Thèses



Évaluation de la contribution fonctionnelle des espèces lombriciennes anéciques à la décomposition des litières prairiales - Variabilité inter-espèces au sein d'une même catégorie écologique

Thèse de Kevin Hoeffner, soutenue le 18 décembre 2018 à la Station Biologique de Paimpont, devant un jury composé de :
- Alain Brauman, Directeur de Recherche, IRD Montpellier - Rapporteur
- Thibaud Decaëns, Professeur, Université de Montpellier - Rapporteur
- Éric Chauvet, Directeur de Recherche, Université de Toulouse III - Examinateur
- Pierre-Alain Maron, Directeur de Recherche, INRA Dijon - Examinateur
- Jérôme Mathieu, Maître de conférences, Université Pierre et Marie Curie - Examinateur
- Guénola Pérès, Maître de conférences, INRA/Agro-campus Ouest Rennes - Examinatrice
- Daniel Cluzeau, Maître de conférences, Université de Rennes 1 - Co-directeur de thèse
- Cécile Monard, Chargée de Recherche, Université de Rennes 1 - Co-directrice de thèse

Résumé :
La décomposition des litières est un processus clé du fonctionnement du sol contribuant à de nombreux services écosystémiques. En climat tempéré, les lombriciens en interaction avec les micro-organismes du sol, contribuent significativement à ce processus. Cependant, les connaissances sur les lombriciens ciblent le plus souvent les trois catégories écologiques selon lesquelles ils sont définis : les épigés, les endogés et les anéciques. Les anéciques sont très répandus dans les sols tempérés, constituent la majeur partie de la biomasse lombricienne et interviennent dans la décomposition des litières. Plusieurs études ont observé des traits comportementaux, morphologiques et physiologiques distinguant deux sous-catégories au sein des anéciques : les épi-anéciques et les anéciques stricts. Le premier objectif de ce travail de thèse était de vérifier si cette distinction avait une réalité dans le cadre du processus de décomposition des litières. En conditions contrôlées, nous avons évalué (i) le rôle des principales espèces anéciques dans le processus de décomposition, (ii) l’impact de ces espèces sur les communautés de microorganismes et (iii) les activités enzymatiques des microorganismes du sol et (vi) l’impact des interactions entre espèces anéciques sur le processus de décomposition. A partir d’observations sur le terrain, le second objectif de ce travail de thèse était de définir les règles d’assemblages des communautés lombriciennes en prairie compte-tenu de leurs rôles majeurs dans divers processus du sol. Les résultats obtenus ont confirmé la distinction entre lombriciens épi-anéciques et anéciques stricts : les épi-anéciques étant les seuls à contribuer au processus de décomposition des litières et celui-ci étant corrélé à la biomasse individuelle moyenne de chaque espèce. Cette contribution passe par une plus forte stimulation des activités enzymatiques du sol, indépendamment des espèces considérées. En revanche, contrairement aux bactéries, les communautés fongiques du sol dépendent de l’espèce épi-anécique avec laquelle ils interagissent. Ce travail met également en évidence que l’abondance, la biomasse et la diversité des communautés lombriciennes des sols prairiaux sont régulées par différents filtres environnementaux dont la diversité du paysage. Ainsi, cette thèse fait ressortir que les deux sous-catégories écologiques au sein des anéciques ont des rôles différents sur le processus de décomposition des litières et qu’elles contribuent donc à des services écosystémiques fournis par le sol de manière différenciée.

Mots clés : Microorganismes, activités enzymatiques, communautés, interaction intra- et inter-spécifique, paysage.

Contact : kevin.hoeffner@gmail.com



Quantification expérimentale et modélisation de la production, des flux d'eau et d'azote en systèmes de culture biologiques

Thèse de Lucia Rakotovololana, soutenue le jeudi 20 décembre 2018 à 13h30 à l’Agro Paris Tech, devant le jury composé de :
- Mme Martine GUERIF, Directrice de Recherche, INRA, UR EMMAH - Rapporteur
- M. Gilles BILLEN, Directeur de Recherche, UPMC - CNRS, UMR METIS - Rapporteur
- Mme Chantal LOYCE, Maître de Conférence, Agro Paris Tech - Examinatrice
- Mme Delphine MOREAU, Chargée de Recherche, INRA, UR Agroécologie - Examinatrice
- M. Raphaël CHARLES, Directeur de Recherche, Fi BL (Suisse) - Examinateur
- M. Alexandre PERY, Directeur de Recherche, Agro Paris Tech - Examinateur
- M. Bruno MARY, Directeur de Recherche, INRA, UR Agro Impact - Directeur de thèse
- M. Nicolas BEAUDOIN, Ingénieur de Recherche, INRA, UR Agro Impact - Encadrant

Résumé :
Dans le contexte actuel de changements globaux, faire face au défi multiple et interconnecté de la sécurité alimentaire et des impacts environnementaux s’avère fondamental pour la durabilité des systèmes agricoles. La thèse s’attache ainsi à évaluer les performances agronomiques et environnementales des systèmes en AB, en couplant un suivi expérimental réalisé sur un réseau de 35 parcelles agricoles dans la région Hauts-de-France, avec la modélisation du continuum sol-plante-atmosphère afin de mieux comprendre les processus expliquant les dynamiques de l’eau et de l’azote dans ces systèmes, en vue de promouvoir des pratiques de gestion durables. Dans un premier temps, le drainage d’eau et la lixiviation d’azote ont été quantifiés en couplant les données sol-culture-climat et le modèle LIXIM. L’analyse de la lixiviation des parcelles agricoles a permis de déterminer que les facteurs qui expliquent la variabilité. Outre le fort effet sol et l’importance des conditions climatiques sur le drainage, ils sont principalement liés à la combinaison de précédent cultural et de gestion de la couverture du sol en automne. Ces deux derniers jouent en effet sur la quantité d’azote minéral présent avant la période de drainage et expliquent la position du nitrate dans le profil de sol. Nos résultats ont montré le rôle dichotomique des légumineuses dans les systèmes de grandes cultures en AB, et la faible performance des cultures intermédiaires car semées tardivement en automne dans ce contexte. Dans un second temps, le diagnostic des déterminants de l’écart au rendement des cultures ou yield gap a été réalisé via une approche par modélisation déterministe. Le modèle sol-culture STICS a servi à estimer les différents niveaux de rendement potentiel et décomposer le yield gap, en s’appuyant sur le cas du blé tendre et du triticale. Les résultats montrent que le stress en azote permet d’expliquer la majeure partie du yield gap survenant en AB, et dans une moindre mesure les facteurs liés à la pression biotique, pour des systèmes recourant à peu ou pas d’apport azoté exogène. Finalement, le défi de la fourniture en azote dans les systèmes de grandes cultures en AB a été abordé afin de contribuer à une meilleure efficience d’utilisation de l’azote et une amélioration de la productivité des parcelles. Le modèle STICS a permis de simuler l’impact de pratiques de gestion alternatives de l’azote, par expérimentation numérique menée dans le cadre d’une approche participative, mobilisant les agriculteurs, les conseillers techniques et les chercheurs. Les résultats indiquent l’importance de la succession et des pratiques culturales, en particulier la mise en place de cultures intermédiaires et la gestion du retournement des luzernières. L’optimisation des pratiques des agriculteurs restent ainsi possible, en réduisant les émissions potentielles d’azote par lixiviation ou par pertes gazeuses, sans léser la fourniture en N pour les cultures. Dans les contextes pédo-technico-climatiques étudiés, les systèmes de grandes cultures en AB peuvent ainsi combiner performance agronomique et faibles impacts environnementaux, lorsque la gestion de l’azote est bien maîtrisée.

Mots-clés : grandes cultures, agriculture biologique, écart de rendement, lixiviation, gestion d’azote, STICS.

Contact : nicolas.beaudoin@laon.inra.fr



Évaluation du stock et de la stabilité du carbone organique dans les sols urbains
Thèse d’Aurélie Cambou, soutenue le 29 novembre 2018, à partir de 13h30 dans l'amphithéâtre André Leroy (D) à Agrocampus Ouest centre d'Angers (2 rue André Le Nôtre, 49000 Angers).
La soutenance de thèse se déroulera devant le jury composé de :
Sophie CORNU, Directrice de recherche – CEREGE, Environnement Durable, Aix-en-Provence, Rapporteur
Martial BERNOUX, Directeur de recherche – FAO Climate Change Division, Rome, Rapporteur
Claire CHENU, Professeur – Agro Paris Tech, UMR ECOSYS, Thiverval-Grignon, Examinateur
Antonio BISPO, Ingénieur de recherche - INRA, US Info Sol, Orléans, Examinateur
Anne JAFFREZIC, Maître de conférences HDR - Agrocampus Ouest, UMR SAS, Rennes, Examinateur
Laure VIDAL-BEAUDET, Maître de conférences HDR– Agrocampus Ouest, UP EPHOR, Angers, Directeur de thèse
Christophe SCHWARTZ, Professeur – Université de Lorraine, UMR LSE, Vandoeuvre-lès-Nancy, Co-directeur de thèse
Patrice CANNAVO, Professeur – Agrocampus Ouest, UP EPHOR, Angers, Co-encadrant de thèse
Isabelle FEIX, Ingénieure – ADEME, Angers, Membre invité

Résumé de l’auteur :
Les sols constituent le premier réservoir terrestre de carbone organique et jouent ainsi un rôle clé pour limiter le réchauffement climatique. Les sols urbains représentent 3% du territoire mondial et l’urbanisation est la première cause de changement d’affectation des sols. L’augmentation rapide des surfaces artificialisées a entraîné un intérêt croissant quant à la capacité des sols urbains à stocker du carbone. Les travaux de thèse ont visé à comprendre la contribution des sols urbains au stock global de carbone organique et à proposer une méthode standardisée pour son suivi. Les recherches ont aussi porté sur l’étude de la stabilité du carbone organique des sols urbains et la modélisation de la dynamique de ce carbone. Une base de données a été construite à partir de données disponibles au niveau national, puis de mesures supplémentaires acquises dans trois villes françaises. Le stock de carbone des sols ouverts est similaire entre les villes, et équivalent voire supérieur en profondeur, à celui des sols forestiers environnants. Ce stock dépend plus particulièrement du mode de gestion des espaces verts urbains, et de l’histoire du site. Ainsi, les sols urbains ouverts sont caractérisés par une forte proportion de matières organiques labiles sur 0-44 cm de profondeur. Au contraire, les sols scellés présentent des stocks de carbone très faibles. Ils sont caractérisés par une forte proportion de matières organiques stables dont l’évolution (stockage ou minéralisation) dépend de l’état de dormance microbienne. Un modèle conceptuel de la dynamique du carbone dans ces deux types de sol a été élaboré. Enfin, des recommandations pour optimiser le suivi du carbone et la gestion des sols urbains ont été proposées.
Mots-clés : sol scellé, espaces verts, biomasse microbienne, champignons, bactéries, Roth C, spectroscopie visible et proche infrarouge, déficit de carbone.

Cette thèse, cofinancée par l’Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME) et la Région Pays-de-la-Loire, a été menée au sein de l’Unité Propre Environnement Physique de la plante horticole (EPHor) d’Agrocampus Ouest, centre d’Angers ainsi qu’au Laboratoire Sols et Environnement (LSE, UMR 1120 Université de Lorraine-INRA à Vandoeuvre-lès-Nancy). Ce travail s’inscrit dans le projet Sols Urbains et Projets d’Aménagement (SUPRA ; coordination LSE, partenaires BRGM, IUAR, EPHor, INRA Infosol, Mines Paris Tech), financé par l’ADEME (APR Graine), qui vise à rassembler un réseau national d’acteurs autour de la problématique des sols urbains et des services écosystémiques qu’ils peuvent rendre (dont celui de régulation du climat).

Contact : aurelie.cambou@agrocampus-ouest.fr



Priming-effect : vers un mécanisme universel de contrôle du bilan stockage-déstockage du carbone organique. Approfondissements théoriques, généralisation aux milieux aquatiques et cultivés

Thèse de Raphaël GUTTIERES, doctorant dans l'équipe EMS du département DCFE, soutenue le 28 septembre 2018 à Sorbonne Université, devant le jury composé de :
- Luc ABBADIE, Professeur Sorbonne Université, iEES Paris, co-directeur de thèse
- Samuel ABIVEN, Researcher & Lecturer, Université de Zürich (Suisse), rapporteur
- Claire CHENU, Professeur Agro Paris Tech, rapporteur
- Tanguy DAUFRESNE, CR INRA, examinateur
- Sylvie DERENNE, DR CNRS, examinateur
- Gérard LACROIX, CR CNRS, iEES Paris, co-directeur de thèse

Résumé de l’auteur :
Cette thèse a pour but de comprendre le degré de généricité d’un processus biogéochimique lié à la dynamique du carbone, le « Priming Effect » (PE).
Ce processus fut initialement étudié dans les sols avant d’être identifié en milieu aquatique. Il peut être défini dans les deux types de milieux comme la modification (augmentation ou diminution) du taux de minéralisation de la matière organique stabilisée par l’addition de matière organique labile.
L’objectif de ce présent travail a été de tester la réponse du PE dans le contexte des changements globaux ainsi que dans celui des pratiques agricoles.
Une première expérimentation en sol agricole a testé l’hypothèse énergétique en jouant sur la qualité de la matière organique apportée. Les résultats ont permis de confirmer le rôle central de l’aspect énergétique de l’apport de matière organique dans les sols en démontrant que les résidus végétaux frais induisaient une sur-minéralisation (PE) du carbone de la matière organique du sol huit fois supérieure à son équivalent pré-décomposé.
Dans cette même expérimentation, la réponse du PE à une augmentation de température, à une augmentation de la disponibilité en nutriments ainsi qu’à un changement de couverture des sols (couvert agricole vs. couvert forestier) a été testée. Il en ressort un fort effet de la température sur la minéralisation basale des sols, mais pas d’effet sur le PE. Ce dernier semble réagir d’avantage à la disponibilité en énergie ainsi qu’au type de couvert végétal.
En parallèle de cette partie terrestre, deux expérimentations aquatiques ont été menées, testant l’impact des changements de stoechiométrie, de température et de disponibilité en matière organique labile sur les interactions entre le compartiment des décomposeurs et celui des producteurs primaires.
Peu de résultats sont disponibles à ce jour et aucune conclusion définitive sur la réponse du PE n’est établie pour le moment.
Cependant, on a pu mettre en évidence l’importance relative des flux de carbone en provenance des différents compartiments biotiques de nos systèmes. Une importante mixotrophie algale a ainsi été démontrée, nous amenant à reconsidérer le rôle des producteurs primaires dans la partie aquatique de la dynamique du cycle du carbone, et donc leur rôle potentiel dans le PE dans un contexte de réchauffement climatique et d’érosion des surfaces continentales.
Des analyses complémentaires sur les échantillons stockés et une approche de modélisation en cours de développement permettront d’identifier les éventuelles singularités du PE en milieu aquatique par rapport au milieu terrestre.
Sur son versant terrestre, cette thèse a permis de suggérer une démarche agro-écologique de gestion des stocks de carbone dans les sols, ainsi que de mettre en évidence le rôle majeur de l’état de décomposition des résidus végétaux sur l’intensité du PE.



Une approche systémique à l’échelle de l’exploitation agricole au service de la qualité des eaux souterraines. L’expérience d’une approche de co-conception avec et par les agriculteurs

Thèse d’Annabelle Richard, soutenue le jeudi 21 juin 2018, 10h à l’ISARA-Lyon (salle orange), devant le jury composé de :
Mme Mireille NAVARETTE, Directrice de Recherche, INRA Avignon, Rapporteur
M. Pierre-Yves LE GAL, Chercheur, CIRAD, UMR Innovation, Rapporteur
Mme Marianne LEBAIL, Professeure, INRA SAD, Examinatrice
M. Olivier BARRETEAU, Directeur de recherche, IRSTEA, Examinateur
Mme Marion CASAGRANDE, Chargée de mission, ITAB, Encadrante principale
M. Christophe DAVID, Directeur scientifique, ISARA-Lyon, Directeur de thèse

Cette thèse, co-financée par l’ISARA-Lyon et l’agence de l’eau RMC a été réalisée au sein de l’ISARA (direction Christophe David, encadrement Marion Casagrande) et en co-encadrement avec l’INRA (Marie-Hélène Jeuffroy), avec inscription à l’ED Abiès.

Résumé de l'auteure :
Depuis 2000, la Directive Cadre pour l'Eau fixe des objectifs ambitieux imposant un retour vers le bon état physicochimique et écologique des eaux de consommation. Toutefois, la pollution des eaux souterraines par les nitrates et les pesticides d'origine agricole persiste en France malgré la création de dispositifs réglementaires depuis bientôt 30 ans. L’enjeu actuel est donc double ; concevoir des scénarios qui permettent de protéger et reconquérir la qualité des eaux souterraines et favoriser leur mise en œuvre à long terme par les agriculteurs.
L’objectif de cette thèse est d’explicitement prendre en compte le fonctionnement global de l’exploitation agricole afin de concevoir et favoriser sa transition vers des combinaisons de systèmes de culture qui répondent à l’enjeu de protection de la qualité des eaux souterraines. Nous avons travaillé sur deux territoires du bassin Rhône Méditerranée Corse, présentant des eaux souterraines polluées par les nitrates et pesticides, la Plaine des Chères (69) et Val de Durance (04). Ces deux territoires présentent des exploitations agricoles aux systèmes variés, qui montrent une dynamique contrastée face au changement.
En premier lieu, nous avons étudié l’application des mesures proposées dans le cadre de la directive nitrates. Par leur standardisation, ces mesures sont écrites sans prendre en compte la diversité de fonctionnement des exploitations agricoles. Appuyé sur des entretiens avec 22 agriculteurs situés sur ces deux territoires, nous avons analysé l’application par les agriculteurs de ces mesures et de leur adéquation avec le fonctionnement de leur exploitation agricole. Cette analyse montre qu’un grand nombre de mesures réglementaires sont peu cohérentes, ce qui conduit à des résultats insuffisants tant en termes de qualité des eaux souterraines que d’engagement dans la durée, notamment quand l’obligation est levée.
La deuxième partie a donc porté sur le développement d’une démarche participative afin de proposer de nouvelles pratiques en adéquation avec le fonctionnement des exploitations agricoles afin d’engager une transition dans la durée garantissant la protection de la ressource en eau. L’objectif de cette démarche, caractérisée par une participation exclusive des agriculteurs, est de co-concevoir des scénarios “sur mesure” à l’échelle de l’exploitation agricole. Ces scénarios répondent aux projets des agriculteurs tout en permettant une limitation des pollutions d’origine agricole. Cette méthode a été expérimentée avec deux groupes d’agriculteurs provenant des deux territoires d’étude. Les résultats montrent que l’expertise collective des agriculteurs a produit des propositions de changements qui encouragent une mise en œuvre de la part des agriculteurs tout en permettant de diminuer la pression polluante sur les eaux souterraines. En effet, certains agriculteurs de ces deux groupes ont mis en œuvre les propositions dans les mois qui ont suivis la démarche.




Valorisation agronomique des sédiments fins de retenues hydroélectriques en construction d'Anthroposols fertiles

Thèse de Gaëtan FOURVEL soutenue le lundi 12 mars 2018 à Agrocampus-Ouest centre d'Angers, devant le jury composé de :
  • Isabelle COUSIN, INRA, UR Sciences du sol – Rapporteur
  • Thierry DUTOIT, Université d’Avignon, IMBE – Rapporteur
  • Philippe BATAILLARD, BRGM, unité 3SP – Examinateur
  • Sophie LEGUEDOIS, Université de Lorraine, UMR LSE – Examinateur
  • Christian WALTER, Agrocampus-Ouest, UMR SAS – Examinateur
  • Patrice CANNAVO, Agrocampus-Ouest, UPSP EPHor – Directeur de thèse
  • Laure VIDAL-BEAUDET, Agrocampus-Ouest, UPSP EPHor – Co-encadrante
  • Agathe LE BOCQ, EDF R&D, unité TEC – Membre invité
  • Laurent EISENLOHR, CEREMA, unité DSPES – Membre invité
  • François THERY, EDF R&D, unité TEC – Membre invité
Résumé du travail de thèse :
Les sédiments fins qui s’accumulent naturellement en amont des ouvrages hydroélectriques sont parfois amenées à être gérés à terre, pour des raisons techniques ou environnementales. L’une des voies de valorisation envisagée pour les gérer est la construction de sols fertiles pour l’aménagement d’espaces végétalisés ou encore pour la réhabilitation de zones dégradées. Cet usage des sédiments en tant que matériaux alternatifs pour construire des sols contribue à préserver la ressource en terre végétale et nécessite de prouver la valeur agronomique et l’innocuité environnementale des sédiments.
Une approche expérimentale (essai sous serre de 3 mois et essai in situ en bacs lysimétriques de 24 mois) a permis d’évaluer les composantes physiques, chimiques et biologiques de la fertilité de sols construits à partir de 6 sédiments, seuls ou mélangés avec 40 % (v:v) de compost de déchets verts. Les résultats de l’étude ont mis en évidence que la capacité d’agrégation des sédiments est un facteur clé de leur fertilité. Le suivi du développement de la couverture végétale des sols construits a démontré la capacité de tous les sédiments étudiés à être support de végétation. Les sédiments riches en matière organique (MO) (>30 g kg-1) sont adaptés aux végétaux des espaces végétalisés urbains ayant potentiellement des exigences hydriques et trophiques élevées. Les sédiments pauvres en MO (<30 g kg-1), semblent davantage adaptés à une utilisation pour des opérations de restauration où les exigences des végétaux sont généralement moindres. Ce travail aboutit à la proposition de critères environnementaux et agronomiques qui permettent d’orienter les sédiments vers la construction de sol et de proposer des usages adaptés.
Mots clés : Génie pédologique, qualité agronomique, structure du sol, ray grass, compost, construction de sol, restauration, espace vert, terre végétale, Technosol.
Cette thèse CIFRE est le fruit d'une collaboration entre l'Unité Propre Environnement Physique de la Plante Horticole d'Agrocampus-Ouest centre d'Angers (Patrice Cannavo (directeur) et Laure Vidal-Beaudet (co-encadrante)), le groupe Territoires et Économie Circulaire d'EDF R&D, EDF Lab les Renardières (Agathe Le Bocq et François Thery) et de l'unité Déchets, Sols Pollués, Eau Souterraine du CEREMA Centre-Est (Laurent Eisenlohr).

Contact : gaetan.fourvel@agrocampus-ouest.fr



Des Technosols construits à partir de produits résiduaires urbains : services écosystémiques fournis et évolution
Thèse de Baptiste Grard, dirigée par Claire Chenu (Agro Paris Tech, INRA, Université Paris-Saclay) et Nathalie Frascaria-Lacoste (Agro Paris Tech, CNRS, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay), soutenue le 21 décembre 2017 à Agro Paris Tech, 16 rue Claude Bernard à Paris, devant le jury composé :
- M. Jean-Louis Morel, Professeur, Université de Lorraine - ENSAIA Nancy (Laboratoire LSE), Rapporteur
- Mme Laure Vidal-Beaudet, Maître de conférences, Agro Campus Ouest Angers (UP EPhor), Rapporteure
- Luc Abbadie, Professeur, UPMC - iEES Paris (iEES), Examinateur
- Jean Roger-Estrade, Professeur, Agro Paris Tech (Dpt SIAFEE), Examinateur
- Pascal Boivin, Professeur, HEPIA Genève (Dpt Sciences de la vie), Examinateur

Résumé de l’auteur :
Les villes ne cessent de se densifier au détriment des espaces de biodiversité qui corrélativement se réduisent, tout comme les services écosystémiques qui leur sont associés. Face à ce constat, la végétalisation du bâti apparaît comme une alternative indispensable. Dans ce cadre, les toitures végétalisées font partie des outils d'aménagement des villes qui sont en pleine expansion. Ces toitures revêtent différentes formes, s'adaptant aux contraintes et enjeux urbains. Depuis quelques années, une nouvelle forme de toiture végétalisée a émergé : les toitures végétalisées productives (e.g. de biomasse alimentaire). Encore peu développée et mal connue, l'intérêt concernant cette forme de toiture ne cesse de croître. Leur conception, leur aménagement et surtout les services écosystémiques quelles peuvent rendre sont aujourd’hui encore mal connus et nécessitent d’être mieux appréhendés. Clé de voûte des toitures végétalisées, le sol en place influence directement et indirectement les services écosystémiques rendus par celles-ci. En dépit du rôle majeur de ces sols, peu d'études leur sont consacrés. Par ailleurs, des produits non renouvelables tels que la pouzzolane, l’argile expansée ou la tourbe sont aujourd’hui très majoritairement utilisés dans leur composition.
Nous avons étudié des Technosols, c’est à dire des sols reconstitués, de toitures productives composés uniquement de produits issus de résidus du milieu urbain. Ce travail a eu une double ambition : (i) évaluer quantitativement les services écosystémiques rendus et (ii) comprendre les premières phases d’évolution des Technosols. Pour cela, trois dispositifs expérimentaux, installés sur la toiture « Bertrand Ney » de l’école Agro Paris Tech ont été utilisés. Il s’agit de bacs de cultures dans lesquels des sols sont construits, avec des agencements divers de cinq résidus urbains : un compost de déchet vert, du bois broyé, de la brique et de la tuile concassée, un résidu de champignonnière et un compost de biodéchet. Nous avons étudié l’effet des différents types de Technosols construits sur (i) les services écosystémiques rendus, (ii) la production alimentaire (quantitative et qualitative), (iii) la fertilité physico-chimique et (iv) leur évolution temporelle.
Les Technosols construits sont fertiles et permettent une production alimentaire conséquente sur une à cinq années, caractérisée par de faibles teneurs en éléments traces métalliques équivalentes à celles de la moyenne des productions maraichères. L’évaluation quantitatives de services écosystémiques, production alimentaire, recyclage de résidu urbain, rétention des eaux de pluies et qualité des eaux de percolations (C et N), a souligné le caractère multifonctionnel des systèmes étudiés et met en évidence un disservice, qui est une altération de la qualité des eaux de percolation par lixiviation du carbone, pouvant être liée à celle d’autres éléments. Une première phase de pédogénèse rapide et intense est observée, marquée par une forte biodégradation des matériaux et une forte lixiviation. Nos travaux ont mis en lumière l’existence d’un double compromis dans la conception d’un Technosol productif, entre (1) la biodégradation des matériaux (assurant la fourniture des nutriments minéraux aux plantes) et le maintien de la structure et porosité du matériau, donc de sa fertilité physique d’une part et entre (2) la fourniture d’élément nutritifs par biodégradation et la lixiviation, se traduisant par une perte de ces éléments et une altération de la qualité des eaux de percolation d’autre part. La connaissance des propriétés des matériaux utilisés et de ses liens avec les services écosystémiques attendus permet déjà de concevoir des toitures productives multifonctionnelles à partir de résidus urbains et de les gérer de manière durable.

Contact : baptistegrard@gmail.com



Phytodisponibilité du phosphore dans les sols de La Réunion fertilisés avec des résidus organiques sur le long-terme : la dose d’apport est-elle le seul déterminant à prendre en compte ?
Thèse de Cécile Nobile, co-encadrée par Matthieu Bravin (CIRAD, recyclage et risque), Jean-Marie Paillat (CIRAD, recyclage et risque) et Thierry Becquer (IRD, Eco&Sols), soutenue le 20 décembre 2017 à Agro Paris Tech, devant le jury composé de :
- Edith Le Cadre, professeure, Agro Campus Ouest (rapporteure)
- Philippe Hinsinger, directeur de rechercher, INRA Eco & Sols (rapporteur)
- Sabine Houot, directrice de recherche, INRA Eco Sys (examinatrice)
- Michel-Pierre Faucon, enseignant-chercheur, Uni La Salle Beauvais (examinateur)
- Agathe Revallier, ingénieure, Veolia (membre invité).

Résumé de l’auteure :
Le recyclage des résidus organiques (RO) en agriculture pourrait permettre de limiter l’utilisation des ressources minérales de phosphore (P), à condition de déterminer leur efficacité pour fournir du P aux cultures. L’objectif de ce travail était donc d’étudier les mécanismes déterminant l’effet des RO apportés au sol sur la biodisponibilité du P pour la plante (phytodisponibilité). Ce travail a été basé sur cinq essais de terrain à La Réunion, fertilisés sur une décennie avec des fertilisants organiques ou minéraux, et sur des expérimentations d’incubations en conditions contrôlées et de cultures de plantes en pot. Le P inorganique (Pi) et organique (Po) disponible du sol a été déterminé par des extractions (eau, Olsen), la technique des diffusive gradients in thin films (DGT) et la dilution isotopique associée à des membranes échangeuses d’ions. La capacité de sorption en Pi des sols a été évaluée avec des courbes de sorption!
Le P phytodisponible a été déterminé en mesurant le P prélevé par la plante. Dans les différents types de sol (andosol, andique cambisol, nitisol et arenosol), l’apport de RO a augmenté le Pi disponible relativement au Po, suggérant que la minéralisation du Po issu des RO n’est pas un facteur limitant la disponibilité du Pi. Les RO ont augmenté le Pi disponible principalement par l’augmentation du pH du sol et par conséquent la diminution de sa capacité de sorption de Pi. Le P phytodisponible a augmenté avec le Pi disponible du sol, mais a diminué avec l’augmentation du pH du sol. Au-delà de la dose de P, l’effet de l’apport de RO à long-terme sur la phytodisponibilité du P semble principalement contrôlé par l’évolution induite du pH du sol.

Mots-clés : phosphate, indicateur de disponibilité, engrais, carbone organique, Matière fertilisante d’origine résiduaire (Mafor), Coefficient de partitionnement solide-solution (Kd).

Contact : cecile.nobile@cirad.fr



Intérêt d’un amendement organo-minéral pour remédier des sols de friches industrielles multicontaminés en milieu urbain
Thèse d’Adeline Janus, soutenue le 8 décembre 2017 à Lille, devant le jury composé de :
- Mme Isabelle LAMY, DR, INRA Versailles, rapporteur
- M. Thibault STERCKEMAN, IR, INRA Nancy, rapporteur
- Mme Sylvie COTELLE, MCF, Université de Lorraine, examinateur
- M. David HOUBEN, EC, Uni La Salle, examinateur
- M. Eric THERSSEN, PR, Université de Lille 1, examinateur
- M. Francis DOUAY, EC, ISA Lille, directeur de thèse
- Mme Aurélie PELFRENE, IR, ISA Lille, Co-encadrant / Invité
- M. Christophe WATERLOT, EC, ISA Lille, Co-encadrant / Invité

Résumé de l’auteure :
De nos jours, la contamination des sols par les polluants organiques et inorganiques est une problématique majeure. Des techniques douces de remédiation, reposant sur l’utilisation de plantes et de microorganismes, associés à des amendements ou non, sont étudiées pour gérer ces sols. Parmi les différents amendements, le biochar est présenté dans la littérature comme pouvant répondre à ces attentes. Ce travail se propose d’évaluer l’impact des paramètres de pyrolyse sur les caractéristiques de huit biochars élaborés à partir de Miscanthus x giganteus, cultivé sur un sol contaminé en métaux, et de sélectionner le(s) biochar(s) susceptible(s) d’être le(s) plus performant(s) en termes de remédiation de sols contaminés en métaux (Cd, Pb, Zn) et/ou HAP. Il a été mis en évidence une forte influence de la température de pyrolyse sur les caractéristiques des biochars. De plus, les biochars ont présenté de fortes capacités de sorption des trois métaux et des HAP en solution, notamment pour les biochars produits à 600°C. Des expérimentations réalisées avec un sol artificiel et une terre agricole contaminés artificiellement ont mis en évidence la capacité de certains biochars à diminuer la disponibilité environnementale, la biodisponibilité et la bioaccessibilité orale des métaux et des HAP. Sur la base des résultats obtenus, un biochar a été sélectionné comme répondant le mieux aux attentes en termes de gestion de sols multicontaminés. Compte tenu des modifications structurelles du biochar dans les sols, il conviendrait de valider ces résultats sur le long terme, en condition in situ, tout en s’assurant de l’innocuité du biochar étudié et en intégrant les aspects socio-économiques.

Contact : adeline.janus@yncrea.fr




Quantification and modelling of carbon and nitrogen fate in alternative cropping systems experiments on the long term

Thèse de Bénédicte Autret, soutenue le 10 novembre 2017 à Agro Paris Tech, devant le jury composé de :
- M. CARLO GRIGNANI, Universita degli Studi di Torino, rapporteur
- M. Jens LEIFELD, Agroscope, rapporteur
- M. Jorgen Eivin OLESEN, Foulum, Aarhus University, examinateur
- Mme Sylvie RECOUS, INRA, examinatrice
- Mme Joëlle FUSTEC, ESA ANGERS, examinatrice
- M. Bruno MARY, INRA Agro Impact, directeur de thèse.

Résumé de l’auteur :
L'activité agricole peut entraîner un déséquilibre des cycles du carbone (C) et de l'azote (N) dans les écosystèmes terrestres naturels et entrainer une diminution des stocks de C et N dans le sol, une augmentation de la lixiviation du nitrate et des pertes d'azote par voie gazeuse. Pour réduire ces impacts environnementaux, la mise en place de systèmes agricoles innovants et durables est encouragée, tels que les systèmes à bas niveau intrants, l'agriculture de conservation ou l'agriculture biologique. Les objectifs de cette thèse sont i) de quantifier l'impact à long terme des différents systèmes de culture sur le devenir du carbone et de l'azote dans le système sol-plante-atmosphère et ii) de simuler la dynamique de ces éléments avec le modèle agro-environnemental STICS. À cette fin, nous avons étudié trois essais de longue durée : l'essai de La Cage (France) établi en 1998, l'essai DOK (Suisse) débuté en 1978 et l'essai Foulum (Danemark) créé en 1998. Alors que l'essai de La Cage a permis une quantification in situ du stockage du carbone et de l'azote organiques du sol, de la lixiviation de l'azote, des émissions d'oxyde nitreux (N2O) et de la balance de gaz à effet de serre pour des systèmes de culture alternatifs, les essais danois et suisses ont permis l'estimation in silico du devenir du C et N en agriculture biologique, après adaptation du modèle STICS pour simuler de nouvelles pratiques culturales. Après 16 années d’expérimentation, une accumulation annuelle significative de SOC et de SON a été observée en agriculture de conservation et en agriculture biologique à La Cage, alors qu'aucun changement significatif n'a été observé dans les systèmes conventionnels et bas intrants. La minéralisation spécifique de SOC et SON des quatre systèmes, simulée sur AMG et mesurée lors d’incubation des sols pendant quatre mois, s’est montrée équivalente entre systèmes. Le stockage de C et N observé dans les systèmes de conservation et biologiques s’explique principalement par l'augmentation des apports de matière organiques issus des résidus de cultures, plutôt que par l'effet du non-labour pratiqué en agriculture de conservation. De plus, le surplus azoté (différence entre apports et exportations d’azote) a été calculé pour chaque système de culture. Le devenir de l’excédent d’azote a été estimé entre stockage de N dans le sol, pertes gazeuses et lixiviation de l'azote. Les émissions cumulatives de N2O mesurées en continu pendant plus de trois ans sont fortement corrélées avec les pertes totales calculées de N par voix gazeuse (volatilisation et dénitrification), ces pertes étant les plus importantes dans le système de conservation. Enfin, la réalisation d’un bilan complet des émissions de GES a montré de fortes différences entre système et des phénomènes de compensation entre stockage et perte de C et N. Le modèle sol-culture STICS a ensuite été utilisé pour simuler le devenir de l’azote dans les essais DOK et Foulum. Après une adaptation du modèle pour simuler les systèmes en agriculture biologique, sa calibration et son évaluation ont été réalisées. Le modèle a permis de simuler de façon satisfaisante les rendements, l'absorption de N, le surplus de N et l’évolution des stocks de SON dans les systèmes conventionnels et biologiques. Les simulations suggèrent que le devenir de l’azote dans ces systèmes peut être contrasté en fonction de la fertilisation et de la gestion des cultures et que les pertes d'azote ne sont pas systématiquement réduites en agriculture biologique par rapport au conventionnel. Cette thèse remet en question les appréciations simplistes qui associent systématiquement systèmes de culture alternatifs et diminution des impacts environnementaux liés aux cycles de C et N.

Mots-clés : carbone, azote, lessivage, agriculture biologique, gaz à effet de serre, agriculture de conservation.



Évaluation des effets de la pression urbaine sur la qualité des sols de la région Île-de-France sous deux types de végétations (pelouses et bois)

Thèse de Ludovic Foti, soutenue le 23 novembre 2017 à Jussieu (Paris 5e), devant le jury composé de :

- Luc ABBADIE (Professeur à l’UPMC)
- Marie ALEXIS (Maître de Conférences à l’UPMC)
- Marc BARRA (Chargé de mission à Natureparif)
- Jean-Luc CHOTTE (Directeur de Recherche à l’IRD)
- Nathalie FRASCARIA-LACOSTE (Professeure à Agro Paris Tech)
- Julien GASPARINI (Professeur à l’UPMC)
- Jean-Christophe LATA (Maître de Conférences Hors Classe à l’UPMC)
- Jean-Louis MOREL (Professeur à l’Université de Lorraine).

Résumé de l’auteur :
Dans un monde où plus de la moitié de la population mondiale vit en ville, les espaces verts constituent une composante fondamentale du paysage urbain car ils fournissent de nombreux services environnementaux (e.g. purification de l'air et de l'eau, filtrage du vent et du bruit, atténuation de l’îlot de chaleur urbain), mais également des services sociaux et psychologiques (e.g. développement des liens sociaux, réduction du stress) qui revêtent une importance cruciale pour l'habitabilité des villes modernes et le bien-être des citadins. L’efficacité des services écologiques rendus par les espaces verts en ville dépend de la qualité de leur sol et de leur fonctionnement général, et des conditions abiotiques et biotiques dans lesquelles ils se trouvent. De nombreuses études ont mis en évidence l’impact direct et indirect des activités humaines sur les sols urbains. Les pressions anthropiques qu’ils subissent modifient d’une manière très complexe leurs caractéristiques, et impactent donc leur qualité. La qualité des sols urbains est donc aujourd’hui un enjeu majeur pour la durabilité des villes de demain.
Le présent projet de thèse a ainsi cherché à évaluer les effets de la pression urbaine sur les composantes de la qualité des sols d’espaces verts publics de la région Île-de-France à travers l’utilisation d’un gradient de pression urbaine innovant, et selon deux usages de sols (pelouses et bois). Dans un deuxième temps, ce travail de thèse a également cherché à déterminer si la calorimétrie différentielle couplée à l’analyse infra-rouge gazeuse (DSC–EGA) était une méthode adaptée à l’évaluation de la qualité de la matière organique des sols (MOS) urbains, et sur une échelle régionale. Tous les sols sélectionnés dans ce projet de thèse sont classifiés comme Anthrosol. Nos résultats mettent en évidence un effet de la pression urbaine (e.g. industrie, densité de population, trafic routier) sur les composantes de la qualité des sols d’espaces verts de la région Île-de-France. Pour les deux types de milieux (pelouses et bois), les concentrations et enrichissements en éléments traces anthropiques (cadmium, cuivre, plomb et zinc) augmentent et la stabilité de la MOS diminue depuis la zone rurale vers la zone urbaine. L’effet de la pression urbaine apparait comme modulé par le type de milieux, ce qui serait principalement dû à l’histoire de gestion des sols et à leur usage. La densité apparente des sols des pelouses de la zone urbaine est plus élevée (i) que celle des sols des bois de cette zone, principalement parce que ce type d’espace vert est le plus souvent fréquenté par les citadins, (ii) que celle des pelouses des zones péri-urbaine et rurale car la densité de population est plus élevée à Paris. Les sols des bois de la zone urbaine présentent des caractéristiques chimiques, hydriques et physiques différentes des autres sols d’espaces verts de la région. Ils montrent des enrichissements, des contaminations et des degrés de pollutions plus élevés que ceux présents dans les sols des pelouses de cette même zone. Leur MOS apparait également plus stable et moins dense en énergie, ce qui semble par ailleurs expliquer leur plus faible quantité de carbone minéralisable et taux de minéralisation comparé aux sols des pelouses de cette même zone.
L’ensemble de ces différences est probablement attribuable (i) au fait que les bois sont plus anciens que les pelouses de telle sorte que ces sols ont sûrement été plus influencés par les conditions urbaines, (ii) aux héritages de la gestion historique et actuelle des sols en région parisienne.
Malgré la cohérence de l’ensemble de ces résultats, ils soulèvent cependant la difficulté de dresser de grandes généralités sur les caractéristiques des sols urbains parce que (i) les villes constituent une mosaïque d’usages des sols supportant différent types de pressions urbaines et de pratiques de gestion, (ii) les villes ont des histoires diverses qui interagissent de manière très complexe avec les contextes locaux du sol de telle sorte que l'amplitude et la direction de ces effets ne peuvent être prédites sans études locales de l’histoire du développement de ces sols lié au développement des villes.
Ce travail de thèse suggère également que la DSC–EGA permet la détection des effets des conditions urbaines (e.g. activité industrielle, trafic routier, gestion des sols) sur la qualité de la MOS et les conséquences sur l’activité métabolique des microorganismes, la biomasse microbienne et sur la minéralisation du carbone des sols de la région. En conséquence, (i) la mise en lien des indices thermiques de qualité de la MOS avec d’autres variables fondamentales du sol (e.g. diversité des communautés microbiennes), et (ii) une meilleure compréhension des effets de la pression urbaine et des types d’usages des sols sur le fonctionnement des sols d’espaces verts de la région pourraient aboutir à plus ou moins long terme à la création et à la mise en place d’un outil intégratif permettant l’évaluation de la qualité des sols de la région parisienne de manière fiable, simple et abordable. La mise en place d’un tel outil pourrait aider au maintien de ces systèmes, indispensables à la qualité de vie des citadins, et notamment dans le contexte de changement climatique.

Contact : ludovic.foti@etu.upmc.fr ou ludovic.foti@natureparif.fr




Prédiction de la sensibilité biogéochimique et écologique des écosystèmes forestiers français aux dépôts atmosphériques azotés dans un contexte de changement global
Thèse de Simon Rizzetto, soutenue le mardi 24 octobre à 9h à l'amphithéâtre Prunet de l'ENSAT, devant le jury sera composé de :
• M. Patrice CODDEVILLE, Professeur, École des Mines-Télécom de Lille-Douai : Rapporteur
• M. Jean-Luc DUPOUEY, DR INRA, UMR-EEF de Champenoux : Rapporteur
• M. Jean-Paul HETTELINGH, Professeur, RIVM de Bilthoven : Examinateur
• Mme Myriam LEGAY, Chef du pôle R&D de l'ONF de Nancy : Examinateur
• Mme Sabine SAUVAGE, IR CNRS, UMR-Eco Lab de Toulouse : Examinateur
• Mme Anne PROBST, DR CNRS, UMR-Eco Lab de Toulouse : Directeur de thèse
• M. Jean-Claude GÉGOUT, Professeur, UMR-LERFoB de Nancy : co-Directeur de thèse
• Mme Laurence GALSOMIES, ADEME : Membre invité

Résumé de l’auteur :
Depuis des décennies, les dépôts atmosphériques azotés sont connus pour agir de manière sévère sur le fonctionnement des écosystèmes forestiers. Ils influent en effet la biogéochimie du sol, l’équilibre des éléments nutritifs et, en conséquence, la croissance des espèces végétales, la biodiversité végétale de sous-étage et plus globalement la santé des forêts. Dans le cadre de la convention internationale de Genève visant à limiter la pollution atmosphérique transfrontalière à longue distance, le concept de « Charges Critiques », défini à la fin des années 1980, a été retenu comme outil permettant d’évaluer la sensibilité d’un écosystème aux contaminants. Il permet d’estimer la quantité maximale de polluants atmosphériques acceptable par l’écosystème avant apparition de conséquences néfastes à son fonctionnement. De plus, en raison de l’impact des changements globaux sur les processus biogéochimiques régissant le fonctionnement des écosystèmes, l’influence des dépôts atmosphériques et du changement climatique doit être considéré de manière simultanée pour évaluer l’évolution de l’état des écosystèmes au cours du temps. Dès lors l’enjeu majeur est de pouvoir prédire l’effet combiné de ces facteurs sur les écosystèmes forestiers français. C’est l’objectif de ce travail de thèse. Des modèles dynamiques couplés biogéochimiques – écologiques, tels que les modèles For SAFE-VEG ou PROPS, ou écologiques (basés sur la base de données Eco Plant) ont été développés ou adaptés à ces fins, et appliqués à différentes échelles locale, régionale et nationale, selon différents scénarios de dépôts et climatiques.
L’application et la calibration du modèle couplé For SAFE-VEG sur des placettes forestières permanentes du réseau RENECOFOR ont permis de prédire l’évolution de la composition biogéochimique de la solution du sol et en cascade de la composition floristique de trois sites, sous différents scénarios de dépôts atmosphériques et de changement climatique. Les principales évolutions des sites sont liées à leurs caractéristiques stationnelles. Si le changement climatique joue un rôle prédominant sur la réponse des espèces, les écosystèmes oligotrophes restent sensibles aux dépôts de N. A court terme, l’effet combiné des dépôts et du changement climatique sur le long terme est modulé par les effets de la gestion forestière.
L’extrapolation du modèle couplé à plus large échelle nécessite une continuité dans la disponibilité des données d’entrée et de calibration de la réponse des espèces. Les données et scénarios de changement climatiques ont été complétés et actualisés à l’aide du modèle SAFRAN et des nouveaux scénarios RCP régionalisés. La calibration de la réponse des espèces végétales à l’échelle de la France a été réalisée à partir des mesures de la base de données phytoécologiques Eco Plant, par le développement de modèles de distribution d’espèces (SDM), en intégrant simultanément des variables climatiques, édaphiques, d’énergie et de nutrition. Le couplage entre le modèle For SAFE et les SDM assure une modélisation robuste à l’échelle du territoire de la réponse des écosystèmes forestiers dans le temps, calibrée pour les conditions pédoclimatiques françaises.
La modélisation des charges critiques d’acidité, d’eutrophisation et de biodiversité sur l’ensemble des sites RENECOFOR et la totalité des écosystèmes forestiers français montre des sensibilités variées aux dépôts de soufre et d’azote en fonction des écosystèmes, avec parmi les plus sensibles les Landes, la Sologne et le Massif Central. Des indices de qualité des habitats (HSi) ont été calculés à l’échelle de tous les écosystèmes par le modèle PROPS et les SDM. La sélection des espèces représentatives reste primordiale car elle conditionne la valeur finale de HSi. Ce paramètre est l’un des plus sensibles à prendre en compte dans la modélisation. Il est à mettre en relation avec les objectifs de protection des écosystèmes voulus par les gestionnaires.

Simon RIZZETTO
Eco Lab - Laboratoire Ecologie Fonctionnelle et Environnement, UMR 5245 - CNRS/UPS/INPT
Avenue de l'Agrobiopôle 31326 Castanet-Tolosan
Tél. : 05 34 32 39 46



Dynamique des acides aminés des matières organiques des sols: approche par les isotopes stables du carbone
Thèse de Louay Kheirbeik, soutenue le 10 mai 2017 à l’Europôle Méditerranéen de l'Arbois, Aix-en-Provence, devant le jury composé de :
- Mme Siobhan Staunton, Directrice de recherche, INRA, UMR Eco&Sols, Montpellier, rapporteur
- Mme Christine Hatté, Directrice de recherche, CEA, LSCE, Gif-sur-Yvette
- Mme Delphine Derrien, Chercheur, INRA, BEF, Nancy
- M. Roland Bol, Professeur, Univ. Amsterdam et Helmholtz Forschungszentrum, Jülich, rapporteur
- M. Patrick Höhener, Professeur AMU, Laboratoire Chimie Environnement, Marseille
- M. Jérôme Balesdent, Directeur de Recherche, INRA, CEREGE, Aix-en-Provence; Directeur de thèse

Résumé de l’auteur :
Dans un contexte de changements majeurs des cycles de C et de N, cette thèse aborde un point clé du couplage entre ces cycles : la dynamique des molécules organiques azotées des matières organiques du sol (MOS). Les acides aminés du sol (AA) sont combinés dans des composés protéiques ou humiques des matières organiques ; ils constituent le premier réservoir de N de la biosphère et représentent environ un dixième du C des sols.
Par des expériences d'incubation en laboratoire de composés organiques marqués au 13C dans des sols variés, nous avons estimé que les flux de biosynthèse des acides aminés par les micro-organismes du sol lors du processus de décomposition sont de l'ordre de 25 % de la biomasse nouvellement formée. Le profil des acides aminés individuels biosynthétisés de novo est plus dépendant du type de sol que de la nature du substrat. Dans chaque sol, il est très similaire à celui des acides aminés des MOS. La biodégradation de matériaux végétaux marqués en 13C a révélé la transformation rapide des protéines végétales en matériaux microbiens. Ces résultats montrent que les acides aminés des MOS sont d'origine microbienne.
Nous avons mesuré le renouvellement du C des acides aminés à long terme dans les horizons de surface de neuf sites présentant des végétations, climats et types de sol variés, en utilisant la technique de traçage par les abondances naturelles en 13C. L'âge moyen du carbone des AA varie de 50 à 200 ans, et est égal ou légèrement inférieur à celui du carbone organique total du sol. Un modèle simple permet de discuter les hypothèses du recyclage des AA des MOS par les micro-organismes, et la différence entre l'âge des molécules et l'âge de leurs atomes de carbone. Les AA, molécules particulièrement biodégradables, font donc partie des composés anciens des MOS ; la stabilisation physico-chimique est le principal mécanisme expliquant leur âge élevé.
Les rapports isotopiques stables des AA individuels ont été mesurés par chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse isotopique. Cette mesure est difficile en raison de la dérivatisation qu'elle requiert. À cette fin, nous avons développé une méthode d'étalonnage générique pour la détermination du rapport isotopique des composés spécifiques, par analyse de cultures microbiennes uniformément marquées. Au-delà des résultats présentés, l'étude apporte un large ensemble de données sur les profils des AA individuels des sols et examine les variations de l'abondance naturelle en 13C entre les acides aminés individuels.

cerege
INRA PACA




Propriétés de complexation de la matière organique dissoute vis-à-vis du cuivre dans les systèmes sol – plante amendés avec des produits résiduaires organiques
Thèse de Tanalou Djae, soutenue le 28 avril 2017 à Aix-En-Provence, devant le jury composé de :
- Mme Catherine Keller, Professeure, Université Aix-Marseille, Présidente du jury
- Mme Mélanie Davranche, Professeure, Université Rennes 1, Rapporteur
- Mme Laurence Denaix, Directrice de recherche, INRA, Rapporteur
- Mme Isabelle Lamy, Directrice de recherche, INRA, Examinatrice
- Mme Fabienne Muller, Ingénieure ADEME, Examinatrice
- M. Cédric Garnier, Maître de Conférences, Université Toulon, Directeur de thèse
- M. Emmanuel Doelsch, Directeur de recherche, CIRAD, Directeur de thèse
- M. Matthieu Bravin, Chargé de recherche, CIRAD, Encadrant principal

Résumé de l’auteur :
La compréhension des déterminants de la biodisponibilité du cuivre (Cu) dans les sols agricoles recevant des apports de produits résiduaires organiques (Pro) est un enjeu écotoxicologique majeur dans l’optique de préserver la fertilité des sols. La spéciation de Cu dans la solution du sol est classiquement considérée en écotoxicologie prédictive comme le principal déterminant chimique de la biodisponibilité de Cu pour les organismes du sol. Étant donné la forte affinité de Cu pour la matière organique dissoute (MOD), la spéciation de Cu dans la solution du sol est fortement conditionnée par la complexation de Cu avec la MOD. Les modèles de spéciation classiquement utilisés en écotoxicologie prédictive tiennent compte de la variabilité de la concentration en MOD mais sont paramétrés par défaut pour ce qui est des propriétés de complexation (densité et affinité des sites) de la MOD. Pourtant, les apports de Pro et les activités racinaires dans la rhizosphère semblent en mesure de modifier à la fois la concentration et les propriétés de complexation de la MOD. Mes travaux se sont donc proposés (i) de mettre en évidence la variabilité des propriétés de complexation de la MOD dans les systèmes sol-plante recevant des apports de Pro et (ii) d’évaluer l’impact de cette variabilité sur la prédiction de la spéciation de Cu en solution.
À partir d’incubations en conditions contrôlées, la spéciation de Cu en solution a été mesurée sur 55 sols en présence ou non de plantes (effet rhizosphère) ainsi que sur un sol ayant reçu des apports de 10 Pro. Les propriétés de complexation de la MOD ont été estimées par prédiction de la spéciation de Cu en solution à l’aide du Windermere humic aqueous model (WHAM).
Une très grande variabilité des propriétés de complexation de la MOD a été mise en évidence entre les 55 sols étudiés. Les plantes ont induit de fortes modifications des propriétés de complexation de la MOD. Les apports de Pro au sol ont entrainé une augmentation quasiment systématique des propriétés de complexation de la MOD. En plus de la prise en compte des modifications de la concentration en MOD, du pH et de la concentration totale de Cu en solution, la prise en compte de la variabilité des propriétés de complexation de la MOD a permis d’améliorer de façon substantielle la prédiction de la spéciation en solution de Cu par comparaison avec le paramétrage par défaut de WHAM.
La modification des propriétés de complexation de la MOD mise en évidence dans les systèmes sol-plante recevant des apports de Pro semble donc être un déterminant majeur de la spéciation de Cu en solution. La prise en compte de la variabilité des propriétés de complexation de la MOD dans les modèles de spéciation s’avère ainsi nécessaire afin d’assurer une prédiction satisfaisante de la spéciation en solution de Cu et in fine de son écotoxicité.

Mots clés : matière organique dissoute, cuivre, biodisponibilité, modélisation, produits résiduaires
organiques, rhizosphère, sol, spéciation.

Contact : tanalou.djae@cirad.fr



Dynamique couplée de l'hydrogène et du carbone organiques des sols. Approches par isotopes stables pour la prévision du devenir du 3H, 2H, 13C et 14C
Thèse soutenue le 23 mars 2017 au CEREGE à Aix-en-Provence, par Alexia Paul, devant le jury composé de :
- Denis Loustau, Directeur de Recherche INRA, Rapporteur
- Wolfgang Wilcke, Professeur Karlsruhe Institut, Rapporteur
- Séverine Le Dizès, Chercheur IRSN, Examinateur
- Yves Thiry, Chercheur Andra, Examinateur
- Jérôme Balesdent, Directeur de recherche INRA, Directeur de thèse
- Taku Tanaka, Chercheur EDF R&D, Encadrant
- Lucie Pastor, Chercheur Ifremer, Invitée
- Chrisitine Hatté, Chercheur CEA, Invitée.

Résumé de l’auteur :
Le radiocarbone (14C) et le tritium (3H) sont libérés dans l'environnement de manière naturelle et par les activités nucléaires. Une partie de ces isotopes est incorporée dans la biosphère et les sols par photosynthèse et biosynthèses microbiennes. Les rejets de 14C et 3H devant perdurer pendant les prochaines décennies, il est primordial de prévoir leur devenir et leur temps de résidence dans les sols. L'objectif de cette thèse est de proposer une prévision quantitative et une modélisation simple du devenir de 14C et 3H dans les matières organiques du sol (MOS). Nous nous sommes intéressés plus particulièrement au carbone profond des sols et à l'hydrogène organique non-échangeable (HNE). L'originalité de ce travail est double: nous faisons l'hypothèse que l'incorporation et le devenir des atomes d'hydrogène non-échangeable (HNE) dans le sol sont couplés à la dynamique du carbone; l'approche choisie est le traçage naturel ou artificiel par les isotopes stables 13C et 2H.
A travers le traçage naturel par le 13C in situ, nous avons quantifié le carbone récemment incorporé par la végétation sur quelques décennies. Les horizons profonds (> 30 cm) contiennent une part importante de ce carbone (typiquement 20 à 30%). Nous avons alors adapté le modèle Roth C à la dynamique du C profond des sols pour prévoir la rémanence des isotopes du carbone. Typiquement, cela nous a permis de prévoir que 10 % du C ou du 14C persisteront pendant plusieurs siècles dans les couches profondes. Afin de coupler la prévision de la dynamique de l'hydrogène à celle du carbone, nous avons conduit des expériences croisées d'incubation de composés marqués en 13C et 2H (molécule organique et/ou eau). Nous avons montré que l’activité microbienne est le moteur de l’incorporation d’hydrogène de l’eau dans les MOS, validant ainsi l'hypothèse de départ. L’analyse 13C et 2H des MOS, des lipides, et de biomarqueurs microbiens nous a permis d'établir la stoechiométrie CH des biotransformations. Ces expérimentations ont permis de proposer un modèle de la dynamique couplée de C et H des MOS à court et moyen terme (décennies). La simulation prévoit l'incorporation et la rémanence de H ou du 3H dans les MOS. Typiquement 3 à 7% du 3H incorporé persisteront dans les MOS après 20 ans.
Les résultats de cette thèse contribuent également à l'amélioration de l'interprétation des abondances naturelles en isotopes stables 13C et 2H. Une méta-analyse des corrélations entre les teneurs en 13C et 14C de sols mondiaux nous a permis de démontrer que l'enrichissement en 13C des matières organiques profondes peut être expliqué en totalité par le rapport 13C/12C de la végétation dont elles sont issues.



Suivi et modélisation des changements d’usage des terres et stocks de carbone dans les sols et les arbres dans le cadre de la REDD+ à Madagascar - Vers des mesures pertinentes localement et cohérentes à large échelle

Thèse de Clovis Grinand, soutenue le 16 décembre 2016 à Montpellier, devant le jury composé de :
- Frédéric Achard, Rapporteur, Directeur de Recherche, JRC
- Richard Escadafal, Rapporteur, Directeur de Recherche, IRD
- Valéry Gond, Examinateur, Chargé de Recherche, CIRAD
- Philippe Lagacherie, Examinateur, Ingénieur de Recherche, INRA
- Tantely Razafimbelo, Examinateur, Professeur, LRI Université d'Antananarivo
- Martial Bernoux, Co-directeur de thèse, Directeur de Recherche, IRD

Et les invités :
Ghislain Vieilledent, Co-directeur de thèse, Chargé de Recherche, CIRAD
Matthieu Tiberghien, Directeur, Etc Terra

Résumé de l’auteur :
Le changement d’usage des terres, lié à l’agriculture et à la foresterie, engendre une perte importante de biodiversité et représente une part importante de nos émissions de gaz à effet de serre à l’origine du changement climatique. Le mécanisme de Réduction des Émissions liées à la Déforestation et à la Dégradation des forêts, conservation, gestion durable et restauration des stocks de carbone (REDD+) initié il y a dix ans peine à se mettre en place du fait de nombreuses contraintes politiques et scientifiques. Malgré l’existence de lignes directrices élaborées par la communauté scientifique internationale, des outils et données sont nécessaires afin de fournir des informations précises, à moindre coût et utilisables à différentes échelles. L’objectif de cette thèse est de développer des méthodologies innovantes pour réduire les incertitudes sur les estimations des émissions et séquestrations de CO2 associées à la déforestation, dégradation et régénération des terres. Madagascar, pays engagé dans la REDD+ depuis huit ans, et soumis à des pertes importantes de biodiversité et de couvert forestier, est pris comme exemple. Trois études complémentaires ont été réalisées : i) le suivi de la déforestation en région tropicale humide et sèche par satellites, ii) l’estimation des stocks de carbone dans les sols et les forêts et iii) la modélisation des changements d’usage de terres. Nous avons développé une nouvelle méthodologie de suivi de la déforestation à Madagascar permettant de tenir compte de la définition des forêts et d'améliorer la prise en compte des petites parcelles de défriche brûlis. Les chiffres de la déforestation ont ainsi été actualisés jusqu’en 2013. Une méthodologie innovante de cartographie des stocks de carbone dans le sol à des résolutions fines et à des échelles régionales a été mise au point en couplant plusieurs facteurs environnementaux et des inventaires de terrain à l’aide d’un modèle d’arbres de « forêts aléatoires » (Random Forests). Ce modèle spatial du carbone a été appliqué sur des images satellites acquises vingt années plus tôt afin d’évaluer la dégradation des stocks de carbone du sol et leur régénération potentielle. Des facteurs de perte et gain de carbone dans le sol ont pu ainsi être estimés. Enfin, une approche de modélisation des changements d’usage des terres a permis de mieux comprendre les facteurs biophysiques et socio-économiques liés à la déforestation, dégradation des terres et régénération, et de proposer des scénarios spatialisés pour aider les décideurs. Les résultats obtenus dans cette thèse et les méthodologies développées permettent d’alimenter les discussions et documents concernant la stratégie REDD+ de Madagascar. E