Biogéochimie des nutriments et des éléments traces

Animateur : Mark Bakker

Contexte des recherches

La problématique de l’équipe « Biogéochimie des Nutriments et Elèments Traces» (BIONET) est de répondre à la question de savoir comment gérer durablement les éléments nutritifs (principalement azote et phosphore) pour assurer la production agricole et forestière tout en limitant les impacts environnementaux. L’équipe étudie des écosystèmes variés allant des grandes cultures et prairies cultivées jusqu’aux forêts. Les écosystèmes étudiés sont localisés dans la région Aquitaine et l’ensemble de la France. L’équipe a par ailleurs de nombreuses collaborations sur des sites d’études à travers le monde (Belgique, Brésil, Canada, Madagascar, Nouvelle-Zélande, Maroc, Sibérie, Suisse…).

Objectifs

L’objectif principal de l’équipe BIONET est d'améliorer notre compréhension du fonctionnement des écosystèmes et des cycles biogéochimiques au travers :

- i) la quantification des stocks et des flux des nutriments à différentes échelles (parcelle, champ, territoire, monde)

- ii) la modélisation mécaniste des processus physicochimiques et biologiques.

Il s’agit, in fine, de produire des connaissances scientifiques ainsi que des conseils et des règles de bonnes pratiques pour les gestionnaires des écosystèmes agricoles et forestiers. 

Thématiques

Les trois grandes thématiques de l’équipe sont :

•   Etude et modélisation des relations sol–plante et du fonctionnement du sol en réponse à la biodisponibilité des nutriments au sein des écosystèmes terrestres. L’équipe étudie notamment le rôle des pratiques agricoles, de la biodiversité et des changements climatiques sur la productivité et les services écosystémiques fournis par les écosystèmes terrestres.

•  Etude et modélisation du fonctionnement à long terme des cycles biogéochimiques dans les écosystèmes terrestres. L’équipe étudie notamment  le couplage entre cycles des nutriments et celui du carbone depuis des échelles fines (microorganismes, racines) jusqu’à des échelles beaucoup plus larges (régionales, mondiales).

•  Modélisation des flux de phosphore à des échelles englobantes. L’équipe étudie ici les déterminants de l'usage des ressources en phosphore et de leur impact sur la biodisponibilité dans les sols à l'échelle mondiale. 

Démarche et Outils

Une des caractéristiques principales de l’équipe est d’aborder la biogéochimie des nutriments de petites à larges échelles en associant à la fois expérimentation et modélisation. 

Les processus que nous étudions ont trait au fonctionnement du sol (processus de transfert à l’interface sol-solution, biodisponibilité des nutriments, communautés microbiennes et mycorhizes), au fonctionnement de la plante (prélèvement minéral par le système racinaire, assimilation et allocation du carbone et des éléments minéraux entre les organes, fixation symbiotique de l’azote) et à l’impact des pratiques de gestion (agronomie et sylviculture). 

Les principaux outils mobilisés sont :

•  Expérimentation en conditions contrôlées sur des échantillons de sol ou des cultures en pot pour étudier la biodisponibilité des nutriments, le fonctionnement du sol ou les prélèvements et croissance des plantes.
•  Expérimentation in situ au champ pour évaluer nos modèles, identifier les espèces/formes de P (spéciation) et quantifier les compartiments et les flux du cycle biogéochimique.

•   Modélisation mécaniste (ou parfois statistique) servant de cadre conceptuel pour organiser et formaliser nos recherches pour produire des modèles numériques. Ces derniers sont utilisés pour la prédiction, pour élaborer et tester des scénarios, pour quantifier et hiérarchiser le poids relatif des processus modélisés en fonction des contextes et des échelles considérées, pour produire ou alimenter des outils d’aide à la décision.

• Analyse et exploitation de bases de données statistiques, bibliographiques ou issues d’enquêtes pour comprendre les flux à des échelles englobantes, évaluer les opportunités de recyclage.

Publications

Quelques publications marquantes

Jordan-Meille L., Rubaek GH., Ehlert P., Genot V., Hofman G., Goulding K., Recknagel KJ., Provolo G., Barraclough P. 2012 An overview of fertiliser-P recommendations in Europe: Soil testing, calibration, and fertiliser recommendations. Soil Use and Management. 28, 419-435.

Martineau E., Domec J.C., Bosc A., Dannoura M., Gibon Y., Bernard C., Jordan-Meille L. 2017 The role of potassium on maize leaf carbon exportation under drought condition. Acta Physiologiae Plantarum, 39:219

Nadeem M, Mollier A, Morel C, Shahid M, Aslam M, Zia-ur-Rehman M, Wahid MA, Pellerin S. 2013. Maize seedling phosphorus nutrition: Allocation of remobilized seed phosphorus reserves and external phosphorus uptake to seedling roots and shoots during early growth stages. Plant and Soil 371: 327–338.

Gonzalez M, Augusto L, Gallet-Budynek A, Xue J, Yauschew-Raguenes N, Guyon D, Trichet P, Delerue F, Niollet S, Andreasson F, et al. 2013. Contribution of understory species to total ecosystem aboveground and belowground biomass in temperate Pinus pinaster Ait. forests. Forest Ecology and Management 289: 38–47.

Morel C, Ziadi N, Messiga A, Bélanger G, Denoroy P, Jeangros B, Jouany C, Fardeau J-C, Mollier A, Parent L-E, et al. 2014. Modeling of phosphorus dynamics in contrasting agroecosystems using long-term field experiments. Canadian Journal of Soil Science 94: 377–387.

Brédoire F, Bakker MR, Augusto L, Barsukov PA, Derrien D, Nikitich P, Rusalimova O, Zeller B, Achat DL. 2016. What is the P value of Siberian soils? Soil phosphorus status in south-western Siberia and comparison with a global data set. Biogeosciences 13: 2493–2509.

Regan JT, Marton S, Barrantes O, Ruane E, Hanegraaf M, Berland J, Korevaar H, Pellerin S, Nesme T. 2017. Does the recoupling of dairy and crop production via cooperation between farms generate environmental benefits? A case-study approach in Europe. European Journal of Agronomy 82, Part B: 342–356.