Cycle biogéochimique du Nickel en milieu tropical dans un contexte d'Agromine

The Ni biogeochemical cycle in a tropical agromining crop system

• Auteur / Autrice : Romane Tisserand
• Direction : Guillaume Echevarria, Antony van der Ent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 12/02/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire sols et environnement (Vandoeuvre-les-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Odile Nicolas-Simonnot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Echevarria, Antony van der Ent, Aïda Bani, Markus Puschenreiter, Joseph A. Pollard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aïda Bani, Markus Puschenreiter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols

Nickel -- Mines (sites d'extraction)

Cultures tropicales

Phyllanthus (plantes)

Cycles nutritifs

Cycles biogéochimiques

Nickel

Mots clés libres

Biogéochimie

Agromine

Hyperaccumulation de nickel

Cycles des nutriments

Ultramafique

Biogeochemistry

Agromining

Nickel hyperaccumulator plants

Nutrient cycling

Ultramafic soils

Résumé

L'hyperaccumulation est un phénomène qui a été découvert il y a 45 ans seulement, il a fait l'objet de nombreuses recherches, en raison du comportement inhabituel des métaux dans l'écosystème et en raison du potentiel de solutions fondées sur la nature qui en découle. La description du cycle biogéochimique du Ni des plantes hyperaccumulatrices est nécessaire pour élucider leur rôle écologique dans leur environnement naturel, mais aussi pour comprendre leur comportement potentiel dans des cultures tropicales d’agromine. L'exploitation agricole et l'exportation de la biomasse riche en Ni interrompront le cycle du Ni. Il est donc important de comprendre les mécanismes qui régissent le cycle biogéochimique du Ni dans les systèmes naturels et de cultures : Quels sont les cycles du Ni et leur impact sur le fonctionnement écologique des forêts tropicales d’hyperaccumulateurs ? Quelle est la vitesse des flux de Ni à travers les compartiments sol-plante et quelle est la dynamique et le renouvellement du Ni dans un système tropical d'hyperaccumulateurs ? À quelle vitesse une culture tropicale Agromine peut-elle épuiser le Ni dans le sol ? Comment pouvons-nous gérer la fertilisation des sols pour une culture d’agromine tropicale de Ni durable ? Les objectifs de ce doctorat étaient donc les suivants (i) d'étudier le cycle biogéochimique d'une forêt naturelle de Phyllanthus rufuschaneyi afin d'évaluer les flux de Ni dans l'écosystème ; (ii) de manipuler un tel écosystème afin d'effectuer un test de sensibilité de l'écosystème pour le flux suivant : retour de la litière au sol ; de l'absence de retour (exportation) à un doublement du retour ; (iii) d'optimiser le système de culture de P. rufuschaneyi pour l'agromine du Ni. Deux peuplements parallèles de P. rufuschaneyi ont été instrumentés, surveillés et comparés pendant deux ans (2018 et 2019), (i) une forêt secondaire naturelle de 100 m2 et (ii) un champ densément planté dans lequel les retours de litière au sol ont été calibrés ; de l'absence de retour (exportation) à un doublement du retour. Cette étude n'a pas révélé l'allopathie des plantes hyperaccumulatrices tropicales. Les plantes hyperaccumulatrices de Ni influent sur la constitution des stocks de Ni disponibles dans les couches arables. Le cycle du Ni est principalement régi par des flux internes, notamment la dégradation et le recyclage de la litière. Ce pourcentage de renouvellement du Ni ne semble pas être influencé par le taillis à court terme mais par la présence initiale de litière sur le sol. La fertilisation NPK n'a aucun effet sur le rendement en Ni à court terme (75 kg Ni ha-1 an-1), même si la fertilisation en azote a tendance à réduire le rendement en Ni de P. rufuschaneyi. Il convient de tenir compte du renouvellement du nickel lors de la conception des cultures d’agromine tropicales. Une étude plus approfondie de l’altération permettrait de préciser son rôle dans la reconstitution des stocks de Ni disponible et de nutriments.

Hyperaccumulation is a phenomenon that was only discovered 45 years ago, it has been the focused of very intensive research because of the unusual behaviour of metals in the ecosystem and also because it offers a vast potential for nature-based solutions. Describing the Ni biogeochemical cycle within the soil-hyperaccumulator plants ecosystem is necessary to elucidate the ecological role of hyperaccumulator plants in their natural environment, but also to understand their potential behaviour under tropical agromining systems. Agromining and exporting Ni rich-biomass will interrupt the cycle. It is therefore important to understand the mechanisms which govern the Ni biogeochemical cycle in both natural and agromining systems: What are the Ni cycles (internal and external) and their impact on the ecological functioning of tropical hyperaccumulator forest? How rapid are the Ni fluxes across the soil-plant compartments, and what is the turnover of Ni in a hyperaccumulator tropical system? How fast can a tropical Agromining crop deplete Ni in soil? How can we manage soil fertilisation for a sustainable tropical Ni agromining crop? Therefore, the objectives were: (i) to study the biogeochemical cycling of a natural forest of Phyllanthus rufuschaneyi in order to assess and evaluate the natural fluxes of Ni in the ecosystem; (ii) to manipulate such an ecosystem in order to perform a sensitivity test of the ecosystem for the following flux: litter return to the soil; (iii) to optimize the cropping system of P. rufuschaneyi for Ni agromining. Two parallel stands of P. rufuschaneyi were instrumented, monitored and compared over two years (2018 and 2019), (i) a natural secondary 100-m2 forest and (ii) a densely planted field in which litter returns to the soil were calibrated; from no return (export) to a doubling of the return.This study did not prove allelopathy of tropical hyperaccumulator plants, despite the extreme influence of Ni hyperaccumulators in building up available Ni stocks in topsoils. Nickel cycle was mainly driven by internal fluxes, i.e. degradation and recycling of the hyperaccumulator biomass. The percentage of Ni recycled by litterfall tended to decrease with increasing litter addition to the soil and was not influenced by coppicing, at least in the short term. Major nutrient (NPK) fertilisation did not affect Ni yield (i.e. 75kg Ni ha-1 yr-1) in the short term either, even if N fertilisation reduced Ni concentrations in leaves and plant biomass production. Nickel turnover should be taken into account when designing tropical agromining crops and natural secondary forests are a good surrogate to evaluate the long term impacts of agromining. Further study of the weathering processes would help to precise the contribution of bedrock and soil mineral horizons in the Ni and nutrient budgets of the system.