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UMR7618 « Biogéochimie et écologie des milieux continentaux »
Apports de la station d’écologie de Lamto à la fertilité des sols
S. Barot
http://millsonia.free.fr/ Laboratoire Bioemco
Objectifs et plan
Le problème des nutriments dans les agro-écosystèmes
Les agro-écosystèmes sont très productifs, oui mais…Cela n’est possible qu’en utilisant beaucoup d’intrants et en exportant certains coûts écologiques
Apports de l’étude de la savane de Lamto
Peut-on s’inspirer du fonctionnement des écosystèmes naturels pour rendre les agro-écosystèmes plus intensivement écologiques?
Application en Agronomie?
Agriculture et engrais
Augmentation de la production en augmentant l’usage des engrais
L’efficacité des engrais a diminué au cours du
temps Tilman 2002
Agriculture et engrais : conséquences
Consommation toujours plus grande d’engrais azoté et coût en C lié: production industrielle, environ 0.75 TEP pour une tonne de N fixée
Pollution des nappes phréatiques, cours d’eau, lacs, côtes … eutrophisation (surtout P)
Consommation toujours plus grande d’engrais phosphaté qui provient de mines. Entre 50 et 100 ans de réserves
Plus grande sensibilité des cultures aux parasites/pathogènes, plus de pesticides …
Plus grand stock de C?
Agriculture et engrais : causes du problème
Gardner et al. 2009 Ecol ApplCéréales
tempérées
37%
57%
Méthode? Cause de ces résultats?
Agriculture et engrais : causes du problème
Une très grosse méta-analyse: statistiques basées sur des résultats déjà publiés et présentant tous des mesures/dispositifs comparables
Utilisation du N15 comme traceur isotopique On suppose que le N15 ajouté se comporte comme l’engrais
Engrais
Sol
Sol après le cycle de culture
CulturePertes
Autre flux???
Agriculture et engrais : causes du problème
La proportion de l’engrais utilisé par la culture change-t-elle?
Quantité d’engrais
Eng
rais
non
ret
rouv
é Lo
g
Quantité d’engrais Eng
rais
non
ret
rouv
é
Quantité d’engrais Pro
port
ion
d’en
grai
s n
on r
etro
uvé
Agriculture et engrais : causes du problème
Bilan azoté moyen d’après la méta-analyse
114 kg ha-1 engrais N
43 kg ha-1 N perdus = 43% de l’engrais
24 kg ha-1 N exporté avec la récolte
33 kg ha-1 N restent dans le sol
Agriculture et engrais : causes du problème
Lessivage (non-soluble) et lixiviation (soluble)
Dénitrification
Sources de pertes de N
Agriculture et engrais : causes du problème
Saturation du sol en engrais (CEC limitée)
Capacité limité des plantes à absorber les nutriments
Faibles teneurs en MO du sol (diminue la CEC)
Sols souvent nus durant l’inter-culture
Mécanismes aboutissant à ces pertes?
Comment augmenter l’efficacité de l’utilisation des engrais?
Inhibiteur de la nitrification
Forme chimique de l’azote inorganique
Apporter moins d’engrais
Engrais épandu près des racines
Fractionnement temporel des apports d’engrais
Engrais apporté au printemps plutôt qu’à l’automne
Agriculture et engrais : solutions traditionnelles
urée, nitrate, ammonium
Cause de ces résultats? Gardner et al.
2009 Ecol Appl
engrais incorporé au sol sur les
rangs
Agriculture et engrais : solutions traditionnelles
Gardner et al. 2009 Ecol Appl
Cause de ces résultats?
Accroissement de la diversité
des cultures
Apport de N organique
Saturation initiale du
sol en N
Agriculture et engrais : solutions traditionnelles
Gardner et al. 2009 Ecol Appl
Plus de la moitié du N provient encore du sol
Qu’en conclure pour la gestion des engrais ?
Agriculture et engrais : de nouvelles solutions?
Re-coupler le cycle du C et du N, comme dans les écosystèmes naturels…
Etudier les mécanismes derrière le stockage de N dans le sol
Agriculture et engrais : de nouvelles solutions?
Agroécologie
Ingénierie écologique
Augmentation de l’efficacité des engrais, diminution des pertes
Augmentation des stocks de C
Augmentation de la durabilité de l’agriculture Production moindre de gaz à effet de serre
Diminution de la pollution par les engrais
Agriculture et engrais : de nouvelles solutions
Quelles pistes pour améliorer la situations?
Aller chercher des idées en analysant le fonctionnement des écosystèmes naturels qui sont par définition durables
Aller chercher des écosystèmes qui ont de fortes productions malgré une exportation importante de biomasse et de nutriments
http://http://
lamto.free.fr/lamto.free.fr/
La station est La station est située à située à
l’extrême Sud du l’extrême Sud du "V Baoulé" (zone "V Baoulé" (zone d’avancée de la d’avancée de la savane dans la savane dans la forêt tropicale forêt tropicale
humide)humide)
La station La station écologique de écologique de LAMTO est à LAMTO est à
160 km au N-O 160 km au N-O d’Abidjand’Abidjan
Lamto une station à l’interface forêt savane
http://http://
lamto.free.fr/lamto.free.fr/
Plus de 45 ans d’existence :
création en 1962
Plus de 45 ans d’existence : 1250
articles, plus de 400 chercheurs, 4 films
scientifiques
Lamto : une station historique
2020
Sol ferralitiques sous forêt; ferrugineuxSol ferralitiques sous forêt; ferrugineux tropicaux (ferralsols) très sableux sous savane tropicaux (ferralsols) très sableux sous savane
Roche-mère socle cristallin précambrien àRoche-mère socle cristallin précambrien à granites calco-alcalins granites calco-alcalins
Les sols de Lamto
2121
Peu de MO (environ 1% de C organique etPeu de MO (environ 1% de C organique et moins de 0.1% de N organique) moins de 0.1% de N organique)
Faible teneur en argileFaible teneur en argile
Les sols de Lamto
Faible capacité d’échange cationiqueFaible capacité d’échange cationique
Faibles teneurs en nutriments minéraux Faibles teneurs en nutriments minéraux moins de 2 mg N minéral g-1 sol moins de 2 mg N minéral g-1 sol
2222
Une petite et une grande saison sèche
Les sols de Lamto
Nb de jours de pluie par mois
Trois strates Trois strates principales principales ::
+Strate des palmiers +Strate des palmiers rôniersrôniers
+Strate arbustive+Strate arbustive
+Strate herbacée +Strate herbacée représente ~ 80% de représente ~ 80% de la biomasse totalela biomasse totale
Lamto : 3 strates
Savane herbeuseSavane arbustiveSavane arboréeSavane boiséeForêt de plateauForêt galerie
Lamto : une mosaïque de forêts et de savanne
Production primaire : Production primaire : épigée : épigée :
10-14 t-1 ha-1 an-1 10-14 t-1 ha-1 an-1
hypogée : hypogée : 10-15 t-1 ha-1 an-110-15 t-1 ha-1 an-1
Un des écosystèmes Un des écosystèmes les plus productifs du les plus productifs du globe, en dépit de très globe, en dépit de très fortes contraintes…fortes contraintes…++Sols pauvres Sols pauvres agronomiquementagronomiquement+Saison sèche marquée+Saison sèche marquée
Paradoxes de certaines savanes africaines
Le feu brûle chaque année la biomasse herbacée et une partie de la biomasse des arbustes
Paradoxes de certaines savanes africaines : le feu
Problèmes pour la démographie des arbresProblèmes pour la démographie des arbres
Perte de MOPerte de MO
Perte de minéraux (environ 10 kg N ha-1)Perte de minéraux (environ 10 kg N ha-1)
Parallèle avec un champ de blé ou de maïs
Exportation d’une partie importante desExportation d’une partie importante des nutriments utilisés pour la croissance annuelle nutriments utilisés pour la croissance annuelle
Forte productionForte production
Comment résoudre le paradoxe??? Comment résoudre le paradoxe???
Différences avec un système agronomique? Différences avec un système agronomique?
Graminées pérennes?Graminées pérennes?
Peu de pertes de nutriments?Peu de pertes de nutriments?
Utilisation de l’isotope stable du N pour évaluer les flux d’azote dans l’écosystème
NN15 / N14 / N14
Le NLe N15 a les même propriétés chimiques (forme les mêmes molécules…) que le N14 mais…
Fractionnement isotopique = les moléculesFractionnement isotopique = les molécules contenant le N contenant le N15 15 réagissent à une vitesse différentesréagissent à une vitesse différentes
Les différents compartiments d’un écosystèmeLes différents compartiments d’un écosystème sont marqués différemment sont marqués différemment (exprimé en 0/00 / standard)(exprimé en 0/00 / standard)
Molécule azotée% N15 = A
Autre molécule azotée %N15 = B
Autre molécule
Utilisation de l’isotope stable du N pour évaluer les flux d’azote dans l’écosystème
Qu’observe-t-on? Qu’observe-t-on?
Feuilles et racines -1.3 0/00
MO + 5 0/00
N min + 7 0/00
Pluies 0 0/00
Fixation 0 0/00
Comment l’expliquer? Comment l’expliquer? Abbadie et al 1992
Cas de la graminée dominante Cas de la graminée dominante Hyparrhenia diplandra Hyparrhenia diplandra
Un recyclage très efficace
Feuilles et racines-1.3 0/00
MO + 5 0/00
N min + 7 0/00
Pluies 0 0/00
Fixation 0/00
Consommation importante de l’azote issu
de la minéralisation des racines
Appauvrissement progressif en NAppauvrissement progressif en N1515
Recyclage très efficace, sans perte de N Recyclage très efficace, sans perte de N
Un recyclage très efficace
Création d’îlots de fertilité? Création d’îlots de fertilité?
11 % de recouvrement basal
Racines essentiellement sous les touffes de graminées
Importance de la nitrification
Très faible nitrification dans tt la savane saufTrès faible nitrification dans tt la savane sauf une zone une zone
Lata et al 1999
Rôle de la graminée majoritaire, Rôle de la graminée majoritaire, H. diplandraH. diplandra? ?
Importance de la nitrification
Qu’en conclure?Qu’en conclure?
Lata et al 1999
Culture en condition identique
Mesure de l’activité de réduction du nitrate in vivo
Différence génétique? Différence génétique?
Importance de la nitrification
Qu’en conclure?Qu’en conclure?
Lata et al 2004
Différence génétique Différence génétique
Transplantation de graminées
Une espèce inhibant la nitrification / Une espèce inhibant la nitrification / une sous-population ne l’inhibant pas une sous-population ne l’inhibant pas
Conséquence pour l’écosystème?
Biomasses beaucoupBiomasses beaucoup plus élevée dans la plus élevée dans la zone inhibant la zone inhibant la nitrification nitrification
Pourquoi ?Pourquoi ?
NH4+ NO2
- NO3-
N2, N2O
Dénitrification
Pertes lixiviation
Nutrition
ArgilesNH3
Matièreorganique
Minéralisation
FixationVolatilisation
Nitrification
Nitrification =Nitrification = source de perte source de perte de N de N
Vérification par la modélisation
Système d’équationsSystème d’équationsdifférentiellesdifférentielles
Boudsocq et al. 2009
Modèle paramétré pour Modèle paramétré pour les 2 zones de Lamtoles 2 zones de Lamto
Nitrate or not nitrate
Soit Soit la proportion d’ammonium la proportion d’ammonium absorbé / total n minéral absorbé / total n minéral
La stratégie la plusLa stratégie la plus efficace est de efficace est de consommer un mélange consommer un mélange de nitrate et d’ammonium de nitrate et d’ammonium
Autres différences entreAutres différences entre nitrate et ammonium? nitrate et ammonium?
Conclusion sur Lamto
Des graminées très efficace pour le recyclageDes graminées très efficace pour le recyclage des nutriments des nutriments
Effet « îlot de fertilité »Effet « îlot de fertilité »
Inhibition de la nitrificationInhibition de la nitrification
Absorption d’ammoniumAbsorption d’ammonium
Application à l’agronomie
114 kg ha-1 engrais N
43 kg ha-1 N perdus = 43% de l’engrais
33 kg ha-1 N restent dans le sol
Deux solutions pour diminuer le recours aux engrais Deux solutions pour diminuer le recours aux engrais et augmenter la durabilité de l’agricultureet augmenter la durabilité de l’agriculture
24 kg ha-1 N exporté avec la récolte
Développement de variétés de céréales inhibant la nitrification
Comparaison de variétés de blé et de l’ancêtre du blé
On a découvert les molécules inhibitrices
Subbarao et al. 2009
Possibilité de sélection de variétés inhibant laPossibilité de sélection de variétés inhibant la nitrification? nitrification?
L’agroforesterie
Mélanger des cultures annuelles et des plantes ligneuses pérennes
Premiers buts: tirer bénéfice à la fois de la culture annuelle et de la production ligneuse + mettre en place une synergie entre les 2 productions
Couvert pérenne
Plus grande efficacité pour absorber les engrais, moins de pertes
Racines plus profondes
Plus grand stock de C
Protection des sols
Plus grand stock de C
L’agroforesterie
De nombreux problèmes techniques à résoudre
Utilisation de processus écologiques
Imitation des écosystèmes naturels
Création d’hétérogénéité spatiale
Augmentation de la biodiversité
Un développement de plus en plus important
Encore une approche typiquement de type ‘‘ingénierie’’ écologique
Développement de céréales pérennes
Les céréales couvrent 45% des besoins énergétiques humains
Système racinaire plus développé et profond
Les céréales cultivées sont toutes annuelles (doivent être ressemées chaque année) pourtant….
Meilleure utilisation des engrais
Plus grand stock de C souterrain
Couvert continu dans le temps et l’espace
Moins d’érosion (stock de C plus important)
Meilleure utilisation des engrais
Utilisation moindre d’herbicides et peut-être de pesticides
Stock de C aérien plus important
Glover 2007
Développement de céréales pérennes
Des recherches sont menées pour développer de telles variétés pérennes (hybridation avec des espèces pérennes, ou domestication d’espèces pérennes)
Utilisation de processus écologiques
Imitation des écosystèmes naturels
Création d’hétérogénéité spatiale
Influence positive sur le changement climatique par un accroissement du stock de C et la diminution de l’usage d’engrais
Une idée typique de l’ingénierie écologique
