Flux d'azote en agroforesterie : expérimentation et modélisation

Nitrogen fluxes in agroforestry : experiments and modelling approaches

• Auteur / Autrice : Mubarak Mahmud
• Direction : Laure Barthes, Nicolas Delpierre, Paul Leadley, Stéphane Bazot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écologie
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie, systématique et évolution (Orsay, Essonne ; 2002-....) - Écologie fonctionnelle et biogéochimie des sols et agrosystèmes (Montpellier) - Agrosystèmes Biodiversifiés (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Damesin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Hinsinger, Bernhard Zeller, Marie Gosme
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Hinsinger, Bernhard Zeller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie -- Modèles mathématiques

Arbres

Agroforesterie

Cycle de l'azote

Mots clés libres

Azote

Agroforesterie

¹⁵N

Hi-sAFe

CO₂ élévé

Modélisation

Nitrogen

Agroforestry

¹⁵N

Hi-sAFe

Elevated CO₂

Modeling

Résumé

Dans le domaine de l'agriculture durable et de l'adaptation au climat, l'agroforesterie s'est imposée comme une solution prometteuse. Cette thèse examine la dynamique de l'azote dans un système agroforestier méditerranéen impliquant des robiniers, en mettant l'accent sur le devenir des engrais appliqués sur le sol et la réponse du système agroforestier à une augmentation du CO₂. Le contexte général de l'étude était de tester l'hypothèse du filet de sécurité des éléments nutritifs en agroforesterie, dans laquelle les arbres et la végétation du sous-étage sont supposés aider à éviter les pertes d'azote dans l'environnement par lessivage des nitrates vers la nappe phréatique. Cela a été réalisé en utilisant le marquage au ¹⁵N dans un système expérimental et en suivant le devenir du ¹⁵N sur deux ans dans les arbres, les sols et les cultures. Les impacts du changement climatique et de l'augmentation du CO₂ ont été explorés à l'aide d'un modèle agroforestier mécaniste, Hi-sAFe, dans lequel les effets connus et importants d'une augmentation du CO₂ sur les arbres ont été nouvellement introduits dans le modèle. Les hypothèses de recherche initiales suggéraient que les arbres, la bande de végétation du sous-étage (UVS) et la biomasse microbienne (BM) du sol absorberaient le ¹⁵N, réduisant ainsi le lessivage des nitrates. Contrairement à ces hypothèses, la première année de l'étude n'a fourni aucune preuve de ¹⁵N ni dans les arbres, ni dans les UVS, ni dans le BM. Cependant, en 2022 (la deuxième année), des preuves d'absorption du ¹⁵N sont apparues. Il a été démontré que les arbres absorbaient environ 2 % du ¹⁵N appliqué. L'estimation du stock d'azote a démontré le potentiel important de l'agroforesterie (AF) par rapport à la monoculture (MC), le ratio d'équivalent terre en azote (NLER) étant de 0,97 en 2021 et de 1,63 en 2022. En plus de la dynamique de l'azote, nous avons également émis l'hypothèse que le rendement des cultures serait réduit en AF par rapport au MC. Cette hypothèse a été confirmée dès la première année, où AF a donné un rendement d'environ 20 % inférieur à MC. L'étude a en outre estimé le pourcentage d'azote dérivé de l'atmosphère (NDFA) dans les robiniers, obtenant des valeurs allant de 52 % à 68 %. Au cours de la dernière année de la recherche, l'accent a été mis sur la modélisation des effets d'une concentration élevée de CO₂ sur les noyers noirs en agroforesterie. Ceci a été réalisé en introduisant les effets du CO₂ dans le modèle Hi-sAFe. Les résultats ont montré que la hauteur des arbres réagit positivement à l'augmentation du CO₂ et au changement climatique, mais qu'il n'y a pas d'effet significatif sur le diamètre à hauteur d'homme. De plus, le lessivage des nitrates a été réduit en cas de CO₂ élevé. La recherche a des implications pratiques pour la gestion des éléments nutritifs en agroforesterie, où les arbres et les bandes de végétation du sous-étage peuvent retenir l'azote lessivable, améliorer les stocks d'azote au niveau du système, ce qui contribue à la fertilité des sols et à l'agriculture durable. L'amélioration des modèles écologiques comme Hi-sAFe peut fournir des informations plus précises sur l'adaptation au climat dans l'agroforesterie et la croissance des arbres dans des conditions élevées de CO₂. La thèse de doctorat élargit les connaissances existantes en examinant les contributions des jeunes arbres, en mettant l'accent sur les variations de profondeur dans les analyses de sol et en améliorant les modèles d'effets du CO₂. La recherche s'appuie sur une gamme d'atouts, notamment des expériences bien structurées, des tests d'hypothèses, l'utilisation du marquage isotopique et une collaboration interdisciplinaire. Cependant, elle présente également des limites, telles que la nature à court terme de l'étude et la nécessité de poursuivre les recherches sur le rôle des racines du sous-étage et d'étudier les microbes et les nutriments des sols profonds.

In the aspect of sustainable agriculture and climate adaptation, agroforestry has risen as a promising solution. This PhD thesis examines Mediterranean agroforestry involving black locust trees, with a focus on nitrogen dynamics and the agroforestry system's response to climate change and elevated CO₂. The overall background of the study were to test the nutrient safety net hypothesis in agroforestry, in which trees and understorey vegetation are hypothesized to help avoid nitrogen losses to the environment through nitrate leaching to the water table. This was done by using ¹⁵N labelling in an experimental system, and following the fate of ¹⁵N over two years in trees, soils and crops. The impacts of climate change and rising CO₂ were explored using a mechanistic agroforestry model, Hi-sAFe, where the known and important effects of elevated CO₂ on trees were newly introduced into the model. The initial research hypotheses suggested that trees, Understorey Vegetation Strip (UVS) and soil microbial biomass (BM) would absorb ¹⁵N, thus reducing nitrate leaching. Contrary to these hypotheses, the first year of the study did not provide evidence of ¹⁵N in either the trees, UVS or the BM. However, in 2022 (the second year), evidence of ¹⁵N absorption emerged. The trees were shown to absorb about 2% of the applied ¹⁵N. Estimation of nitrogen stock demonstrated the significant potential of agroforestry (AF) than monocrop (MC), with the Nitrogen Land Equivalent Ratio (NLER) being 0.97 in 2021 and 1.63 in 2022. In addition to the nitrogen dynamics, we also hypothesized that crop yield would be significantly reduced in AF compared to MC. This hypothesis was confirmed in the first year, where AF yielded approximately 20% less than MC. The study further estimated the percentage of nitrogen derived from the atmosphere (NDFA) in black locust trees, obtaining values ranging from 52% to 68%. In the final year of the research, the focus was modeling the effects of elevated CO₂ on black walnut trees in agroforestry. This was accomplished by introducing CO₂ effects into the Hi-sAFe model. The results showed that tree height positively responds to both elevated CO₂ and climate change, but there was no significant effect on diameter at breast height. Additionally, nitrate leaching was reduced under elevated CO₂. The research carries practical implications for nutrient management in agroforestry, where trees and understorey vegetation strips can retain leachable nitrogen, enhance nitrogen stock at the system level, which might contribute to soil fertility and sustainable agriculture. Refining ecological models like Hi-sAFe can provide more accurate insights into climate adaptation in agroforestry and tree growth under elevated CO₂. The PhD thesis expands the existing knowledge by examining young tree contributions, emphasizing depth variations in soil analyses, and improving models for CO₂ effects assesment. The research employs a range of strengths, including well-structured experiments, hypothesis testing, the use of isotope labeling, and interdisciplinary collaboration. However, it also has its limitations, such as the short-term nature of the study and the need for further research into the role of understorey roots and deep soil microbial and nutrient studies.