Caractérisation du partage des ressources en eau et en azote entre les arbres et les cultures au sein de jeunes peuplements agroforestiers

Characterization of water and nitrogen sharing between trees and crops in young alley-cropping stands

• Auteur / Autrice : Claire O'Connor
• Direction : Ali Siah, Christophe Waterlot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies agroalimentaires, sciences de l'aliment, physiologie
• Date : Soutenance le 21/03/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR Transfrontalière BioEcoAgro
• Partenaire(s) de recherche : École d'ingénieurs : JUNIA
• Jury : Président / Présidente : Étienne Dambrine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernhard Zeller, Édith Le Cadre, Kasaina Sitraka Andrianarisoa, Ludivine Lassois, Caroline Danielle Choma
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Étienne Dambrine, Sarah Garré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle du carbone

Cycle de l'azote

Sols -- Microbiologie

Croissance

Racines (botanique)

Arbres

Matière organique

Sols -- Teneur en azote

Sols -- Saturation en eau

Compétition (botanique)

Partage des ressources (biologie)

Agroforesterie

Mots clés libres

Racines fines

Alley-Cropping

Water

Nitrogen

Fine roots

Organic matter decomposition

Microbial activity

Résumé

L'agroforesterie intraparcellaire offre plusieurs services écosystémiques tels que le maintien de la biodiversité, la séquestration du carbone, la diminution de l'érosion et l'amélioration de la qualité de l'eau. Toutefois, l'introduction d'arbres dans un système agricole crée une zone de transition entre la ligne d'arbre et la zone de culture où les espèces sont en compétition pour les ressources telles que l'espace, les nutriments, l'eau et la lumière. Cette compétition peut être responsable d'une diminution du rendement de la culture. D'autres études montrent qu'une complémentarité racinaire se met en place entre les racines des arbres et des cultures limitant la compétition pour l'eau et les nutriments. L'initialisation de la croissance racinaire des arbres en profondeur demeure mal connue, alors même qu'il s'agit d'une phase déterminante pour une bonne conduite des parcelles agroforestières. L'objectif de cette thèse est de caractériser le partage des ressources en eau et en azote pendant la phase d'installation des arbres dans les parcelles agricoles. L'abondance des racines fines des arbres a été quantifiée le long d'une chornoséquence de 17 peuplements agroforestiers intraparcellaires âgés entre 3 et 12 ans. Un suivi du partage de l'eau et de l'azote entre les arbres et la culture a été réalisé sur une parcelle en agroforesterie intraparcellaire âgée de 4 ans. Des sachets de thé ont été enterrés afin d'évaluer la décomposition de la matière organique du sol à 30, 50 et 100 cm de profondeur. Plusieurs prélèvements de sol ont été réalisés au cours de ces expérimentations, les paramètres principaux analysés étaient la teneur en eau, en azote et carbone organique et en azote minérale. La chronoséquence a révélé que les racines fines des arbres colonisent d'abord le premier horizon dès leur jeune âge, après cinq année de plantation, elles se développent principalement verticalement dans la ligne d'arbres puis explorent latéralement les horizons profonds. Les arbres de 3 ans et demi n'ont pas impacté l'absorption d'eau et d'azote de la culture en place, mais un début de compétition est perçu pour les arbres ayant une croissance rapide. En effet, la teneur en eau du sol diminue avec l'âge des arbres en particulier dans le premier horizon et proche de la ligne contribuant à une meilleure utilisation de l'eau profonde. De même une augmentation de la matière organique du sol a été observée chez les peuplements de 10-12 ans dans le premier horizon de la ligne confirmant la capacité des systèmes agroforestier à stocker du carbone mais que ce processus est lent. Enfin, les racines fines des arbres modifient la dynamique de l'azote en favorisant l'ammonification. Les changements se produisant lors de la transition d'un système grandes cultures en agroforesterie sont progressifs, après 4 ans de plantations les effets des arbres sur les ressources du sol sont encore peu visibles. La poursuite du suivi de la phase d'installation de la parcelle permettra de déterminer si une forte compétition pour l'eau et l'azote entre les arbres et la culture apparaît, à partir de quel âge et à quelle profondeur.

Alley-cropping systems (AC) offer several ecosystem services such as biodiversity preservation, carbon sequestration, soil erosion reduction and improving water quality. However, the introduction of trees creates a transition zone between the row and crop alley where the species compete for resources such as space, nutrients, water and light. This competition may induce a decrease of the crop yield. Other studies showed that a root complementarity was established between trees and crops, limiting the competition for water and nutrients. The initialization of deep tree root growth remains poorly understood, even though it is a crucial phase for the well management of agroforestry plots. The objective of this thesis was to characterize the sharing of water and nitrogen during the tree establishment in agricultural plots. The tree fine roots abundance was measured along a chronosequence of seventeen AC ranging from 3 to 12 years old. The water and nitrogen partitioning between trees and crop was monitored on a 4-year-old AC. Tea bags were buried to assess the decomposition of soil organic matter at 30, 50 and 100 cm depth. Several soil samples were taken during these experiments, the main parameters analyzed were water content, nitrogen and organic carbon content and mineral nitrogen content. The chronosequence evidenced that tree fine roots first colonized the topsoil in rows at a young age, but after 5 years of intercropping, they grew mainly vertically in rows before laterally exploring deep soil layers. The 3.5-year-old trees did not impact the water and nitrogen uptake of the crop, but a beginning of competition was detected for the fast-growing trees. Indeed, the soil water content decreased as the trees getting older, especially in topsoil and near the row, contributing to a best use of deep-water resources. Similarly, an increase in soil organic matter was observed in the 10-12-year-old stands in topsoil and within the row, attesting the capacity of AC to store carbon but this process is slow. Finally, the tree fine roots modified the nitrogen dynamics by promoting ammonification. The changes occurring during the conversion from a cropland system to AC are gradual, after 4 years of establishment, trees still had faintly effects on soil resources. Continued monitoring of the AC initialization will allow us to determine if a strong competition for water and nitrogen between the trees and the crop appears, from what age and at what depth.