Animateur: Jean-Paul LACLAU et Philippe HINSINGER

Participants : 17 Chercheurs et 14 Ingénieurs et Techniciens

Les cycles des nutriments font partie des principaux services de support des agro-écosystèmes. Au cours des 50 dernières années, les hommes ont modifié l’environnement en vue de couvrir leurs besoins croissants en aliments, eau potable, bois, fibres et carburant. Ces changements ont contribué à améliorer le bien-être de l’humanité, au prix d’une dégradation de nombreux services écosystémiques, en particulier les cycles de l’eau et des nutriments, notamment N et P. Ces phénomènes sont la conséquence directe de l’accroissement considérable des intrants agricoles : au cours des 35 dernières années du 20ème siècle, le doublement de la production céréalière mondiale s’est accompagnée d’une augmentation d’un facteur 3,5 des fertilisants phosphatés et 6,9 des fertilisants azotés. Outre les effets sur l’eutrophisation, le coût énergétique considérable et croissant de la synthèse des engrais azotés, ainsi que les impacts en terme d’émission de gaz à effet de serre, rendent caduque la perspective de poursuivre cette augmentation effrénée du recours à la fertilisation azotée. Pour P, la limitation tient à l’épuisement rapide des ressources mondiales en gisements de phosphates naturels exploitables. Par ailleurs, la croissance démographique des pays en développement impose une augmentation de la production agricole. La forte croissance du coût des engrais minéraux risque de réduire davantage la productivité des systèmes agricoles. Un défi scientifique majeur est donc de concevoir des systèmes de culture à bas niveaux d’intrants à la fois productifs, durables et respectueux de l’environnement. Tout comme dans le thème 1 on parle d’intensification écologique des agro-systèmes c’est à dire de système conciliant augmentation de productivité et préservation des services écosystémiques liés aux cycles des nutriments.

Pour répondre à cet enjeu d’intensification écologique des agro-écosystèmes, nos recherches visent à identifier, quantifier et hiérarchiser les processus et facteurs biotiques et abiotiques régulant les flux de nutriments en particulier dans des agro-écosystèmes à bas niveaux d’intrants, de l’échelle du domaine fonctionnel de régulation biologique (rhizosphère, détritusphère, structure biogénique) en lien avec le thème de recherche 1 à celle de l’agro-système en lien avec le thème de recherche 3.

Nos recherches ont pour objet de tester de nouvelles pratiques agronomiques pour gérer les flux de nutriments dans les agro-écosystèmes dans une optique d’intensification écologique.

Ces pratiques sont:

• la gestion des intrants organiques et minéraux,
• le choix du matériel végétal,
• des microorganismes rhizosphériques associés (introduction de génotypes performants),
• le recours à des peuplements complexes (cultures associées, mélange de génotypes ou plantations mixtes).

Nos questions et hypothèses de recherche du thème Nutriments et intensification écologique

La question générale de ce thème de recherche est : quels sont les processus biogéochimiques déterminant l’efficience d’acquisition, d’utilisation et de recyclage des nutriments dans les agroécosystèmes tropicaux et méditerranéens à bas niveaux d’intrants ?
Nos questions spécifiques se déclinent autour des stocks de nutriments dans le sol, de leur biodisponibilité par la plante, de leur allocation dans la plante et de leur recyclage dans l’agro-écosystème.
L’objectif est de construire un modèle spatialisé de dynamique des nutriments dans le système sol-plante et de confronter ce modèle à la mesure. La hiérarchie des processus biologiques (activités et transformations biologiques), géochimiques (apport de nutriments par dissolution /désorption) et physiques (transferts des nutriments dans le sol) de la dynamique des nutriments à l’échelle du segment de racine, de la plante entière et du peuplement est au cœur de ce modèle.

1. Les horizons du sous-sol et les racines profondes joue un rôle décisif dans l’absorption de l’eau ou des nutriments surtout en période sèche. Leur rôle dans l’acquisition des nutriments par la plante entière et dans l’allocation de C au système racinaire profond est réel. Cette hypothèse est testée grâce à des données quantitatives sur la contribution relative de ces racines à la nutrition de la plante entière, par rapport à celles qui colonisent l’horizon de surface, où se concentrent les apports de fertilisants et de litières.

2. Les peuplements complexes, combinant cultures et/ou peuplement non fixatrice d’azote et légumineuses, apparaissent comme des agro-écosystèmes de premier choix dans un contexte d’intensification écologique et d’adaptation au changement global. L’augmentation de productivité des peuplements pluri-spécifiques par rapport aux peuplements monospécifiques s’explique en partie

• par une complémentarité « de niche » résultant d’une prospection différentielle des horizons du sol chez les diverses espèces associées.
• par un accès à des pools de nutriments différents (N2 vs N minéral, P organique vs P minéral) permettant de réduire la compétition pour une même ressource telle qu’elle s’exerce dans un peuplement où tous les individus ont des capacités identiques.
• par la facilitation, c'est-à-dire la fourniture à l’espèce associée d’un nutriment acquis par l’autre espèce.

L’approche expérimentale privilégiée consiste à coupler expérimentation et modélisation numérique. Dans ce cas, l’expérimentation recouvre (i) des expérimentations au champ sur un nombre limité de sites fortement instrumentés pour la mesure exhaustive de l’ensemble des flux au sein de l’agro-écosystème, (ii) des expérimentations agronomiques coordonnées dans des agro-écosystèmes largement représentés en milieu méditerranéen et tropical et (iii) des expérimentations en mésocosmes au laboratoire pour contraindre un maximum de variables et se restreindre à un nombre plus limité de processus.



Une seconde approche, plus légère, de type enquête-observation est également mise en oeuvre sur des réseaux de parcelles pour éprouver le caractère générique des résultats établis avec les approches précédentes, ou pour mettre en évidence des facteurs nutritionnels limitant la production dans un contexte de gestion paysanne. Dans ce cas, les flux mesurés seront très limités, voire remplacés par des indicateurs (e.g. estimateurs de la biodisponibilité, statut nutritionnel de la plante).




La conduite des expérimentations et mesures repose principalement sur deux ateliers (Physico-Chimie et Expérimentation du Vivant) de l’implantation montpelliéraine et impliquera des relations privilégiées avec l’US 49 (Analyses des Sols) du CIRAD.


La modélisation fait appel à un ensemble de codes de calcul (e.g. MIN3P pour les transports réactifs dans le sol, Amap-Sim pour l’architecture racinaire) et vise à les articuler dans une plate-forme.

Les recherches seront conduites principalement sur des cultures annuelles à graines (céréales /légumineuses), des peuplements forestiers et des peuplements à base de cultures pérennes, le plus souvent de type agroforestier, avec dans chaque cas le souci de comparer des peuplements mono- et plurispécifiques.

• Les plantations de ligneux pérennes tropicales, comparant des peuplements mixtes eucalyptus-acacia aux peuplements mono-spécifiques correspondants. Ces plantations sont sur deux sites (Brésil et Congo) fortement instrumentés pour la mesure de l’ensemble des flux de nutriments au sein d’agro-écosystème.
• Les systèmes agroforestiers associant des légumineuses ligneuses pérennes, à des cultures de caféier conduites en agriculture conventionnelle ou en agriculture biologique (Costa Rica) et à des cultures annuelles (Afrique de l’Ouest et Madagascar).
• Les cultures annuelles à bas niveau d’intrant et/ou en agriculture biologique en zone méditerranéenne, comparant des cultures associées blé dur/pois chiche aux cultures mono-spécifiques (France, Mauguio) et en recherche participative avec deux réseaux d’agriculteurs.

Domaines d’application et finalités

• Développement d’indicateurs de la biodisponibilité des nutriments (RHIZOtest pour estimer la biodisponibilité pour les plantes d’éléments traces tels que le cuivre ; la spectroscopie NIRS),
• Partenariat avec des industriels ou de petites structures pour explorer les possibilités de valorisation des ressources minérales ou organiques locales (phosphates naturels micronisés, déchets organiques, bois raméaux fragmentés, etc…).