Sujet de thèse – UMR Eco&Sols – Rôles des racines, y compris profondes, dans la dynamique du Carbone dans les sols de systèmes agroforestiers tempérés et tropicaux (OT106)

La production de biomasse est un des principaux leviers pour augmenter l'apport de C aux sols et qui peut entraîner une séquestration (nette) de ce dernier à long terme, avec, un rôle important des racines qui a été moins étudié que les apports de litières aériennes. Pourtant, les racines profondes en raison de leur rôle central dans l'acquisition des nutriments et de l'eau (Kell, 2011, Christina et al., 2011 ; 2016) pourraient aussi jouer un rôle central dans la séquestration du C et pourraient même devenir un critère déterminant pour la sélection végétale dans des contextes de sécheresse. En effet, Les plantes investissent de 21 à 67% de la production primaire nette annuelle dans les racines fines (Pausch et Kuzyakov, 2017, Jackson et al., 1997, McCormack et al., 2015) et pour les arbres leur turnover pourrait représenter jusqu'à 40% des litières produites chaque année (Lukac, 2012). Il est maintenant bien documenté que les racines fines et grosses sont des contributeurs majeurs aux réservoirs totaux de biomasse et jouent un rôle critique dans le cycle du C et des nutriments via leur turnover (Amougou et al., 2011 ; Machinet et al., 2009; 2011; Pradier et al., 2017). La décomposition des racines tend à se ralentir avec la profondeur (Pries et al. 2018), favorisant ainsi le stockage de C. De plus la rhizodéposition nette représente environ 5% de l’allocation du C des plantes dans les sols mais elle a un effet considérable sur l'activité microbienne. Cet important flux de C, associé aux racines, contribue à réguler le flux de minéralisation de C et N, le « priming effect », etc… (Prescott, 2010, Clemmensen et al., 2013, Raich et al., 2014, Zhang et Wang, 2015, Pausch et Kuzyakov, 2017).

Les systèmes agroforestiers offrent une diversité de plantes avec des stratégies d’enracinement différentes qui permettent d’explorer un volume de sol important. Cependant la plupart des études menées sur la contribution racinaire au stockage de C en systèmes agroforestiers se sont principalement focalisées sur l’enracinement des arbres (Cardinael et al. 2015, Germon et al. 2016). Le stockage de C dans les sols des systèmes sylvo-arables dit « modernes » (alignement d’arbres et zone d’interculture) a principalement lieu sous la ligne d’arbre qui est aussi dotée d’un enherbement pérenne souvent spontané (Cardinael et al. 2018). En Afrique sub-saharienne, ces systèmes agroforestiers modernes ainsi que les systèmes en parcs, semblent stocker moins de carbone que des systèmes de type multistrates ou jachères (Corbeels et al. 2018). Toutefois, les arbres ont une influence très nette sur le rendement des cultures associées. Au Sénégal, cela est lié au pH du sol et à sa teneur en C et en N, trois facteurs directement influencés par les arbres comme le Faidherbia (fixateur Natm), dominant dans le bassin arachidier du Sénégal. Il a été mesuré sous les Faidherbia une augmentation de la teneur en carbone total (+ 62 %), en carbone minéralisable (+ 73 %), en humus (+ 40-47 %) comparativement à des zones sans arbres (Louppe, 2016). Ces augmentations sont dues aux retours en C et éléments minéraux par les retombées de litière, feuilles, fruits, brindilles et turnover des racines et contribuent ainsi à l’atténuation du changement climatique (Bright et al, 2019). En climat tempéré le LER (Land Equivalent Ratio) tend aussi à augmenter (Graves et al. 2010) mais sans relation directe avec les stocks de C dans les sols qui, sur les horizons de surface, sont du même ordre de grandeur dans la zone d’interculture que dans les témoins agricoles (Cardinael et al., 2015 ; Guillot et al. 2019). De plus, l’enracinement profond des arbres, mais aussi de certaines cultures soumises à des conditions de sècheresse est probablement une source importante de C pour le processus de séquestration, compte tenu de la plus faible dégradabilité des racines comparées aux parties aériennes (Balesdent et Balabane, 1996 ; Amin et al. 2014). Enfin, il a récemment été montré
UMR Eco&Sols - Ecologie Fonctionnelle & Biogéochimie des Sols & Agro-écosystèmes que la dynamique du C organique du sol et ses réponses face au changement climatique ou à l’usage des terres dépend fortement de la profondeur du sol considéré (Balesdent et al. 2018), rendant nécessaire la prise en compte des horizons profonds de sol pour comprendre la dynamique de séquestration du C.

L’originalité de cette thèse réside donc la prise en compte 1) des systèmes racinaires de plantes annuelles et pérennes ; 2) dans l’exploration des horizons profonds de sols (jusqu’à 2 m sous culture et jusqu’à 4 m pour des arbres) ; 3) dans les approches in situ qui seront déployées (minirhizotron, scanner, litter-bags); 4) de deux zones climatiques et nature de sols contrastées (Climat semi-aride en Afrique de l’Ouest avec des sols très sableux et pauvres en C et climat Méditerranéen avec des sols limoneux argileux et des teneurs en C organique plus élevées).
L'objectif principal de cette thèse sera donc d'évaluer la contribution des racines y compris profondes (horizons < 30 cm pour les plantes annuelles et horizons < 1m pour les plantes pérennes) sur le devenir du C et des éléments nutritifs associés à leur turnover dans des systèmes agroforestiers tempérés et tropicaux.

Sites d’études

Le Dispositif Instrumenté « Faidherbia-Flux » se situe dans le bassin arachidier du Sénégal, plus précisément sur la commune de Sob, à 6 km de Niakhar (région de Bambey-Fattick) au sein de l’Observatoire Santé Population Environnement de l’IRD. Il s’agit d’un parc agroforestier naturel à base d’Acacia albida (Faidherbia). Ce site a été instrumenté en 2017 avec 3 tours à flux eddy covariance (sur mil, arachide et au dessus de l’écosystème entier) et 3 puits profonds (jusqu’à la nappe) en 2018 pour le suivi de la dynamique racinaire. Des essais factoriels sur 1 ha sont conduits pour le suivi racinaire et rendement de parcelles de mil associées ou non avec du niébé, en fonction d’une fertilisation azotée.

Le Dispositif Instrumenté en Agroforesterie Méditerranéenne sous contrainte hydrique (DIAMs) se situe à 10 km au sud de Montpellier sur une station expérimentale de l’INRA (UE Diascope, Mauguio). Il s’agit d’un dispositif expérimental factoriel de 5 ha, en trois blocs croisant trois usages des terres (agricole, agroforestier et forestier) et deux niveaux de stress hydrique (avec et sans apport d’eau par irrigation), conduit en pratiques bas intrants. L’essence forestière est le robinier. Ce site est récent avec une plantation des arbres en janvier 2017 et une importante caractérisation initiale a été réalisée (plus de 400 échantillons de sol analysés et création d’une pédothèque). Après 2 ans de pousse, les arbres mesurent actuellement environ 1.5 à 2 m de haut. Ce site est en cours d’instrumentation avec l’installation de fosse pour le suivi des nutriments et des dynamiques racinaires jusqu’à 2 m de profondeur sous les cultures.

Financement :

Ce projet de thèse est co-financé par le projet « Dynamic of Soil Carbon Sequestration in Tropical and Temperate Agricultural systems », DSCATT (Financement Fondation Agropolis et Fondation Total) et l’INRA (Département EA). Le sujet s’inscrit donc dans un projet plus large regroupant plusieurs partenaires de l’INRA, du CIRAD et de l’IRD. Le projet DSCATT propose d’objectiver le potentiel de séquestrer davantage de carbone dans les sols cultivés, en tenant compte de la fertilité des sols et de la durabilité des pratiques agricoles dans le contexte des changements globaux. Le projet de thèse se situe dans le WP1 qui porte sur les mesures biophysiques à l’interface sol-plante et plus spécifiquement sur la tâche 1.3 qui s’intitule « Analyzing the link between plant productivity increase and SOC changes through root dynamics »

Encadrement :

La thèse sera dirigée par Christophe JOURDAN (Cadre Scientifique, CIRAD) et Isabelle BERTRAND (Directrice de Recherche, INRA). Des collaborations sont prévues avec plusieurs chercheurs de l’UMR Eco&Sols et à l’international.

Modalités de candidature :

Avant le 26 Mai 2019, envoyer un CV avec deux lettres de recommandations et une lettre de motivation par mail uniquement et simultanément aux deux adresses suivantes : isabelle.bertrand@inra.fr et christophe.jourdan@cirad.fr

Informations pratiques

Date limite de candidature : 26 mai 2019;

Date de début de thèse : 01/09/2019 ou 01/10/2019. Durée 3 ans.

Lieux : Cette thèse comprend deux sites d'études: l'un au Sénégal sur l'observatoire de Niakhar en collaboration avec l'ISRA (Institut Sénégalais des Recherches Agricoles) et l'autre proche de Montpellier (Mauguio) en collaboration l'UE DIASCOPE (INRA)

Nous recherchons un(e) candidat(e)ayant des compétences en écologie des sols, cycles biogéochimiques, production et dynamiques racinaires et une bonne aptitude à l'expérimentation in situ (dans le sud de la France et au Sénégal) et en laboratoire. Une maîtrise des méthodes et outils statistiques, y compris multivariées, sera nécessaire. Permis B nécessaire.

Références bibliographiques

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