Impact du changement climatique sur la production et le recyclage de la biomasse des cultures et de l'utilisation de l'azote du sol : une étude de cas avec le maïs sous des événements pluviométriques extrêmes

Impact of climate change on production and recycling of crop biomass and soil nitrogen use: a case study with maize under extreme rainfall events

• Auteur / Autrice : Abderrahim Bouhenache
• Direction : Gwenaelle Lashermes, Rémi Cardinael
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• Etablissement(s) : Reims
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FARE - Fractionnement des agro-ressources et environnement

Mots clés

Mots clés libres

Sol

Azote

Changement climatique

Expérimentation

Modélisation

Zimbabwe

Soil

Nitrogen

Climate change

Experiment

Modelling

Zimbabwe

Résumé

Les épisodes de précipitations extrêmes sont une caractéristique majeure du changement climatique qui constitue de vraies défis pour l'agriculture. Des évidences de tels événements ont été récemment observées dans les régions tempérées, mais dans les régions tropicales subhumides, leur fréquence et leur intensité augmentent, avec des épisodes de sécheresse pendant la saison agricole, ainsi que des événements pluviométriques irréguliers et très intenses. Ces événements impactent la production de biomasse végétale, la quantité et la qualité des résidus de culture restitués au sol et leur décomposition, ainsi que la dynamique de minéralisation de la matière organique du sol. Ils peuvent en outre entraîner une perte accrue d'azote du sol (par lessivage, érosion ou émissions gazeuses), avec un impact négatif sur la nutrition, la production et le bilan des gaz à effet de serre des cultures. À moyen et long terme, cette diminution de la production de biomasse peut réduire le stock de carbone organique et la fertilité du sol. Cette thèse étudiera l'impact de la pluviométrie (gradient allant de la sécheresse à la pluviométrie extrême) sur la production de biomasse et le fonctionnement des sols, dans un contexte d'intensification durable des pratiques agricoles. L'accent sera mis sur le maïs (Zea mays L.), l'une des cultures de base les plus courantes dans le monde, dans une région subhumide du Zimbabwe où les précipitations irrégulières et extrêmes sont répandues. Le système de culture étudié comprend le non-labour, la couverture du sol par les résidus de culture laissés à la surface du sol sous forme de paillis et la fertilisation minérale pour améliorer la production de biomasse. Le paillis limite l'évaporation de l'eau du sol pendant les périodes sèches, réduit le ruissellement et l'érosion lors de fortes pluies et a par conséquent des effets sur le lessivage des nitrates et les émissions de protoxyde d'azote (N2O), un puissant gaz à effet de serre. Il est donc primordial d'améliorer notre compréhension de ces processus afin de mieux synchroniser la disponibilité en azote minéral du sol et la demande des cultures et d'éviter les pertes d'azote. Le projet combinera une approche expérimentale au Zimbabwe, une approche en laboratoire à Reims (France) et un travail de modélisation. Une expérimentation en plein champ sera menée pendant deux saisons de culture à Harare, au Zimbabwe, en collaboration avec l'Université du Zimbabwe. Il comprendra trois traitements principaux : précipitations normales, exclusion des précipitations, exclusion des précipitations + précipitations extrêmes. Un engrais minéral marqué avec un isotope stable (15N) sera appliqué pour suivre son devenir dans le système sol-culture. L'expérience en laboratoire en France comprendra des colonnes de sol (avec du sol provenant du Zimbabwe), des résidus de maïs, avec différents niveaux de précipitation et de fertilisation (y compris le moment).

Extreme rainfall events are a major characteristic of climate change that poses serious threats to agriculture. Evidence of such events has been recently observed in temperate regions, but in tropical sub humid regions, their frequency and intensity are increasing, with drought and dry spells during the cropping season, as well as erratic and very intense rainfall events. These events impact crop biomass production, the amount and quality of crop residues returned to the soil and their decomposition, as well as the dynamics of soil organic matter mineralization. They can further lead to increased loss of soil nitrogen (through leaching, erosion or gaseous emissions), with a negative impact on crop nutrition, production, and greenhouse gas balance. In the mid and long term, this decrease in biomass production may reduce soil organic carbon stock and soil fertility. This PhD thesis will study the impact of rainfall (from drought to extreme rainfall) on crop production and soil functioning, in a context of sustainable intensification of the agricultural practices. The focus will be on maize (Zea mays L.), one of the most common staple crops globally, in a sub-humid region of Zimbabwe where erratic and extreme rainfall events are widespread. The investigated cropping system comprises no tillage, soil cover by crop residues left on the soil surface as mulch, and mineral fertilization to enhance biomass production. The mulch limits soil water evaporation during dry periods, reduces runoff and erosion during high rainfall and consequently has effects on nitrate leaching and nitrous oxide emissions (N2O), a potent greenhouse gas. It is thus of paramount importance to improve our understanding of these processes in order to better synchronize soil mineral nitrogen availability and crop demand and avoid nitrogen losses. The project will combine an experimental approach in Zimbabwe, a laboratory approach in Reims (France), and a modeling work. An experiment will be carried out during two cropping seasons in Harare, Zimbabwe, in collaboration with the University of Zimbabwe. It will comprise three main treatments: normal rainfall, rainfall exclusion, rainfall exclusion + extreme rainfall. Mineral fertilizer labelled with stable isotope (15N) will be applied to follow its fate in the soil-crop system. The laboratory experiment in France will include soil columns (with soil coming from Zimbabwe), maize residues, with different levels of precipitation and fertilization (including timing). Greenhouse gas emissions and carbon and nitrogen dynamics will be monitored. Modeling will be done with the soil-crop STICS model calibrated with data acquired in the field and in the laboratory. This will enable long-term prediction of agronomic and environmental impacts of extreme rainfall: changes in soil organic carbon stocks, nitrogen supply and losses, crop yields, greenhouse gas emissions.