétale, du stockage de C du sol, le taux de minéralisation-immobilisation d'N et du lessivage d'N. Ce dispositif nous a permis de déterminer la contribution du RPE dans les flux de C des écosystèmes comprenant la production nette de l’écosystème (NEP), la production primaire brute (GPP) et la respiration de l’écosystème (RE) exprimées en g C m-2 24h-1. Nous avons montré une relation positive linéaire entre (1) RPE et GPP et (2) RPE et biomasse aérienne (AGB) (g C m-2). A partir de ces relations, le RPE peut être prédit en utilisant les équations suivantes : (...). Nous montrons un ajustement offre-demande de l’N au cours des saisons : une forte activité photosynthétique (printemps) est liée à un RPE et un delta minéralisation-immobilisation d’N élevés alors qu’une faible activité photosynthétique (automne) est liée à un RPE et un delta minéralisation-immobilisation d’N faibles. Cet ajustement était observé dans la prairie et dans le NSC mais pas en monoculture de blé. Logiquement, la lixiviation d’N était importante en monoculture de blé alors qu’elle était quasi nulle en prairie et dans le NSC. Après deux années de maintien des trois écosystèmes types, la production aérienne totale du NSC était équivalente à la prairie, tous deux étant supérieurs d’environ un facteur deux à la monoculture de blé. Ces résultats confirment l’importance des plantes pérennes dans la synchronisation offre-demande de l’N. L’ensemble de ces investigations souligne l’importance des activités des plantes et des processus rhizosphériques dans la régulation des cycles CN des écosystèmes. Ces régulations pourront être étudiées in situ et à l'échelle globale grâce aux proxys de ces processus rhizosphériques (RPE, ajustement offre-demande) déterminés dans la thèse. Des activités photosynthétiques et rhizosphériques tout au long de l'année sont essentielles à l'ajustement offre-demande en nutriments conduisant à une forte production primaire, à la fermeture des cycles des nutriments et au stockage de MOS. Ces découvertes offrent l'opportunité de construire de nouveaux systèmes de culture, à l'image de l’association blé-plantes pérennes étudiée, à hautes performances agro-environnementales.

  • Titre traduit

    Microbial and rhizospheric regulations of carbon and nitrogen cycles in conventional and innovative cropping systems


  • Résumé

    The presence of plants accelerates the decomposition of soil organic matter (SOM) through the supply of energy-rich compounds (rhizodeposits and litter) stimulating microorganisms; a phenomenon called rhizosphere priming effect (RPE). An increase of photosynthesis, supplying soil with rhizodeposited energy, could increase the RPE and soil nutrients offer. Recently, the SYMPHONY model coupling photosynthesis and soil microbial activities suggested an adjustment of the soil nutrient offer (delta mineralization-immobilization) to plant demand. However, the key role of photosynthesis in this offer-demand adjustment needs to be investigated experimentally.The general objective of the thesis is to study the role of interactions between photosynthesis and soil microbial activities in the regulation of carbon (C) and nitrogen (N) fluxes of ecosystems. Three ecosystem types were studied: grassland, wheat monoculture and a new cropping system (NSC) where wheat and perennial grassland species were intercropped. We hypothesize that perennial species, through a continuous photosynthetic activity supplying microorganisms with energy over the year, are essential for offer-demand adjustment.Many technical challenges were overcame to build an experimental platform of 40 mesocosms under natural light and temperature. This platform allows to couple 13C labeling of plants, continuous CO2-exchange measurements, RPE, plant production, soil C storage, N mineralization-immobilization turnover and N leaching.This experimental platform allowed us to determine the contribution of RPE to C fluxes of ecosystems including net ecosystem production (NEP), gross primary production (GPP) and ecosystem respiration (ER) expressed in g C m-2 24h-1. We found positive linear relationships between (1) RPE and GPP and (2) RPE and aboveground biomass (AGB) (g C m-2). Using these relationships, the RPE can be predicted with the following equations: (...).We show an adjustment of soil N-offer to plant N-demand across seasons: a high photosynthetic activity (spring) is linked to high RPE and delta mineralization-immobilization of N whereas a low photosynthetic activity (autumn) is linked to low RPE and delta mineralization-immobilization of N. This adjustment was observed in grassland and NSC but not in wheat monoculture. Consistently, N leaching was high in wheat monoculture while it was almost null in grassland and NSC. After two years of establishment of the three ecosystems, the total aboveground production of the NSC was equivalent to the grassland, each being about twice as high as the wheat monoculture. These results confirm the importance of perennial species in the offer-demand adjustment of N.Our findings underline the importance of plant activities and rhizosphere processes in the regulation of ecosystems C N cycles. Using the proxies of rhizosphere processes (RPE, offer-demand adjustment) provided in the thesis, further studies could investigate these regulations in situ and at the global scale. The presence of photosynthetic and rhizospheric activities over the year are essential for offer-demand adjustment of nutrients leading to high primary production, closing nutrient cycles and SOM storage. These findings offer the opportunity to build new cropping systems such as the wheat-perennial species studied, with high agro-environmental performances.


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