Minéralisation à long terme du phosphore organique dans des sols cultivés : évaluation et facteurs de contrôle (OT118)

Informations clés

Établissement : Université de Bordeaux - École doctorale Sciences et environnements - Spécialité Biogéochimie et écosystèmes

Equipe : BIONUT - BIOGéochimie des NUTriments

Unité de recherche : ISPA - Interaction Sol-Plante-Atmosphère

Directeur de la thèse : Christian MOREL

Financement

du 01-11-2019 au 31-10-2022

Origine des fonds : IdEx, Université Bordeaux, Doctorat International 2019 Thèses en partenariat international sur destinations ciblées

Employeur : Université Bordeaux - Contrat doctoral IdEx

IdEx, Université Bordeaux, Doctorat international 2019 Thèses en partenariat international sur destinations ciblées

En contrepartie du contrat de Doctorat international, les partenaires canadiens, c'est-à-dire l'Université-Laval et le Centre de Recherche et de Développement de Québec d’Agriculture et Agroalimentaire Canada, se sont engagés à financer une thèse de réciprocité qui se fera également en co-tutelle avec l'Université de Bordeaux (école doctorale: sciences et environnements)

Début de la thèse le 1 novembre 2019

Date limite de candidature 29 mai 2019

Profil et compétences recherchées

Profil de master2 et formation d'ingénieur agronome avec des compétences en agronomie, agroécologie, sciences environnementales et végétales, géosciences et sciences du sol, statistiques, Modélisation et simulation des systèmes complexes, développement informatique sur R ou autre logiciel équivalent.
Grande autonomie, en particulier dans la mise en place de la démarche expérimentale: analyses d’échantillons de sol et de plantes, gestion, exploitation et interprétation de base de données, analyses statistiques et la rédaction d'articles scientifiques.
La Maîtrise de l'anglais sera un plus.

Présentation détaillée du projet doctoral

Le phosphore (P) est un nutriment majeur de la production agricole mondiale. Les projections montrent que les terres cultivées devraient augmenter de près de 50% d’ici 2050 pour subvenir à la demande alimentaire de la démographie croissante. D’autres projections ont mis en évidence une pénurie mondiale possible du phosphore minéral produit à partir des gisements fossiles de phosphates naturels. Par ailleurs, l’excès de phosphore dans les sols agricoles est un facteur de risque du déclenchement de l’eutrophisation des eaux de surface. La gestion du phosphore dans les sols agricoles par la fertilisation phosphatée s’impose donc comme un grand défi à relever à la fois pour la sécurité alimentaire mondiale, la préservation de l’environnement et l’économie des réserves minérales de P-fossile.

Une fertilisation phosphatée est requise pour augmenter et maintenir durablement la production des sols agricoles. La dose est raisonnée en considérant plusieurs facteurs et en particulier la fraction de phosphore du sol disponible pour les espèces cultivées (P-phytodisponible). Cette évaluation est faite par des réactifs chimiques dont on sait aujourd’hui qu’ils n’en donnent qu’une vision approximative. La précision et la fiabilité du conseil agronomique s’en trouvent lourdement pénalisées avec pour conséquence de faire des recommandations excessives pour maintenir dans les sols agricoles des niveaux de réserve beaucoup trop élevés. Les réactifs chimiques, quels qu’ils soient, sont incapables de rendre compte du fonctionnement des racines et des formes biogéochimiques de P qui participent à la nutrition phosphatée des cultures. Un changement de paradigme est donc nécessaire pour évaluer pertinemment le P-phytodisponible.

L’analyse quantitative et la hiérarchisation des processus d’acquisition du P du sol par les racines ont permis d’améliorer la connaissance et les méthodes d’évaluation. Les formes absorbées par les racines sont les ions orthophosphate (ions-oP=H2PO4- et HPO42-) dissous et les ions-oP diffusibles de la phase solide du sol qui participent au réapprovisionnement de la solution par le gradient de concentration créé entre ces deux phases pendant l’absorption racinaire. Cependant, dans cette approche, le phosphore organique du sol (Porg) est supposé ne pas avoir de rôle significatif dans la nutrition des cultures alors même que ce compartiment est en moyenne proche de 50% du P total du sol avec des valeurs qui varient largement suivant l’usage, les types de sols et les systèmes de culture. Ce compartiment pourrait possiblement contribuer à réalimenter la solution en ions-oP par le processus de minéralisation et ainsi participer à l’alimentation des plantes cultivées. Si de nombreuses études se sont attachées à identifier la spéciation du Porg (phytates, phospholipides, ADN, ARN etc.) et ses modifications sous l’effet de pratiques culturales, la liaison entre la spéciation du Porg et sa contribution à la phytodisponibilité du P du sol reste spéculative et n’a pas encore été clairement établie. Le flux d’ions-oP libéré par minéralisation du Porg a rarement été quantifié, en particulier dans le contexte des écosystèmes cultivés français et canadiens. L’objectif principal de la thèse est donc d’apporter des réponses chiffrées à la question de la contribution du Porg à la nutrition des plantes cultivées et d’en identifier les facteurs explicatifs. Pour apporter des éléments de réponse, la thèse évaluera les vitesses annuelles de minéralisation du Porg sur plusieurs décennies dans plusieurs dispositifs expérimentaux de plein champ français et canadiens. Une fois ce chiffrage réalisé, les relations seront analysées entre les facteurs susceptibles de réguler les vitesses de minéralisation à long terme de Porg, la spéciation du Porg et les facteurs microbiologique (biomasse microbienne, activités phosphatasiques) et physico-chimiques (niveau de P…).

Cette thèse permettra d’intégrer la dynamique à long terme du Porg dans le modèle (CycP) qui décrit le fonctionnement à long terme du cycle du P dans les agro-écosystèmes sur des bases strictement physico-chimiques. Ce modèle, développé par l’UMR ISPA, a été mis à l’épreuve pour des conditions agropédoclimatiques variées d’agroécosystèmes canadiens, malgaches, suisses. Une des hypothèses privilégiées pour expliquer des écarts entre des simulations par CycP et les observations expérimentales est la minéralisation de Porg. Pour lever cette incertitude, les changements à long terme (plusieurs décennies) de la biogéochimie du phosphore dans des sols de plein champ seront analysés (teneurs en P total, inorganique et organique, des ions-oP dissous et diffusibles sol-solution et le P microbien). Des séries chronologiques d’échantillons de sols fertilisés pendant des décennies et soigneusement conservés seront utilisés.

La thèse proposée est une contribution directe aux efforts de recherche en cours pour remplacer l’emploi d’engrais minéral, issu des gisements de phosphate naturels fossile, par le recyclage de matières fertilisantes organiques résiduaires (effluents d’élevage, boues d’épuration, déchets organiques urbains, digestats de méthanisation, cendres, effluents industriels, biochars...).

L’objectif est de réduire la dépendance de la France aux importations couteuses d'engrais, améliorer les pratiques de fertilisation phosphatée et lutter contre l’accumulation de phosphore dans les sols agricoles. Ce travail contribuera à raisonner la fertilisation phosphatée en tenant compte non seulement du compartiment inorganique de P du sol mais aussi du compartiment organique. Les sorties opérationnelles et finalisées de cette thèse sont d’améliorer la gestion des agroécosystèmes par la connaissance chiffrée du taux de minéralisation du P organique du sol et du P provenant de l’épandage de matières fertilisantes organiques résiduaires.

Thématiques Domaine Contexte

fonctionnement des écosystèmes cultivés et plus particulièrement fonctionnement biogéochimique du cycle du phosphore dans les agroécosystèmes en fonction de pratiques agricoles et agroécologiques nouvelles comme par exemple la fertilisation à bas niveaux intrants, c'est-à-dire à bilan négatif de phosphore, ou l'épandage de matières organiques résiduaires pour favoriser le bouclage des cycles et les circuits courts, agronomie, agroécologie, services écosystémiques, sciences du sol, microbiologie du sol appliquées à l'agriculture

Objectif et contexte

Les objectifs sont d’apporter des réponses chiffrées à la question de la contribution du compartiment de phosphore organique du sol à la nutrition des plantes cultivées et d’identifier les facteurs explicatifs à cette minéralisation.

La thèse s'inscrit dans le cadre d'une co-tutelle entre Université-Bordeaux et Université-Laval (Québec, Québec, Canada). Dépôt d'un dossier de candidature au Doctorat international 2019, Thèses en partenariat international sur destinations ciblées.

Méthode

Les changements à long terme (plusieurs décennies) de la biogéochimie du phosphore dans des sols de plein champ seront analysés (teneurs en P total, inorganique et organique, des ions-oP dissous et diffusibles sol-solution et le P microbien). Des séries chronologiques d’échantillons de sols fertilisés pendant des décennies et soigneusement conservés seront utilisés. Ce travail sera mené au sein de plusieurs réseaux nationaux d’essais à long terme. L’un porte sur l’étude de produits résiduaires organiques (PRO) (SOERE-PRO : réseau de sites expérimentaux en plein champs de longues durées ayant pour objectif d’observer les effets de l’apport de PRO sur les différents compartiments d’un système de grandes cultures. Ce réseau a été labellisé par AllEnvi (Alliance nationale de recherche pour l’environnement : https://www.allenvi.fr/) en 2010). L’autre porte sur la fertilisation minérale et comprend les réseaux nationaux des essais de longue durée conduits sur la fertilisation phosphatée gérés par l’UMR ISPA (INRA-Bordeaux) en France et par le Centre de Recherche de Québec d'Agriculture et AgroalimentaireCanada.

Résultats attendus

vitesse de minéralisation à long terme du compartiment de phosphore organique du sol dans différents agroécosystèmes (sols cultivés de longue date sous grandes cultures et représentatifs des agroécosystèmes majoritaires en France et au Canada) et ses déterminants physique, chimique et microbiologique.

Précision sur l'encadrement

L'encadrement de la thèse en cotutelle entre U-Bordeaux et U-Laval (Québec, Canada) sera réalisé par:

Christian MOREL et Alain MOLLIER (UMR-ISPA) de l'Université de Bordeaux;
Professeur Antoine KARAM (Université-Laval, Département des sols et de génie alimentaire, équipe de recherche en sols agricoles et miniers)
Dr. Noura ZIADI Professeur associé au Centre de Recherche et de Développement de Québec d'Agriculture et Agroalimentaire Canada.

Par ailleurs, Christian MOREL est actuellement co-directeur de la thèse de Doctorat en Sciences Agronomiques de Ravaka RAHANTALALAO (Université d'Antananarivo, Madagascar) sur les déterminants physico-chimiques de la phytodisponibilité du phosphore dans les sols malgaches. La soutenance est prévue en mars ou avril 2019.

Conditions scientifiques matérielles (conditions de sécurité spécifiques)
et financières du projet de recherches

Le thésard partagera son temps de manière équilibrée entre les 2 universités et les 2 instituts de recherche. Le planning envisagé est :

les 12 premiers mois à U-Bordeaux dans l’UMR ISPA de l'inra (Centre-nouvelle-Aquitaine-Bordeaux);
les 18 mois suivant à U-Laval et au CRDQ-AAC ;
les 6 derniers mois à l’U-Bordeaux et dans l’UMR ISPA.
Des aménagements pourront bien sur intervenir en fonction des contraintes d’enseignements et de recherches. Le suivi de certains enseignements de la Faculté des sciences de l’agriculture et de l’alimentation de l'U-Laval est possible par SKYPE ce qui permet une certaine souplesse dans l’aménagement des séjours entre les deux pays.

Objectifs de valorisation des travaux de recherche du doctorant : diffusion,
publication et confidentialité, droit à la propriété intellectuelle,...

valorisation scientifique dans des revues (field crop research; plant soil; agriculture, ecosystems environment...) et communication dans des congrès internationaux (symposium on Phosphorus in Soils and Plants; European Geosciences Union; international symposium on soil organic matter) et nationaux (journées d'études des sols; congès de Association québécoise de spécialistes en sciences du sol; ...).

Transfert et diffusion des informations vers l'aval de la recherche aux parties prenantes (instituts techniques, chambres d'agriculture, laboratoire d'analyses, agriculteurs) via des structures comme le COMIFER (comité français d'études et de développement de la fertilisation raisonnée)
Productions de références agronomiques

Collaborations envisagées

Dr. Barbara CADE-MENUN (Agriculture and Agri-Food Canada ; Swift Current Research and Development Centre, Swift Current, Saskatchewan, CANADA), spécialiste mondialement reconnue de la spéciation par résonance magnétique du phosphore 31

Ouverture Internationale

co-tutelle de thèse avec:

Professeur Antoine KARAM, Université Laval (Québec, Québec, Canada), Département des sols et de génie alimentaire, équipe de recherche en sols agricoles et miniers
co-encadrement avec Professeure associée Dr. Noura ZIADI, Centre de Recherche et de Développement de Québec d’Agriculture Agroalimentaire Canada.

Pour plus d’informations et candidature sur : https://www.adum.fr/as/ed/voirproposition.pl?langue=fr&site=ed_se&matricule_prop=24449