UMR7618 « Biogéochimie et écologie des milieux continentaux » Apports de la station d’écologie de Lamto à la fertilité des sols S. Barot 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 Ecol Appl Céréales 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 N 15 comme traceur isotopique On suppose que le N15 ajouté se comporte comme l’engrais Engrais Sol Sol après le cycle de culture Culture Pertes Autre flux???

Agriculture et engrais : causes du problème  La proportion de l’engrais utilisé par la culture change-t-elle? Quantité d’engrais Engrais non retrouvé Log Quantité d’engrais Engrais non retrouvé Quantité d’engrais Proportion d’engrais non retrouvé

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 Ecol Appl engrais incorporé au sol sur les rangs

Agriculture et engrais : solutions traditionnelles Gardner et al 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 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

La station est située à l’extrême Sud du "V Baoulé" (zone d’avancée de la savane dans la forêt tropicale humide) La station écologique de LAMTO est à 160 km au N-O d’Abidjan Lamto une station à l’interface forêt savane

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

20 Sol ferralitiques sous forêt; ferrugineux tropicaux (ferralsols) très sableux sous savane  Sol ferralitiques sous forêt; ferrugineux tropicaux (ferralsols) très sableux sous savane Roche-mère socle cristallin précambrien à granites calco-alcalins  Roche-mère socle cristallin précambrien à granites calco-alcalins Les sols de Lamto

21 Peu de MO (environ 1% de C organique et moins de 0.1% de N organique)  Peu de MO (environ 1% de C organique et moins de 0.1% de N organique) Faible teneur en argile  Faible teneur en argile Les sols de Lamto Faible capacité d’échange cationique  Faible capacité d’échange cationique Faibles teneurs en nutriments minéraux moins de 2 mg N minéral g-1 sol  Faibles teneurs en nutriments minéraux moins de 2 mg N minéral g-1 sol

22 Une petite et une grande saison sèche Les sols de Lamto Nb de jours de pluie par mois

Trois strates principales : +Strate des palmiers rôniers +Strate arbustive +Strate herbacée représente ~ 80% de la biomasse totale Lamto : 3 strates

Savane herbeuse Savane arbustive Savane arborée Savane boisée Forêt de plateau Forêt galerie Lamto : une mosaïque de forêts et de savanne

Production primaire : épigée : t-1 ha-1 an-1 hypogée : t-1 ha-1 an-1 Un des écosystèmes les plus productifs du globe, en dépit de très fortes contraintes… + Sols pauvres agronomiquement +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 arbres  Problèmes pour la démographie des arbres Perte de MO  Perte 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 des nutriments utilisés pour la croissance annuelle  Exportation d’une partie importante des nutriments utilisés pour la croissance annuelle Forte production  Forte production Comment résoudre le paradoxe??? 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 N / N14  N 15 / N14 Le N  Le N 15 a les même propriétés chimiques (forme les mêmes molécules…) que le N 14 mais… Fractionnement isotopique = les molécules contenant le N 15 réagissent à une vitesse différentes  Fractionnement isotopique = les molécules contenant le N 15 réagissent à une vitesse différentes Les différents compartiments d’un écosystème sont marqués différemment (exprimé en 0/00 / standard)  Les différents compartiments d’un écosystème sont marqués différemment (exprimé en 0/00 / standard) Molécule azotée % N 15 = A Autre molécule azotée %N 15 = 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 /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 Hyparrhenia diplandra  Cas de la graminée dominante 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 N 15  Appauvrissement progressif en N 15 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 sauf une zone  Très faible nitrification dans tt la savane sauf une zone Lata et al 1999 Rôle de la graminée majoritaire, H. diplandra?  Rôle de la graminée majoritaire, H. 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 sous-population ne l’inhibant pas  Une espèce inhibant la nitrification / une sous-population ne l’inhibant pas

Conséquence pour l’écosystème? Biomasses beaucoup plus élevée dans la zone inhibant la nitrification  Biomasses beaucoup plus élevée dans la zone inhibant la nitrification Pourquoi ?  Pourquoi ? NH 4 + NO 2 - NO 3 - N 2, N 2 O Dénitrification Pertes lixiviation Nutrition ArgilesNH 3 Matière organique Minéralisation Fixation Volatilisation Nitrification Nitrification = source de perte de N  Nitrification = source de perte de N

Vérification par la modélisation Système d’équations différentielles Boudsocq et al Modèle paramétré pour les 2 zones de Lamto

Nitrate or not nitrate Soit  la proportion d’ammonium absorbé / total n minéral La stratégie la plus efficace est de consommer un mélange de nitrate et d’ammonium  La stratégie la plus efficace est de consommer un mélange de nitrate et d’ammonium Autres différences entre nitrate et ammonium?  Autres différences entre nitrate et ammonium?

Conclusion sur Lamto Des graminées très efficace pour le recyclage des nutriments  Des graminées très efficace pour le recyclage des nutriments Effet « îlot de fertilité »  Effet « îlot de fertilité » Inhibition de la nitrification  Inhibition de la nitrification Absorption d’ammonium  Absorption 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 et 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 Possibilité de sélection de variétés inhibant la nitrification?  Possibilité de sélection de variétés inhibant la 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