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Changes in the carbon (C) and nitrogen (N) compartments that result from the addition of organic material (OM) to the soil are predicted by the transformation of added OM (TAO) model with three parameters: very labile (P′L) and stable (PS) fractions of the OM and the rate of remineralization (kremin) of nitrogen immobilized by microorganisms. We propose relations between P′L, PS, kremin and various chemical groups in the OM identified by their 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectra. The aromatic content increased the predicted PS in accordance with published results. The O-aromatic content also increased PS, but much less so than the aromatic content. The carboxyl content decreased PS and increased P′L as in the TAO model based on infrared spectrometry. The carbonyl content decreased P′L, whereas di-O-alkyl increased P′L. The chemical composition of the population of decomposer organisms did not appear to be homeostatic, but was related rather to the composition of the substrate: kremin was positively correlated with the carboxyl and di-O-alkyl content and negatively correlated with the alkyl content. Solid state 13C NMR spectroscopy gave better predictions of the transformations that resulted from adding OM than biochemical fractionation and near infrared reflectance spectrometry (NIRS). It is fast and non-destructive and provides new insights into the processes that control decomposition for research into waste recycling, agro-ecology and climate change.

Introducing nitrogen-fixing species (NFS) in eucalypt plantations is a useful practice to compensate nitrogen loss at harvest, reduce fertilizer inputs, improve soil fertility and sustain forest productivity in low input systems.Nitrogen (N) and carbon (C) were evaluated in the active part of soil organic matter (SOM) i.e., the particulate organic matter (POM), which was obtained after soil (0-0.05 m) physical fractionation at the end of a first 7-year rotation (R1Y7) and at year 2 of a second rotation (R2Y2) in pure acacia (100A), pure eucalypt (100E) and mixed-species (50A50E) stands in an experimental plantation established on an Arenosol in the Congolese coastal plains. N concentration (in g kg(-1) of soil) was higher in coarse POM (cPOM, 4000-250 mu m) in 100A and 50A50E compared to 100E at 2YR2, while no difference was found in fine POM (fPOM, 250-50 gm) and in the organo-mineral fraction (OMF, < 50 mu m). N content in cPOM was more than 3 times higher at R2Y2 than at R1Y7. A slight increase was also observed in fPOM, while no difference was observed in OMF between R1Y7 and R2Y2. Lower C:N ratios in the two POM fractions in 100A and, to a lesser extent, in 50A50E compared to 100E suggests an improved soil N status after acacia trees have been introduced in eucalypt plantations.The lack of difference in N content of coarse POM between 100A and 50A50E at R1Y7, despite higher amount of N in the forest floor and N returning to the soil (harvest residues and litterfall) in 100A than in 50A50E, suggests a faster cycling of nitrogen under acacia than under eucalypt.

L’enjeu de l’agriculture moderne est de produire plus, pour répondre à la demande alimentaire croissante, et mieux, en protégeant l’environnement et la santé humaine. Les prairies permanentes sont reconnues pour les services écosystémiques qu’elles apportent tels que le support de diversité animale et végétale, la production fourragère, le stockage du carbone dans le sol ou encore le maintien de la fertilité des sols. Cependant, les gestions appliquées à la prairie permanente (pâturage, fauche, fertilisation) modifient le cycle de l’azote et peuvent modifier les services écosystémiques. Dans le cadre de mon projet de stage, nous avons étudié sept parcelles expérimentales recouvrant une gamme de mode de gestion de la prairie (pâturage à fort ou faible intensité, fertilisé ou non, gradient de fertilisation en prairies fauchées) afin de mieux comprendre l’impact de la gestion sur les pertes en azote en prairie permanente, que ce soit par lessivage ou par émission gazeuse. Des tests de drainage ont été réalisés mi-avril 2017 sur quatre échantillons de chacune des sept parcelles ; la quantité d’eau lessivée a été mesurée et la teneur en azote minéral quantifiée. Des mesures de flux de protoxyde d’azote (N2O), puissant gaz à effet de serre ont été faites pendant deux périodes : une première période de quatre mesures (fin mars-début avril) et une deuxième de trois mesures (mi-mai). Les résultats montrent que les traitements impliquant des apports d’azote supplémentaires (fertilisation ou pâturage) sont ceux qui présentent le plus de risque de perte d’azote (minéral ou gazeux). Ces mesures ponctuelles doivent être complétées par des analyses sur le long terme pour obtenir des résultats plus fiables et ainsi adapter la gestion de la prairie., The challenge of modern agriculture is to produce more, to meet the growing demand for food, and better, by protecting the environment and human health. Permanent grasslands are recognized for the ecosystem services they provide such as animal and plant diversity, forage production, soil carbon storage, and soil fertility maintenance. However, management practices applied to permanent grassland (grazing, mowing, fertilization) modify the nitrogen cycle and may modify ecosystem services. In this project, we studied seven experimental plots covering a range of grassland management regimes (grazing at high or low intensity, fertilized or not, a gradient of fertilization in mowed grasslands) to better understand the impact of management on nitrogen losses in permanent grassland, whether by leaching or by gaseous emissions. Drainage tests were carried out in mid-April 2017 on four samples from each of the seven plots ; the amount of leached water was measured and the mineral nitrogen was quantified. Measures of nitrous oxide (N2O) fluxes, a powerful greenhouse gas, were made during two periods : a first period of four measures (late March-early April) and a second of three measures (mid-may). The results show that treatments involving additional nitrogen inputs (fertilization or grazing) are those with the greatest risk of nitrogen loss (leaching or gaseous losses). These one-off measures must be supplemented by long-term analyses to achieve more reliable results and contribute to the optimisation of grassland management.

International audience; Soil fungi associated with plant roots, notably ectomycorrhizal (EcM) fungi, are central in above-and below-ground interactions in Mediterranean forests. They are a key component in soil nutrient cycling and plant productivity. Yet, major disturbances of Mediterranean forests, particularly in the Southern Mediterranean basin, are observed due to the greater human pressures and climate changes. These disturbances highly impact forest cover, soil properties and consequently the root-associated fungal communities. The implementation of efficient conservation strategies of Mediterranean forests is thus closely tied to our understanding of root-associated fungal biodiversity and environmental rules driving its diversity and structure. In our study, the root-associated fungal community of Q. suber was analyzed using high-throughput sequencing across three major Moroccan cork oak habitats. Significant differences in root-associated fungal community structures of Q. suber were observed among Moroccan cork oak habitats (Maa A mora, Benslimane, Chefchaoun) subjected to different human disturbance levels (high to low disturbances, respectively). The fungal community structure changes correlated with a wide range of soil properties, notably with pH, C: N ratio (P = 0.0002), and available phosphorus levels (P = 0.0001). More than 90 belowground fungal indicators (P < 0.01)-either of a type of habitat and/or a soil property-were revealed. The results shed light on the ecological significance of ubiquitous ectomycorrhiza (Tomentella, Russula, Cenococcum), and putative sclerotia-associated/ericoid mycorrhizal fungal taxa (Cladophialophora, Oidiodendron) in the Moroccan cork oak forest, and their intraspecific variability regarding their response to land use and soil characteristics.

National audience; Le couplage des cycles du carbone et de l’azote dans les sols est sous le contrôle des communautés microbiennes hétérotrophes, pour lesquelles les matières organiques entrantes (litières végétales aériennes et souterraines, effluents et produits organiques) sont les ressources trophiques. Ce chapitre aborde comment la diversité et l’activité de ces communautés, ainsi que les proportions des éléments majeurs (carbone, azote, soufre, phosphore) des matières organiques vivantes et mortes, déterminent la partition entre le carbone qui est minéralisé, assimilé par les microorganismes, stocké dans les sols, et les flux de nutriments associés. En retour, la nature des couverts végétaux des agrosystèmes, leurs mélanges éventuels, et les ressources en nutriments disponibles, notamment la richesse en azote du sol, structurent les communautés microbiennes du sol et influencent leurs activités. Sur la base de ces connaissances récentes, est illustré comment l’objectif de réduire l’utilisation des fertilisants de synthèse et de limiter les excédents d’azote minéral dans les agrosystèmes, peut être envisagé en favorisant le couplage des cycles biogéochimiques dans les sols grâce à des systèmes de culture basés sur l’utilisation d’espèces cultivées plus diversifiées.

Quantifying the environmental impact of production systems has become a milestone for agricultural commodity chains. Life Cycle Assessment (LCA) is a unique ISO standardized methodology for estimating the environmental impact of human activities along a commodity chain. In the last decade, LCA has become the worldwide standard for environmental product declarations and the baseline model behind various GHG calculators and certifications (e.g. European Directive 2009; RSPO PalmGHG 2012). Various LCA on palm oil products have shown that the agricultural stage is a major contributor to most of the potential environmental impacts, including global warming, eutrophication and acidification for instance. This large contribution is due to combined important nitrogen (N) input levels in the field and low input levels at the mill and refinery stages. The agricultural stage remains a critical contributor even when the system boundary is extended to palm-based biofuel production. Focusing on global warming impact, main contributors are N-related GHG emissions in the plantation and methane emissions from palm oil mill effluent treatment. The impact from the plantation becomes overwhelming when forests or peatland areas are converted to palm plantations. Meanwhile, impact from palm oil mill effluent can be drastically reduced if the biogas is captured with electricity recovery. While nitrogen inputs are critical, LCA models still mostly rely on global emission factor. A better modeling of the nitrogen balance including a better accounting for soil processes would allow for a more accurate diagnosis of environmental impacts and control levers in plantation management.

The main objective of this thesis is to determine the role of microbial communities in N2O emissions from soil, and more specifically to define to what extent fungi are involved. Therefore, their community structure at the micro scale, their behavior in reducing nitrogen and producing N2O, and their impact on nitrogen cycling communities as decomposers in soil were investigated. Analysis of soil fractions of unmanaged, pristine Rothamsted Park Grass soil showed that fungal communities change within isolated fractions in contrast to bacterial communities. Also, nitrifying, denitrifying and N2O reducing potentials were detected in all fractions and found to be linked to carbon and nitrogen chemistry. Pure culture experiments on 24 fungal strains quantifying NO and N2O production from nitrite showed that Fusarium species are true N2O producers among fungi. Monitoring NO revealed that nitrite medium is unstable under anoxic conditions and produces NO abiotically, which implies that low N2O producing strains are actually detoxifying this NO rather than respiring it, as previously assumed. The lack of a nirK - p450nor in most fungi supported this hypothesis. Interspecies relationships between fungi and bacteria were studied following community development after organic matter addition. Different organic amendments triggered distinct responses of a soil community with respect to bacterial and fungal activity. Functional signatures identified in this study corroborated our hypothesis that fungi are involved in N2O production by influencing a N-cycling bacterial community via carbohydrate degradation processes. The results from this thesis provide a basis for exploring interspecies relationships in nitrogen cycling processes in soil and mark a step towards integrating all members of the community in soil ecosystem research., L'objectif principal de cette thèse est de déterminer le rôle des communautés microbiennes dans les émissions de N2O du sol, et plus précisément de définir dans quelle mesure les champignons sont impliqués. Par conséquent, leur structure communautaire à l'échelle micro, leur comportement dans la réduction de l'azote et la production de N2O, et leur interaction avec les communautés microbiennes impliquées dans le cycle de l'azote en tant que décomposeurs de matière organique dans le sol ont été étudiés. L'analyse des fractions de sol du parc Rothamsted a montré que les communautés fongiques changent au sein de fractions isolées, contrairement aux communautés bactériennes. De plus, des potentiels de nitrification, de dénitrification et de réduction de N2O ont été détectés dans toutes les fractions et se sont révélés liés à la chimie du carbone et de l'azote. Des expériences quantifiant la production de NO et N2O à partir de nitrite sur 24 souches de champignons de culture pure ont montré que les espèces de Fusarium sont de véritables producteurs de N2O parmi les champignons. Le suivit de NO a révélé que le milieu de nitrite est instable dans des conditions anoxiques et produit du NO abiotiquement, ce qui implique que des souches produisant du N2O à de faibles taux détoxifient ce NO plutôt que de le respirer, comme précédemment supposé. L’absence d’un nirK - p450nor dans la plupart des champignons a étayé cette hypothèse. Les relations interspécifiques entre champignons et bactéries ont été étudiées après l'addition de matière organique. Différentes modifications organiques ont déclenché des réponses distinctes en termes d’activité bactérienne et fongique sein d'une même communauté de sol. Les signatures fonctionnelles identifiées dans cette étude corroborent notre hypothèse selon laquelle les champignons sont impliqués dans la production de N2O en influençant les bactéries impliquées dans le cycle N par des processus de dégradation de glucides. Les résultats de cette thèse fournissent une base pour explorer les relations interspécifiques dans le cycle biogéochimique de l’azote dans le sol et marque une étape vers l'intégration de tous les membres de la communauté dans la recherche sur les écosystèmes du sol.

Plant-microbes interactions in the rhizosphere of maize inoculated with Azospirillum lipoferum CRT1: implications for soil N-cycling microorganisms. Sfécologie-2016, International Conference of Ecological Sciences

National audience

Intervention présentée aux Journées de l'AFPF, "Les légumineuses fourragères et prairiales : quoi de neuf ?", les 21 et 22 mars 2016; Legumes play an essential role in ecosystems because of their ability to fix atmospheric N; N fixation is largely carried out by leguminous forage species. However, legumes also have other ecological benefits and can contribute to protein autonomy in livestock systems. The amount of N fixed varies across species and depends on growing conditions but can reach 300 kg N/(ha.year) for legumes such as lucerne and red clover. Such N, whose production does not require fossil fuels, is also at very little risk of leaching (some leaching can occur when cover crops are turned under). Perennial legumes can enhance biodiversity (e.g., of grassland plants, soil microflora, insects, and insectivorous animals) and provide nest sites. In short, they promote the persistance of low-input grassland systems and maintain ecosystem diversity at the landscape level.; Les légumineuses sont une composante essentielle des écosystèmes par leur capacité à fixer l'azote atmosphérique et donc à être une source d'azote pour les écosystèmes (variable selon les espèces et les conditions de culture ; elle peut atteindre 300 kg N/(ha.an) pour une luzerne ou un trèfle violet). Cet azote présente l'avantage d'être produit sans utilisation de combustibles fossiles. Dans le contexte des plantes fourragères, sur lesquelles se focalise cet article, les légumineuses permettent de maintenir des écosystèmes prairiaux à bas niveaux d'intrants qui ont en conséquence des pertes d'azote réactif (NH3, N2O, NO3-) limitées vers l'environnement. Des risques demeurent toutefois en cas d'exploitation intensive, ainsi qu'au moment du retournement des prairies contenant des légumineuses, où de grandes quantités d'azote sont alors libérées par la décomposition des matières organiques très dégradables qu'elles contiennent (résidus, fèces).Contribuant à la diversification des systèmes de culture, les légumineuses ont également un ensemble d'effets positifs sur la biodiversité à différents niveaux. Elles stimulent la microflore du sol et les prairies permanentes, qui contiennent généralement des légumineuses et ont habituellement une flore riche. Les légumineuses favorisent de manière générale les populations d'insectes et par conséquent les animaux insectivores, en particulier les oiseaux. Les légumineuses pluriannuelles constituent des refuges pour la nidification de certaines espèces d'oiseaux, pour l'alimentation d'insectes, d'oiseaux et de mammifères. Tous ces effets contribuent à la biodiversité générale à l'échelle du paysage.Les légumineuses prairiales présentent donc un faisceau convergent d'effets positifs pour l'environnement, agissant tant sur le changement climatique, la pollution des eaux et de l'air que sur la biodiversité. Les principaux effets sont sans doute de favoriser la pérennité d'écosystèmes prairiaux à bas niveaux d'intrants et de maintenir la diversité des écosystèmes à l'échelle du paysage.

International audience; – Importance of agricultural transport in the biogeochemical cycle of nitrogen in France: insight into territorial production specialization. The French agriculture, agronomically and economically very efficient, is responsible for significant nitrogen losses to the hydrosystems and the atmosphere, causing severe environmental damages. Based on the analysis of the SitraM database on commodity transport between French administrative departments and with foreign countries, a budget of agricultural goods has been established, in terms of imbedded protein-N fluxes, for seven groups of agricultural commodities. The 95 French departments were grouped into 33 agricultural territories defined according to their geographical proximity and the similarity of their production system. The results show the magnitude of commercial mobility of agricultural goods. Trade exchanges between territories and with foreign countries in 2006 amount to 1.6 fold the national production. Overall, France appears as net exporter of proteins with foreign countries, importing 284 ktonN/yr of feed and exporting 390 ktonN/yr mostly as cereals. The analysis reveals the extreme specialisation of many territories into either cash crop or livestock farming, and allows distinguishing five major territorial ensembles on the basis of the magnitude and destination of their food and feed exchanges. Controlling the nitrogen cycle and its perturbations by agriculture requires taking into account trade fluxes of agricultural commodities.; – L'agriculture française, agronomiquement et économiquement très performante, est responsable d'importantes pertes d'azote vers l'hydrosphère et l'atmosphère, provoquant de graves problèmes environnementaux. À partir de l'analyse de la base de données SitraM sur les transports de marchandises entre départements et avec l'étranger, un bilan des échanges de denrées agricoles, exprimés en flux d'azote protéique contenu, a été établi pour sept groupes de produits agricoles. Les 95 départements français ont été regroupés en 33 territoires agricoles, définis selon leur proximité géographique et la similitude de leur système de production. Les résultats montrent l'ampleur de la mobilité commerciale des denrées agricoles. Les échanges entre territoires et avec l'étranger en 2006 représentent 1,6 fois la production agricole nationale. Globalement, la France apparaît comme exportatrice nette de protéines avec l'étranger, important 284 kilotonne d'azote par an (ktN/an) d'aliments pour bétail et exportant 390 ktN/an principalement sous forme de céréales. L'analyse révèle l'extrême spécialisation de la plupart des territoires, soit vers les grandes cultures, soit vers l'élevage, et fait apparaître cinq grands ensembles de territoires en fonction de l'ampleur et de la destination de leurs échanges commerciaux dominants. La maîtrise du cycle de l'azote et de ses perturbations ne saurait faire l'économie d'une prise en compte des flux commerciaux de denrées agricoles.

Oil palm is the most rapidly expanding tropical perennial crop. Its cultivation raises environmental concerns, notably related to the use of nitrogen (N) fertilisers and the associated pollution and greenhouse gas emissions. While numerous and diverse models exist to estimate N losses from agriculture, very few are currently available for tropical perennial crops. Moreover, there is a lack of critical analysis of their performance in the specific context of tropical perennial cropping systems. We assessed the capacity of 11 models and 29 sub-models to estimate N losses in a typical oil palm plantation over a 25-year growth cycle, through leaching and runoff, and emissions of NH3, N2, N2O, and NOx. Estimates of total N losses were very variable, ranging from 21 to 139 kg N ha−1 yr−1. On average, 31 % of the losses occurred during the first 3 years of the cycle. Nitrate leaching accounted for about 80 % of the losses. A comprehensive Morris sensitivity analysis showed the most influential variables to be soil clay content, rooting depth, and oil palm N uptake. We also compared model estimates with published field measurements. Many challenges remain in modelling processes related to the peculiarities of perennial tropical crop systems such as oil palm more accurately.

In the rhizosphere, the uptake of low-molecular-weight carbon (C) and nitrogen (N) by plant roots has been well documented. While organic N uptake relative to total uptake is important, organic C uptake is supposed to be low relative to the plant's C budget. Recently, radiocarbon analyses demonstrated that a fraction of C from the soil was occluded in amorphous silica micrometric particles that precipitate in plant cells (phytoliths). Here, we investigated whether and to what extent organically derived C absorbed by grass roots can feed the C occluded in phytoliths. For this purpose we added 13C- and 15N-labeled amino acids (AAs) to the silicon-rich hydroponic solution of the grass Festuca arundinacea. The experiment was designed to prevent C leakage from the labeled nutritive solution to the chamber atmosphere. After 14 days of growth, the 13C and 15N enrichments (13C excess and 15N excess) in the roots, stems and leaves as well as phytoliths were measured relative to a control experiment in which no labeled AAs were added. Additionally, the 13C excess was measured at the molecular level, in AAs extracted from roots and stems and leaves. The net uptake of labeled AA-derived 13C reached 4.5 % of the total AA 13C supply. The amount of AA-derived 13C fixed in the plant was minor but not nil (0.28 and 0.10 % of total C in roots and stems/leaves, respectively). Phenylalanine and methionine that were supplied in high amounts to the nutritive solution were more 13C-enriched than other AAs in the plant. This strongly suggested that part of AA-derived 13C was absorbed and translocated into the plant in its original AA form. In phytoliths, AA-derived 13C was detected. Its concentration was on the same order of magnitude as in bulk stems and leaves (0.15 % of the phytolith C). This finding strengthens the body of evidences showing that part of organic compounds occluded in phytoliths can be fed by C entering the plant through the roots. Although this experiment was done in nutrient solution and its relevance for soil C uptake assessment is therefore limited, we discuss plausible forms of AA-derived 13C absorbed and translocated in the plant and eventually fixed in phytoliths, and implications of our results for our understanding of the C cycle at the soil–plant–atmosphere interface

International audience; Dr. Laurent Philippot is Director of Research at the French Institute for Agricultural Research (INRA) and is leading a research group at the department of Agroecology in Dijon. He did a sabbatical at Georgia Tech in Atlanta and at the Swedish University of Agricultural Science (SLU) in Uppsala in 2000 and 2009, respectively. His research focuses on bridging microbial community ecology, microbial processes and ecosystem functioning using microbial guilds involved in nitrogen cycling and greenhouse gas. He is serving as Senior Editor of The ISME Journal and as editorial board member for FEMS Microbiology Ecology, Applied and Environmental Microbiology and Frontiers in Microbiology. He has over 120 peer-reviewed articles in ISI indexed international journals, including Nature Climate Change, Nature Reviews Microbiology, The ISME J, Trends in Plant Science, Global Change Biology, etc. with ISI citations of >6000 and H-index of 43. (Research ID: http://www.researcherid.com/rid/G-5598-2011). He participated in several European research projects such as EcoFinders, NORA and Metaexplore and his currently involved in the ERA-NET Biodiversa project “Digging Deeper”.Soil microorganisms form one of the largest biodiversity reservoirs on earth. They also play essential roles in ecosystem functions such as biogeochemical cycling. However, the importance of microbial diversity for ecosystem functioning is still debated. In this talk, I will give examples of how we addressed this knowledge gap using N-cycling microorganisms as model functional guilds. I will shows that microbial diversity loss can alter terrestrial ecosystem processes, which suggests that the importance of functional redundancy in soil microbial communities has been overstated[1]. We also examined the effectiveness of introducing microbial communities in altered communities, to recover soil biodiversity and functioning. We found consistent patterns within restoration treatments with minor idiosyncratic effects, which suggests the predominance of deterministic processes and the predictability of restoration trajectories. While the diversity of some alternative compositional states could be successfully increased, no significant restoration of soil N-cycle functioning was observed[2]. Finally I will discuss studies showing the importance of microbial community composition for emissions and consumption of N2O, a potent greenhouse gas [3-7].

L'utilisation des ressources organiques (biomasses végétales, déchets organiques) pour la valorisation énergétique en substitution au carbone fossile, impacte les cycles biogéochimiques des agroécosystèmes, à travers les pratiques culturales mises en œuvre lors de la production de la biomasse, mais aussi dans la phase d'usage des biomasses. Ces effets sont illustrés à travers trois exemples : (1) l'impact du choix de l'espèce végétale : cultures annuelles (sorgho et triticale), pluriannuelles (fétuque et luzerne), pérennes (miscanthus et switchgrass) sur les bilans d'eau et de carbone dans les sols ; (2) les effets de la date de récolte de la biomasse du Miscanthus x giganteus, espèce herbacée pérenne, sur le recyclage de l’azote dans la plante et les besoins en fertilisation azotée; ces deux exemples sont issus d’essais réalisés sur la plateforme « biomasse et environnement» Inra à Estrées-Mons (Somme) (3) l’introduction de la méthanisation dans une exploitation agricole et les conséquences sur le bilan de carbone et le cycle biogéochimique de l’azote dans le sol. Les exemples pris montrent la difficulté à connaître et maîtriser les conséquences de l’ensemble des pratiques et facteurs impliqués dans la production ou la transformation des ressources organiques pour minimiser les impacts environnementaux au champ, en raison de la multiplicité des effets, souvent antagonistes, sur les processus biogéochimiques et les flux d’éléments. Au-delà de l’approche à la parcelle, l’étude de ces impacts à une échelle de temps longue (échelle de la rotation et à long-terme), et dans une dimension territoriale (localisation de la ressource organique, types de sol), est indispensable., The uses of organic resources (plant biomasses, organic wastes) for bioenergy in substitution for fossil carbon, impact biogeochemical cycles of agroecosystems in multiple ways: first through cultural practices implemented during the biomass production phase, but also linked to the pathway of biomass use. These effects are illustrated here through three examples: the impact of the choice of the plant species (annual, pluriannual, perennial) on water use and soil carbon balance; (2) the effects of harvest date scenario of miscanthus crop, an herbaceous perennial species, on the recycling of nitrogen and carbon in the plant, and the fertilizer needs; these two examples are taken from field trials of the INRA S. Recous et al. 42 Innovations Agronomiques 54 (2016), 41-58 “biomass and environment” experimental platform of Estrées-Mons (northern France); (3) the introduction of anaerobic digestion at the farm level and the subsequent impacts on the carbon balance and biogeochemical nitrogen cycle in soils. These examples show the difficulty to know and master all the practices and factors involved in the production or processing of organic resources to minimize environmental impacts, due to the multiplicity of effects, often antagonistic, on biogeochemical processes and fluxes. The study of these impacts on a time scale larger than that of a growing season (scale of the rotation, and long-term), and with a territorial dimension (location of the organic resource, soil types), is essential.

Recycling empty fruit bunches (EFBs) in mature oil palm stands usually consists in distributing them over a limited area representing 3%–10% of the plot. The impact of this practice on soil quality, including soil biodiversity, is not well known at the plot scale. We analysed soil physical, chemical, and biological variables. Five zones were defined around the palm tree to assess spatial heterogeneity due to plant cover and application of organic and inorganic fertilisers. Each zone was analysed separately. Our study revealed marked variations in mineral contents around the palm tree, ranging from deficiency to excess or nutrient imbalance in adjacent zones, particularly in available P and K, Mg and pH. Similar variations in macrofauna were observed both in the litter and the soil. Our results demonstrate that the changes caused by plant cover and applications of fertiliser are mainly limited in space, but that earthworm communities move as a function of variations in nutrient availability or stress associated with EFB deposition over time. The Amacher index, adapted to the soil nutrient status for oil palm, indicated that average mineral fertility at the plot scale was rather good. The average density of soil macrofauna and nematofauna was low compared to other tropical ecosystems, but reference data from Indonesia are lacking. Application of EFBs on the harvest path mainly improved the homogeneity of soil quality within the elementary plot around the palm. However these data did not show that recycling EFB stimulates soil fauna communities or carbon sequestration at the plot scale.

EABIOmECT3; Arable soils are a major source of nitrous oxide (N2O). The only known sink in Earth’s biosphere is the reduction of N2O to N2 via the N2O reductase encoded by the nosZ gene, identified as nosZ clade I and II. The nosZI gene is mainly found among denitrifying bacteria, whereas >50% of microorganisms with nosZII lack other denitrification genes. The abundance and phylogenetic diversity of nosZII was previously shown to correlate with a soils N2O sink capacity. To provide a proof of principle, we manipulated 11 indigenous soil microbial communities by increasing the abundance of a non-denitrifying N2O-reducing strain capable of growth with N2O as the only electron acceptor. Consequently, potential N2O emissions were lowered in 1/3 of the soils by 51% in average and the magnitude was significantly influenced by the soil pH and C/N ratio. These results provide direct evidence that non-denitrifying N2O-reducing bacteria can contribute to lowering the net N2O production in soil, which indicates that net N2O emissions are ultimately determined by the relative abundance of specific bacterial taxa with and without nosZ. The relative abundance of these bacterial taxa is known to be influenced by fertilization. Hence, we investigated predictable effects of N fertilizer on microbial communities across 14 Swedish longterm field trials, each with fertilized and non-fertilized treatments. The 16S rRNA and nosZ genes were sequenced, the abundance of denitrification genes quantified and the potential denitrification and N2O production rates determined. The genetic potential for denitrification correlated with the potential activity and high nosZ/nir gene ratios coincided with lower N2O:N2 emission ratios. The nosZII, but not nosZI, community was significantly affected by fertilization and the phylogenetic diversity of nosZII correlated negatively with the N2O:N2 emission ratio. The community data remains to be further analysed to identify factors influencing the overall bacterial and N2O reducing communities.

The introduction of N-2-fixing tree species in fast growing tree plantations is a sustainable management option aiming to reduce the risk of nitrogen (N) deficiency due to a large and frequent exportation of nutrients at harvest. Differences in soil mineral N preferences between Eucalyptus urophylla x grandis and Acacia mangium may, in addition to facilitation related to atmospheric N-2 fixation, contribute to the success of mixed-species plantations of the two species on nutrient-poor soils of the coastal Congolese plains. We tested whether these two species differ in their preference for nitrate or ammonium by supplying either ammonium or nitrate enriched in N-15 to six-month-old potted trees growing in an open-air nursery. Although the uptake of nitrate tended to be higher than that of ammonium by both species, the difference was not significant and there was no significant difference between the species regarding their preferred form of soil mineral N. Despite much lower N contents in foliage, stems, and roots of eucalypt compared to acacia, the specific rates of N uptake were up to three times higher for eucalypt than acacia, which suggests that atmospheric N-2 was the major source of N in the six-month-old acacias. We conclude that N-2 fixation rather than complementarity for soil mineral nitrogen alleviates the competition between species in successful mixed eucalypt and acacia plantations.

Nitrogen (N) losses in agroecosystems are a major environmental and economic issue. This issue is particularly pronounced in oil palm cultivation because oil palm production area is expected to increase to 12 Mha by 2050. N fertilization in oil palm plantations is mainly provided by mineral fertilizers, palm oil mill by-products, and biological fixation using legume cover crops. N loss has a major environmental impact during cultivation. For instance, 48.7 % of the greenhouse gases emitted to produce 1 t of palm oil fruit are due to N fertilization. Actually, there is little comprehensive knowledge on how to calculate N budgets in oil palm plantation in order to optimize fertilization, taking into account N leaching and N gases emissions. Here we modeled knowledge about all N fluxes in an oil palm field following standard management practices of industrial plantations, on a mineral soil, from planting to felling after a 25-year-growth cycle. The largest fluxes are internal fluxes, such as oil palm uptake, with 40–380 kg N ha−1 year−1, and the decomposition of felled palms at the end of the cycle, with 465–642 kg N ha−1. The largest losses are emissions of NH3 and leaching of NO3 −, corresponding to 0.1–42 % and 1–34 % of mineral N applied, respectively. The most uncertain and least documented fluxes are N losses such as N2O, NO x , N2 emissions, leaching, NH3 volatilization, and runoff. The most critical conditions for N losses occur during the immature phase when young palms uptake is low and during the mature phase in areas with sparse soil cover or receiving high amounts of fertilizers. Data is lacking about the effects of management practices on NO3 − leaching and N2O/NO x emissions in those critical conditions.

The composition of grass-legume associations both modifies and is modified by the N cycle. The identity of the plants in the association has an effect on crop-level fixed-N inputs, N transfer while the association is in place, and the N remaining during the rest of the crop rotation cycle. The N used by the grass that is generated by the legume varies: it can reach 60% in white-clover-based associations, 50% in red-clover-based associations and 40% in lucerne-based associations. The percentage of legumes that optimises N transfer to grasses in grazed pastures (30%) is less than the percentage that maximises N fixation in hay meadows (70%). Making improvements to plants so that they can be used in associations, selecting certain plant varieties, and managing plant cover (e.g., via fertilisation, defoliation) are major tools that can be used to fine-tune the balance between the plants composing grass-legume associations. To some degree, these tools can also be used to influence relative contributions to the N balance of crop rotation systems., La composition des associations graminées - légumineuses tout à la fois modifie et résulte du cycle de l'azote. Le choix des constituants a un impact sur les entrées d'azote fixé à l'échelle de la culture, sur les transferts d'azote pendant la durée de l'association, puis sur les reliquats au cours de la rotation.Le type de légumineuse utilisé a un impact majeur sur la dynamique de l'azote sous prairie. La part de l'azote de la graminée issue de la légumineuse peut atteindre 40-60 % dans les associations à base de trèfle blanc, 30-50 % dans celles à base de trèfle violet et 10-40 % dans celles à base de luzerne. Les traits majeurs impliqués sont liés à la pérennité et à la composition biochimique des tissus non récoltés (racines, pivot, stolons) qui distinguent fortement les espèces de légumineuses. La proportion de légumineuse optimale pour les transferts en faveur de la graminée (20-40%) est inférieure à celle maximisant la fixation du couvert (60-80 %). L'amélioration des plantes pour un usage en association, le choix des variétés et la gestion des couverts (fertilisation, défoliation) sont des leviers majeurs pour ajuster l'équilibre entre constituants des associations. Ils permettent dans une certaine mesure de piloter leur contribution au bilan d'azote dans les rotations.

Nitrogen transfer between litter components is often presented as a key mechanism responsible for the synergistic effect of litter mixtures on decomposition rates. The litter cover is a heterogeneous environment stemming from the input of chemically distinct materials and the transfer of nutrients in this patchy environment is likely to fulfil the specific needs of microbial communities in each micro environment. Our study aimed to gain insight into the factors controlling N dynamics within and between leaves" and woody components in the litter cover. We used N-15 labelling to discriminate endogenous and exogenous N and to measure N transfers between three types of litter components, viz. leaves and twigs (L +T), bark and branches, in 162 litter bags for more than 2 years in two Congolese Eucalyptus forests with contrasting N status (low-N vs high-N litter). Large quantities of N were released from N-rich L + Tat the end of the study while early release of leachable N was only observed for the high-N L + T. Exogenous N was only incorporated in N-poor litter components (bark and branches) and a net increase in N compared to the initial quantities only occurred in the low-N bark. The bi-directional N transfers observed between litter components were most likely microbially-mediated rather than driven by abiotic leaching. Nitrogen transfers were controlled by the N status of both source and sink litter components, contrary to the diffusion theory based on concentration gradient. For a given source, more N was transferred to N-rich than to N-poor sink components. Our results suggested that the microbial community might control both the quantity of N available to be transferred to other microsites and the quantity that is actually transferred, presumably because the potential for N immobilization may be limited in N-poor litter components. Interactions among micro-environments can favor chemical convergence from distinct litter components to humified organic matter along the decay continuum.

Sustainable wood production requires appropriate management of commercial forest plantations. Establishment of industrial eucalypt plantations on poor sandy soils leads to a high loss of nutrients including nitrogen (N) after wood harvesting. An ecological intensification of eucalypt plantations was tested with the replacement of half of the Eucalyptus urophylla × E. grandis by Acacia mangium in the eucalypt monoculture to sustain soil fertility through enhancement of the N biological cycle. A randomised block design was set up on ferralitic arenosol in the Congolese coastal plains to assess differences in soil N mineralisation, N fluxes in litterfall, and N stocks in forest floor litter and soil between pure acacia (100A), pure eucalypt (100E) and mixed-species treatments (50A50E). Soil N mineralisation was enhanced under acacia, reaching on average 0.17 and 0.15 mg kg−1 soil d−1 in 100A and 50A50E, respectively, compared with 0.09 mg kg−1 soil d−1 in 100E. Higher amounts of N returning to the soil through harvest residues and litterfall were observed under acacia than under eucalypt. However, N stock in mineral soil was not increased in 100A and exhibited a limited increase only in the top soil layer of 50A50E. Our results suggest a much faster N turnover under acacia than under eucalypt. Although A. mangium is an exotic N2-fixing tree in central Africa, it appears to be well adapted to the climatic and edaphic conditions of the Congo, showing an efficient growth strategy. Eucalypt trees could benefit from the increase in soil N availability in mixed-species stands.Keywords: ammonium, arenosol, Congo, ecological intensification, forest plantation, mixed species, N2 fixation, nitrate

International audience; Nitrate is a limiting resource in heathland acid soils. Nitrate levels increase in heathland soils after Pteridium aquilinum invasions, and this species is assumed to biologically control nitrogen cycle processes, thus increasing nitrate availability. We compared how P. aquilinum (bracken) and Erica cinerea (bell heather) modify processes driving nitrate availability along a soil pH gradient in a Natura 2000 reserve facing bracken invasion. Soil nitrate and ammonium concentrations, substrate‐induced respiration (SIR), denitrification and nitrification enzyme activities (DEA and NEA, respectively), root procyanidin concentrations, and denitrification inhibition by procyanidins were measured on five sites under P. aquilinum and E. cinerea stands. NEA and nitrate levels were higher, and ammonium levels and SIR lower, for P. aquilinum in the most acid soils. Procyanidins from both species induced the same level of denitrification inhibition, soil nitrate being correlated with root procyanidin concentration for both species. Soil nitrate correlated with NEA only for P. aquilinum. Our results show that both species increased procyanidin production in the most acid soils, thereby reducing denitrification and decreasing nitrate loss, this process being more efficient for E. cinerea. However, P. aquilinum additionally increased nitrification, and this double control on nitrification and denitrification was very efficient to increase soil nitrate availability in the most acid soils. This may participate to the success of P. aquilinum invasions in heathlands. This shows that approaches for bracken control in heathlands should better account for belowground processes and, more generally, that biological denitrification inhibition by plants may be a widespread phenomenon influencing soil N dynamics in N‐poor environments.

SUMMARYIn the context of market liberalization and in order to avoid trade distortions, European farmers risk experiencing a restriction of subsidies for market products. Moreover, policy makers cannot underestimate the public concerns about the non-productive functions of agriculture, such as environmental management. The current study illustrates different ways of modelling the trade-offs between environmental sustainability and economic viability for dairy farming systems in Reunion Island. Nitrogen (N) balance at the farm level is the result of complex interactions between pasture and animal management and between bio-technical and socio-economic management. Therefore, different multi-criteria models were tested using a common dynamic bio-economical model that integrated the different sub-systems of the farm and their interactions. Nitrogen excess mitigation in Reunion Island dairy farming systems was used as an illustration of a non-productive objective taken into account in the decision process modelling.The simulations highlighted the necessity to adapt the nitrogen mitigation objective to the technical level of local territories in order to adopt environmentally friendly practices, without jeopardizing the local dairy sector. Moreover, the models generated a different set of solutions that varied according to how non-production functions are integrated in farmers' decision-making processes. This constitutes a relevant basis for discussions between farmers and decision makers.

International audience; The objective of this study was to evaluate the effect of N fertilization and the presence of N2 fixing leguminous trees on soil fluxes of greenhouse gases. For a one year period, we measured soil fluxes of nitrous oxide (N2O), carbon dioxide (CO2) and methane (CH4), related soil parameters (temperature, water-filled pore space, mineral nitrogen content, N mineralization potential) and litterfall in two highly fertilized (250 kg N ha−1 year−1) coffee cultivation: a monoculture (CM) and a culture shaded by the N2 fixing legume species Inga densiflora (CIn). Nitrogen fertilizer addition significantly influenced N2O emissions with 84% of the annual N2O emitted during the post fertilization periods, and temporarily increased soil respiration and decreased CH4 uptakes. The higher annual N2O emissions from the shaded plantation (5.8 ± 0.3 kg N ha−1 year−1) when compared to that from the monoculture (4.3 ± 0.1 kg N ha−1 year−1) was related to the higher N input through litterfall (246 ± 16 kg N ha−1 year−1) and higher potential soil N mineralization rate (3.7 ± 0.2 mg N kg−1 d.w. d−1) in the shaded cultivation when compared to the monoculture (153 ± 6.8 kg N ha−1 year−1 and 2.2 ± 0.2 mg N kg−1 d.w. d−1). This confirms that the presence of N2 fixing shade trees can increase N2O emissions. Annual CO2 and CH4 fluxes of both systems were similar (8.4 ± 2.6 and 7.5 ± 2.3 t C-CO2 ha−1 year−1, −1.1 ± 1.5 and 3.3 ± 1.1 kg C-CH4 ha−1 year−1, respectively in the CIn and CM plantations) but, unexpectedly increased during the dry season.

A multi-site and multi-age set of in situ 15N-labelled litter decomposition experiments was carried out in various European beech forests. The sites presented contrasted situations of climate and humus type that were representative of northern Europe temperate forests. 15N-labelled leaf litter was produced by urea spraying in an experimental beech plot, and was used in litter decomposition experiments over a 3–6-year period, depending on the site. Schemes of decomposition covered a wide range of situations, some of them not expected, like high decay rate on Moder humus forms or slow decomposition on Mull humus form. The objectives of this study were to determine how nitrogen release and/or incorporation rates could characterize litter decomposition dynamics. A carbon and nitrogen coupled model of decomposition based on the quality theory was used to fit the given data. High correlation coefficients and unbiased fitting were obtained both for carbon ( R 2 = 0.96 , p ⩽ 0.0001 , n = 392 ) and nitrogen ( R 2 = 0.86 , p ⩽ 0.0001 , n = 367 ) . The theoretical concept of quality was somewhat lightened and related to decomposer activity: low rates of quality decrease were associated with high decomposition rates, showing that when decomposers are sufficiently supplied with labile carbon from the humus they decompose litter more completely than when they are carbon limited. Provided that the degrading substrate stoichiometry was kept constant (i.e. C loss /N loss ratio), the same litter decomposition could be processed at different rates. Taking seasonal variations of the parameters into account is likely to improve our understanding, but further experiments at more frequent intervals are needed.

National audience; L’utilisation de pesticides permet d’assurer la qualité de la production végétale mais elle contribue à la contamination des sols et des eaux et produit des effets sur des organismes noncibles. L’évaluation des risques requièrent actuellement une meilleure prise en compte des effets des pesticides sur le fonctionnement des écosystèmes. Or, les démarches et indicateurs classiques manquent de représentativité écologique. La fonction microbienne de biodégradation des pesticides est essentielle car elle limite des leur persistance dans les sols. Pourtant l’impact écotoxicologique de contaminations avec de multiples pesticides sur la biodégradation microbienne des pesticides et d’autres activités microbiennes des cycles du carbone et de l’azote n’est pas documenté. Dans le but d’explorer ces questions, une expérimentation en microcosmes a été mise en place sur 3 types de sols (sableux, limoneux et argileux) traités ou non (contrôle) avec soit du glyphosate, du tebuconazole, du dimetomorphe ou soit un mélange des trois pesticides (aux doses agronomiques). Des analyses ont été réalisées pour décrire le devenir des pesticides et définir le scénario d’exposition des communautés microbiennes. D’autres ont été conduites pour évaluer l’impact de la contamination par ces pesticides sur i) l’abondance (qPCR) et l’activité de biodégradation microbienne (radiorespirométrie); ii) des activités enzymatiques extracellulaires (AEE), et iii) l’activité de nitrification potentielle et l’abondance de la communauté nitrifiante (qPCR). Les principaux résultats de cette étude seront présentés lors de cette conférence.

Potentially toxic cyanobacteria blooms often occur in eutrophic aquatic ecosystems. While many studies have been published on their ecology and toxicity, few have investigated the interactions between cyanobacteria and their associated chimiotrophic bacteria within the phycosphere. This latter is the subject of this thesis. Using both natural ecosystems and laboratory approaches, we show that the structure and composition of bacterial communities (BC) associated with cyanobacteria are different from those that are not under the direct influence of the cyanobacteria. These associated communities are dominated by bacteria that have a high affinity for organic matter (OM) and are composed of specialist species that are always found in association with cyanobacteria and generalist species that can grow in any OM rich environments. Our results also revealed that the associated BC differs structurally and functionally between diazotrophic and non- diazotrophic cyanobacteria. We also specifically investigated the bacteria involved in the nitrogen cycle knowing that this element, with phosphorus, is often limiting for the growth of cyanobacteria. Our results show that several essential steps in this cycle appear to be rather done by the BC that is not under the direct influence of cyanobacteria, which suggests the existence of a decoupling between the MO and nitrogen cycles between associated and non-associated BC., Les écosystèmes aquatiques eutrophes sont souvent perturbés par des proliférations de cyanobactéries potentiellement toxiques. Si de nombreux travaux ont été publiés sur leur écologie et leur toxicité, peu d'entre eux concernent leurs interactions avec les bactéries chimiotrophes qui leur sont associées au sein de la phycosphère, ce qui a motivé cette thèse. Par des travaux réalisés sur des écosystèmes naturels et des approches en laboratoire, nous montrons que les communautés bactériennes (CB) associées aux cyanobactéries ont une structure et une composition différentes de celles qui ne subissent pas leur influence directe. Ces communautés associées sont dominées par des bactéries ayant une forte affinité pour la matière organique (MO) et réunissant des espèces spécialistes toujours retrouvées en association avec des cyanobactéries et des espèces généralistes capables de se développer dans tous les environnements riches en MO. Nos travaux ont aussi révélé que les CB présentent des différences structurelles et fonctionnelles selon le genre de cyanobactéries auquel elles sont associées, et notamment selon leur capacité à fixer ou non l'azote atmosphérique. Enfin, un focus particulier a été porté sur les bactéries impliquées dans le cycle de l'azote sachant que cet élément est avec le phosphore, souvent limitant pour la croissance des cyanobactéries. Nos résultats montrent que plusieurs étapes essentielles de ce cycle semblent être plutôt effectuées par la CB qui n'est pas sous l'influence directe des cyanobactéries ce qui suggère l'existence d'un découplage dans l'exploitation de la MO et dans le cycle de l'azote entre CB associées et non associées aux cyanobactéries.

Confrontée aux besoins alimentaires d’une population croissante, l’agriculture mondiale doit faire face à de multiples enjeux (économiques, agro-écologiques, environnementaux, sociaux et sociétaux). Selon les estimations, il faudrait, pour répondre à ces besoins, que l’agriculture mondiale parvienne d’ici à 2050 à augmenter sa production de 70%, tout en continuant à fournir des services essentiels tels que la préservation de la qualité de l’air, des sols et des eaux, l’entretien du paysage ou le maintien de la qualité de vie en milieu rural. L’agriculture contribue à hauteur de 10 % aux émissions de gaz à effet de serre d’origine anthropique et est la première source d’intrants émis dans l’environnement. Une meilleure gestion des ressources, des intrants et des territoires, notamment les paysages, nécessite de mieux comprendre et évaluer les flux de matières, notamment l’azote, dans les territoires. L’hypothèse générale sous-jacente aux travaux présentés dans ce mémoire est que l’atténuation des pertes environnementales et la durabilité de l’agriculture et des agro-écosystèmes (économique, agro-écologique, environnementale, sociale, sociétale) nécessite de repenser leur structure, et ainsi leurs fonctionnalités, dans un contexte de changements globaux. Cette hypothèse générale a été testée dans plusieurs cas particuliers, mettant en œuvre différents contextes géographiques (donc politiques et socio-économiques), scientifiques et thématiques (donc disciplinaires et d’équipes) et à plusieurs échelles spatio-temporelles (de l’organe ou agrégat de sol jusqu’à la région en passant par la plante, le peuplement ou la parcelle, l’exploitation agricole, le paysage). Les recherches ont ainsi porté sur des systèmes complexes pour lesquels la modélisation est un outil d’investigation incontournable en complément des données issues d’expérimentations au champ ou en conditions contrôlées, d’inventaires ou d’enquêtes auprès des agriculteurs. Mes premières expériences en Aquitaine puis en Afrique sahélienne m’ont fait découvrir comment la recherche pouvait contribuer à une meilleure gestion des ressources (sylviculture, agriculture, agro-pastoralisme…) à des échelles régionales, en utilisant diverses méthodes de représentation des structures (télédétection et données satellitaires, systèmes d’information géographique) et d’analyse (modélisation, analyses statistiques de données) des fonctions de production de ces territoires. Les résultats de recherche obtenus ensuite dans plusieurs équipes de l’INRA et en collaboration inter-disciplinaire ont montré, à partir de modèles et de scénarios à différentes échelles, le rôle des interactions spatiales entre les structures des systèmes étudiés (plantes et peuplements décrits spatialement en trois dimensions dans une première phase, exploitations agricoles et paysages décrits spatialement dans une deuxième phase) et leurs fonctions (acquisition et répartition des assimilats azotés et carbonés dans la première phase, production de biomasse, pertes environnementales et émissions indirectes d’azote dans la deuxième phase). Ces travaux ont montré l’intérêt de tenir compte de ces interactions pour améliorer la gestion des plantes et des peuplements d’une part et des paysages et des territoires d’autre part, en relation avec la gestion des intrants et les forçages pédo-climatiques. Mes perspectives sont de continuer à contribuer aux recherches visant à mieux évaluer les impacts environnementaux des activités agricoles, notamment par la compréhension et la quantification des flux et bilans d’azote ainsi que des relations structures-fonctions dans les agro-écosystèmes à différentes échelles. Ces travaux seront principalement menés, au moins dans un premier temps, sur les flux d’azote, en lien avec les flux de carbone et d’eau. Ils pourront ensuite être étendus à d’autres intrants (e.g. pesticides, produits résiduaires organiques) ou d’autres éléments majeurs (e.g. phosphore). Ces recherches devraient aboutir à la production d’outils et de références (modèles, bases de données, scénarios agro-environnementaux) pour tester, de manière quantitative (i.e. à partir d’approches mécanistes, basées sur les processus, et intégrées), différentes évolutions des agro-écosystèmes. Ces modèles seront des outils pour aider à proposer des pistes et des recommandations pour atténuer les pertes environnementales d’azote et/ou adapter les systèmes de production et l’organisation des territoires aux changements globaux. Ces recherches ont aussi une finalité appliquée, dans le sens où les outils développés pourront aussi devenir à terme des outils opérationnels de raisonnement de la gestion de l’azote et de l’espace dans les agro-écosystèmes, Facing the food needs of a growing population, global agriculture faces multiple challenges (economic, agro-ecological, environmental, social and societal). According to estimates, it would be necessary for meeting these needs that global agriculture increases its production by 70% by 2050, while continuing to provide essential services such as the preservation of air, soil and water quality, landscape maintenance or life quality in rural areas. Agriculture contributes to 10% of the greenhouse gas emissions from human activities and represents the main source of emissions into the environment from agricultural inputs. Better management of resources, inputs and territories, including landscapes, requires a better understanding and assessment of flows especially nitrogen in territories. The general hypothesis underlying the work presented in this report is that mitigation of environmental losses and sustainability of agriculture and agro-ecosystems (economic, agroecological, environmental, social, societal) requires rethinking their structure and thus their functionalities in the context of global change. This general hypothesis was tested in several cases corresponding to different geographical (thus political and socio-economic), scientific and thematic (thus disciplines and teams) contexts and to multiple spatial and temporal scales (from the organ or soil aggregate up to the region through the plant, the stand or the plot, the farm and the landscape scales). My researches therefore focused on complex systems for which modelling is an essential tool in addition to data collected from field experiments or under controlled conditions, farm surveys or landscape inventories. My first experiences in Aquitaine and in Sahelian Africa helped me discover how research can contribute to better management of resources (forestry, agriculture, agro-pastoralism...) at regional scales, using various methods of representation of the structures (remote sensing and satellite data, geographic information systems) and analysis (modelling, statistical analysis of data) of the production functions within territories. The results obtained in my subsequent researches in several INRA teams and in interdisciplinary collaboration showed, using models and scenarios at different scales, the role of spatial interactions between the structures of the studied systems (plants and stands explicitly described in 3D in a first phase, landscapes spatially described in a second phase) and their functions (acquisition and distribution of nitrogen and carbon assimilates in the first phase, biomass production, environmental losses and indirect emissions of nitrogen in the second phase). These studies showed the importance of taking account such interactions to improve the plant and stand management on one hand and the landscape and territoriy management on the other hand, in relation to the management of agriculural inputs and soil and climate forcings. My perspectives are to continue to contribute to researches aiming at better assessing the environmental impacts of agricultural activities, including the understanding and quantification of nitrogen flows and balances and structure-function relationships in agro-ecosystems at different scales. This work will be carried out at least initially on nitrogen flows in relation to carbon and water flows. They may be extended to other inputs (eg pesticides, organic waste products) or other major elements (eg phosphorus). My researches should lead to the production of tools and references (models, databases, agro-environmental scenarios) to test quantitatively (ie from mechanistic, process-based and integrated approaches), various changes in agro-ecosystems. The produced models will be tools to contribute towards proposing insights and recommendations to mitigate environmental losses of nitrogen and/or adapt production systems and territories to global change. My researches have also an applied objective, in the sense that the tools developed may become operational tools for managing nitrogen and space in agro-ecosystems.

La digestion anaérobie est un mode de traitement biologique de déchets organiques qui se développe fortement en France. En plus de produire de l’énergie, le digestat issu du procédé a des caractéristiques qui devraient lui conférer un potentiel agronomique intéressant. L’objectif de ce travail était d’étudier l’effet d’apport au sol de digestats de méthanisation sur les cycles biogéochimiques du C et du N, en particulier leur potentiel de stockage de C dans les sols et la disponibilité potentielle du N pour les plantes, ainsi que sur les émissions de N2O associées à leur apport. L’accent a été mis sur la variation de ces effets avec le type de déchets entrants en digestion et les post-traitements subis après la digestion. Ces travaux ont reposé sur des expérimentations en laboratoire, un essai de courte durée au champ et la modélisation. Cinq types de digestat ont été utilisés, trois d’origine agricole et deux issus du traitement de déchets urbains issus ou non de collecte sélective. Quatre digestats bruts sont issus de méthanisation par voie humide et subissent une séparation de phase produisant deux digestats : liquide et solide. Le dernier digestat est issu de méthanisation par voie sèche. Les deux digestats solides d’origine urbaine subissent ensuite un compostage. Par ailleurs le séchage et l’osmose inverse ont été testés sur 2 des filières agricoles. Les digestats d’origine agricole ont les pouvoirs fertilisant et amendant les plus importants. Le post-traitement par séparation de phase permet de distinguer un produit solide destiné à entretenir les stocks de C du sol qui peut être amélioré encore par le compostage et un produit liquide qui a un pouvoir fertilisant plus important. Les digestats bruts, solides et liquides sont tous caractérisés par une fraction résiduelle de C facilement biodégradable variant de 3 à 71% de leur carbone, associée au C de la fraction extractible à l’eau chaude des digestats. La stabilité du C des digestats augmente dans l’ordre liquide18%, solides et compostés ont un caractère amendant intéressant. Les digestats de méthanisation ont un fort pouvoir fertilisant azoté, essentiellement lié à la fraction de N ammoniacal présente initialement dans les digestats. Les C/N organiques relativement élevés génèrent des tendances à l’organisation du N associées à la dégradation de la MO résiduelle des digestats. Un jeu de paramètres homogènes a pu être déterminé pour simuler avec le modèle CANTIS les cinétiques de minéralisation de C et de N après apport des digestats. Ce jeu de paramètres homogènes permet au modèle CANTIS de valider les relations entre le maintien du stock C et la valeur fertilisante des digestats et leurs propriétés biochimiques. Les digestats bruts sont ceux pour lesquels les émissions de N2O après apport sont les plus fortes. Les post-traitements par séparation de phase et compostage diminuent ces émissions, les post-traitements par séchage ou osmose inverse les accentuent montrant la difficulté à associer intérêt agronomique maximal et absence d’impacts environnementaux. Au champ, une forte perte d’azote minéral est constatée après apport des digestats, sans doute liée à la volatilisation de l’azote ammoniacal. Les digestats non compostés présentent des coefficients équivalent engrais compris entre 0.37 et 0.52 sans qu’on ait pu mettre en évidence d’effet de l’origine des déchets traités et de la séparation de phase. En revanche le compostage diminue de plus de 80% l’équivalence à l’engrais azoté.

Quantifying global patterns of terrestrial nitrogen (N) cycling is central to predicting future patterns of primary productivity, carbon sequestration, nutrient fluxes to aquatic systems, and climate forcing. With limited direct measures of soil N cycling at the global scale, syntheses of the 15N:14N ratio of soil organic matter across climate gradients provide key insights into understanding global patterns of N cycling. In synthesizing data from over 6000 soil samples, we show strong global relationships among soil N isotopes, mean annual temperature (MAT), mean annual precipitation (MAP), and the concentrations of organic carbon and clay in soil. In both hot ecosystems and dry ecosystems, soil organic matter was more enriched in 15N than in corresponding cold ecosystems or wet ecosystems. Below a MAT of 9.8°C, soil δ15N was invariant with MAT. At the global scale, soil organic C concentrations also declined with increasing MAT and decreasing MAP. After standardizing for variation among mineral soils in soil C and clay concentrations, soil δ15N showed no consistent trends across global climate and latitudinal gradients. Our analyses could place new constraints on interpretations of patterns of ecosystem N cycling and global budgets of gaseous N loss. Fil: Craine, Joseph M. Kansas State University. Division of Biology; Estados Unidos Fil: Elmore, Andrew J. University of Maryland Center for Environmental Science. Appalachian Laboratory; Estados Unidos Fil: Wang, Lixing. Indiana University-Purdue University Department of Earth Sciences; Estados Unidos Fil: Augusto, Laurent. INRA. Bordeaux Sciences Agro; Francia Fil: Baisden, Troy. GNS Science. National Isotope Centre; Nueva Zelanda Fil: Brookshire, E.N.J. Montana State University. Department of Land Resources and Environmental Sciences; Estados Unidos Fil: Cramer, Michael D. University of Cape Town. Department of Biological Sciences; Sudáfrica Fil: Hasselquist, Niles. Swedish University of Agricultural Sciences. Forest Ecology and Management; Suecia Fil: Hobbie, Erik A. University of New Hampshire. Earth Systems Research Center; Estados Unidos Fil: Kahmen, Ansgar. Departement of Environmental Sciences - Botany; Suiza Fil: Kaba, Keisuke. Tokyo University of Agriculture and Technology. Institute of Agriculture; Japón Fil: Kranabetter, M. British Columbia (Canadá). Ministry of Forests, Lands and Natural Resource Operations; Canadá Fil: Mack, M. University of Florida. Department of Biology; Estados Unidos Fil: Marin-Spiotta, E. University of Wisconsin. Department of Geography; Estados Unidos Fil: Mayor, J.R. Swedish University of Agricultural Sciences. Department of Forest Ecology & Management; Suecia Fil: McLauchlan, K.K. Kansas State University. Department of Geography; Estados Unidos Fil: Michelsen, A. University of Copenhagen. Department of Biology; Dinamarca Fil: Nardoto, G.B. Universidade de Brasília. Faculdade UnB Planaltina; Brasil Fil: Oliveira, R.S. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Biologia. Departamento de Biologia Vegetal; Brasil Fil: Perakis, S.S. Forest and Rangeland Ecosystem Science Center; Estados Unidos Fil: Peri, Pablo Luis. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Estación Experimental Agropecuaria Santa Cruz; Argentina. Universidad Nacional de la Patagonia Austral; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina Fil: Quesada, C. Instituto Nacional de Pesquisas da Amazonia. Coordenação de Dinâmica Ambiental; Brasil Fil: Richter, A. University of Vienna. Department of Terrestrial Ecosystem Research; Austria Fil: Schipper, L.A. University of Waikato. Environmental Research Institute; Nueva Zelanda Fil: Stevenson, B.A. Landcare Research; Nueva Zelanda Fil: Turner, B.L. Smithsonian Tropical Research Institute; Panamá Fil: Viani, R.A.G. Universidade Federal de São Carlos. Centro de Ciências Agrárias; Brasil Fil: Wanek, W. University of Vienna. Department of Terrestrial Ecosystem Research; Austria Fil: Zeller, B. INRA Nancy. Biogéochimie des Ecosystèmes Forestiers; Francia

ENGLISH:The natural nitrogen cycle has been and is significantly perturbed by anthropogenic emissions of reactive nitrogen (Nr) compounds into the atmosphere, resulting from our production of energy and food. In the last century global ammonia (NH3) emissions have doubled and represent nowadays more than half of total the Nr emissions. NH3 is also the principal atmospheric base in the atmosphere and rapidly forms aerosols by reaction with acids. It is therefore a species of high relevance for the Earth's environment, climate and human health (Chapter 1). As a short-lived species, NH3 is highly variable in time and space, and while ground based measurements are possible, they are sparse and their spatial coverage is largely heterogeneous. Consequently, global spatial and temporal patterns of NH3 emissions are poorly understood and account for the largest uncertainties in the nitrogen cycle. The aim of this work is to assess distributions and saptiotemporal variability of NH3 using satellite measurements to improve our understanding of its contribution to the global nitrogen cycle and its related effects.Recently, satellite instruments have demonstrated their abilities to measure NH3 and to supplement the sparse surface measuring network by providing global total columns daily. The Infrared Atmospheric Sounding Interferometer (IASI), on board MetOp platforms, is measuring NH3 at a high spatiotemporal resolution. IASI circles the Earth in a polar Sun-synchronous orbit, covering the globe twice a day with a circular pixel size of 12km diameter at nadir and with overpass times at 9:30 and 21:30 (local solar time when crossing the equator). An improved retrieval scheme based on the calculation of Hyperspectral Range Index (HRI) is detailed in Chapter 2 and compared with previous retrieval methods. This approach fully exploits the hyperspectral nature of IASI by using a broader spectral range (800-1200 cm-1) where NH3 is optically active. It allows retrieving total columns from IASI spectra globally and twice a day without large computational resources and with an improved detection limit. More specifically the retrieval procedure involves two steps: the calculation of a dimensionless spectral index (HRI) and the conversion of this index into NH3 total columns using look-up tables (LUTs) built from forward radiative transfer simulations under various atmospheric conditions. The retrieval also includes an error characterization of the retrieved column, which is of utmost importance for further analysis and comparisons. Global distributions using five years of data (1 November 2007 to 31 October 2012) from IASI/MetOp-A are presented and analyzed separately for the morning and evening overpasses. The advantage of the HRI-based retrieval scheme over other methods, in particular to identify smaller emission sources and transport patterns over the oceans is shown. The benefit of the high spatial sampling and resolution of IASI is highlighted with the regional distribution over China and the first four-year time series are briefly discussed.We evaluate four years (1 January 2008 to 31 December 2011) of IASI-NH3 columns from the morning observations and of LOTOS-EUROS model simulations over Europe and Western Russia. We describe the methodology applied to account for the variable retrieval sensitivity of IASI measurements in Chapter 3. The four year mean distributions highlight three main agricultural hotspots in Europe: The Po Valley, the continental part of Northwestern Europe, and the Ebro Valley. A general good agreement between IASI and LOTOS-EUROS is shown, not only over source regions but also over remote areas and over seas when transport is observed. The yearly analyses reveal that, on average, the measured NH3 columns are higher than the modeled ones. Large discrepancies are observed over industrial areas in Eastern Europe and Russia pointing to underestimated if not missing emissions in the underlying inventories. For the three hotspots areas, we show that the seasonality between IASI and LOTOS-EUROS matches when the sensitivity of the satellite measurements is taken into account. The best agreement is found in the Netherlands, both in magnitude and timing, most likely as the fixed emission timing pattern was determined from experimental data sets from this country. Moreover, comparisons of the daily time series indicate that although the dynamic of the model is in reasonable agreement with the measurements, the model may suffer from a possible misrepresentation of emission timing and magnitude. Overall, the distinct temporal patterns observed for the three sites underline the need for improved timing of emissions. Finally, the study of the Russian fires event of 2010 shows that NH3 modeled plumes are not enough dispersed, which is confirmed with a comparison using in situ measurements.Chapter 4 describes the comparisons of IASI-NH3 measurements with several independent ground-based and airborne data sets. Even though the in situ data are sparse, we show that the yearly distributions are broadly consistent. For the monthly analyzes we use ground-based measurements in Europe, China and Africa. Overall, IASI-derived concentrations are in fair agreement but are also characterized by less variability. Statistically significant correlations are found for several sites, but low slopes and high intercepts are calculated in all cases. At least three reasons can explain this: (1) the lack of representativity of the point surface measurement for the large IASI pixel, (2) the use of a single profile shape in the retrieval scheme over land, which does therefore not account for a varying boundary layer height, (3) the impact of the averaging procedure applied to satellite measurements to obtain a consistent quantity to compare with the in situ monthly data. The use of hourly surface measurements and of airborne data sets allows assessing IASI individual observations. Much higher correlation coefficients are found in particular when comparing IASI-derived volume mixing ratio with vertically resolved measurements performed from the NOAA WP-3D airplane during CalNex campaign in 2010. The results demonstrate the need, for validation of the satellite columns, of measurements performed at various altitudes and covering a large part of the satellite footprint.The six-year of IASI observations available at the end of this thesis are used to analyze regional time series for the first time (Chapter 5). More precisely, we use the IASI measurements over that period (1 January 2008 to 31 December 2013) to identify seasonal patterns and inter-annual variability at subcontinental scale. This is achieved by looking at global composite seasonal means and monthly time series over 12 regions around the world (Europe, Eastern Russia and Northern Asia, Australia, Mexico, South America, 2 sub-regions for Northern America and South Asia, 3 sub-regions for Africa), considering separately but simultaneously measurements from IASI morning and evening overpasses. The seasonal cycle is inferred for the majority of these regions. The relations between the NH3 atmospheric abundance and emission processes is emphasized at smaller regional scale by extracting at high spatial resolution the global climatology of the month of maxima columns. In some region, the predominance of a single source appears clearly (e.g. agriculture in Europe and North America, fires in central South Africa and South America), while in others a composite of source processes on small scale is demonstrated (e.g. Northern Central Africa and Southwestern Asia).Chapter 6 presents the achievements of this thesis, as well as ongoing activities and future perspectives.FRANCAIS:Le cycle naturel de l'azote est fortement perturbé suite aux émissions atmosphériques de composés azotés réactifs (Nr) résultant de nos besoins accrus en énergie et en nourriture. Les émissions d'ammoniac (NH3) ont doublé au cours du siècle dernier, représentant aujourd'hui plus de la moitié des émissions totales de Nr. De plus, le NH3 étant le principal composé basique de notre atmosphère, il réagit rapidement avec les composés acides pour former des aérosols. C'est dès lors un constituant prépondérant pour l'environnement, le climat et la santé publique. Les problématiques environnementales y étant liées sont décrites au Chapitre 1. En tant que gaz en trace le NH3 se caractérise par une importante variabilité spatiale et temporelle. Bien que des mesures in situ soient possibles, elles sont souvent rares et couvrent le globe de façon hétérogène. Il en résulte un manque de connaissance sur l'évolution temporelle et la variabilité spatiale des émissions, ainsi que de leurs amplitudes, qui représentent les plus grandes incertitudes pour le cycle de l'azote (également décrites au Chapitre 1).Récemment, les sondeurs spatiaux opérant dans l'infrarouge ont démontré leurs capacités à mesurer le NH3 et par là à compléter le réseau d'observations de surface. Particulièrement, l'Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge (IASI), à bord de la plateforme MetOp, mesure le NH3 à une relativement haute résolution spatiotemporelle. Il couvre le globe deux fois par jour, grâce à son orbite polaire et son balayage autour du nadir, avec un temps de passage à 9h30 et à 21h30 (temps solaire local quand il croise l'équateur). Une nouvelle méthode de restitution des concentrations basée sur le calcul d'un index hyperspectral sans dimension (HRI) est détaillée et comparée aux méthodes précédentes au Chapitre 2. Cette méthode permet d'exploiter de manière plus approfondie le caractère hyperspectral de IASI en se basant sur une bande spectrale plus étendue (800-1200 cm-1) au sein de laquelle le NH3 est optiquement actif. Nous décrivons comment restituer ces concentrations deux fois par jour sans nécessiter de grandes ressources informatiques et avec un meilleur seuil de détection. Plus spécifiquement, la procédure de restitution des concentrations consiste en deux étapes: le HRI est calculé dans un premier temps pour chaque spectre puis est ensuite converti en une colonne totale de NH3 à l'aide de tables de conversions. Ces tables ont été construites sur base de simulations de transfert radiatif effectuées pour différentes conditions atmosphériques. Le processus de restitution des concentrations comprend également le calcul d'une erreur sur la colonne mesurée. Des distributions globales moyennées sur cinq ans (du 1 novembre 2007 au 31 Octobre 2012) sont présentées et analysées séparément pour le passage diurne et nocturne de IASI. L'avantage de ce nouvel algorithme par rapport aux autres méthodes, permettant l'identification de sources plus faibles de NH3 ainsi que du transport depuis les sources terrestres au-dessus des océans, est démontré. Le bénéfice de la haute couverture spatiale et temporelle de IASI est mis en exergue par une description régionale au-dessus de la Chine ainsi que par l'analyse de premières séries temporelles hémisphériques sur quatre ans.Au Chapitre 3, nous évaluons quatre ans (du 1 janvier 2008 au 31 décembre 2011) de mesures matinales de IASI ainsi que de simulations du modèle LOTOS-EUROS, effectuées au-dessus de l'Europe et de l'ouest de la Russie. Nous décrivons une méthodologie pour prendre en compte, dans la comparaison avec le modèle, la sensibilité variable de l'instrument IASI pour le NH3. Les comparaisons montrent alors une bonne concordance générale entre les mesures et les simulations. Les distributions pointent trois régions sources: la vallée du Pô, le nord-ouest de l'Europe continentale et la vallée de l'Ebre. L'analyse des distributions annuelles montre qu'en moyenne, les colonnes de NH3 mesurées sont plus élevées que celles simulées, à part pour quelques cas spécifiques. Des différences importantes ont été identifiées au-dessus de zones industrielles en Europe de l'est et en Russie, ce qui tend à incriminer une sub-estimation voire une absence de ces sources dans les inventaires d'émissions utilisés en entrée du modèle. Nous avons également montré que la saisonnalité est bien reproduite une fois la sensibilité des mesures satellites prise en compte. La meilleure concordance entre le modèle et IASI est observée pour les Pays-Bas, ce qui est certainement dû au fait que le profil temporel des émissions utilisé pour les simulations LOTOS-EUROS est basé sur des études expérimentales réalisées dans ce pays. L'étude des séries temporelles journalières indique que la dynamique du modèle est raisonnablement en accord avec les mesures mais pointe néanmoins une possible mauvaise représentation du profil temporel ainsi que de l'ampleur des émissions. Finalement, l'étude des importants feux ayant eu cours en Russie à l'été 2010 a montré que les panaches modélisés sont moins étendus que ceux observés, ce qui a été confirmé grâce à une comparaison avec des mesures sols.Le chapitre 4 est dédié à la confrontation des mesures IASI avec différents jeux de données indépendants acquis depuis le sol et par avion. Les distributions globales annuelles sont concordantes, bien que la couverture spatiale des mesures sols soit limitée. Des mesures effectuées à la surface en Europe, en Chine et en Afrique sont utilisées pour les comparaisons mensuelles. Ces dernières révèlent une bonne concordance générale, bien que les mesures satellites montrent une plus faible amplitude de variations de concentrations. Des corrélations statistiquement significatives ont été calculées pour de nombreux sites, mais les régressions linéaires sont caractérisées par des pentes faibles et des ordonnées à l'origine élevées dans tous les cas. Au minimum, trois raisons contribuent à expliquer cela: (1) le manque de représentativité des mesures ponctuelles pour l'étendue des pixels IASI, (2) l'utilisation d'une seule forme de profil vertical pour la restitution des concentrations, qui ne prend dès lors pas en compte la hauteur de la couche limite, (3) l'impact de la procédure utilisée pour moyenner les observations satellites afin d'obtenir des quantités comparables aux mesures sols mensuelles. La prise en compte de mesures en surface effectuées à plus haute résolution temporelle ainsi que de mesures faites depuis un avion permet d'évaluer les observations IASI individuelles. Les coefficients de corrélation calculés sont bien plus élevés, en particulier pour la comparaison avec les mesures effectuées depuis l'avion NOAA WP-3D pendant la campagne CalNex en 2010. Ces résultats démontrent la nécessité de ce type d'observations, effectuées à différentes altitudes et couvrant une plus grande surface du pixel, pour valider les colonnes IASI-NH3.Les six ans de données IASI disponibles à la fin de cette thèse sont utilisées pour tracer les premières séries temporelles sub-continentales (Chapitre 5). Plus spécifiquement, nous explorons les mesures IASI durant cette période (du 1 janvier 2008 jusqu'au 31 décembre 2013) pour identifier des structures saisonnières ainsi que la variabilité inter-annuelle à l'échelle sous-continentale. Pour arriver à cela, des moyennes saisonnières composites ont été produites ainsi que des séries temporelles mensuelles au-dessus de 12 régions du globe (Europe, est de la Russie et nord de l'Asie, Australie, Mexique, Amérique du Sud, 2 sous-régions en Amérique du nord et en Asie du sud et 3 sous-régions en Afrique), considérant séparément mais simultanément les mesures matinales et nocturnes de IASI. Le cycle saisonnier est raisonnablement bien décrit pour la plupart des régions. La relation entre la quantité de NH3 atmosphérique et ses sources d'émission est mise en exergue à l'échelle plus régionale par l'extraction à haute résolution spatiale d'une climatologie des mois de colonnes maximales. Dans certaines régions, la prédominance d'un processus source apparait clairement (par exemple l'agriculture en Europe et en Amérique du nord, les feux en Afrique du Sud et en Amérique du Sud), alors que, pour d'autres, la diversité des sources d'émissions est démontrée (par exemple pour le nord de l'Afrique centrale et l'Asie du sud-ouest).Le Chapitre 6 reprend brièvement les principaux aboutissements de cette thèse et présente les différentes recherches en cours et les perspectives associées., Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique, info:eu-repo/semantics/nonPublished

La nécessité d'accroître la production agricole à travers le monde paraît en contradiction avec l'urgence de réduire les impacts environnementaux de l'agriculture intensive. Les systèmes intégrant agriculture et élevage sont une stratégie appropriée : les résultats expérimentaux de longue durée illustrent le potentiel de ces systèmes, de niveau supérieur de diversité.[br/] L'intensification des systèmes, et leur spécialisation, conduit au découplage des cycles du carbone et de l'azote, favorisant les pertes dans l'environnement. Un compromis entre intensification et préservation de l'environnement est apporté par les systèmes avec rotations prairies - cultures annuelles. Les prairies permettent de stocker du C, limitent les flux d'azote vers l'eau du sol et l'air, même avec une fertilisation azotée de 100-200 kg N/an. Les phénomènes de réorganisation par les microbes du sol sont complexes et dépendent des conditions climatiques. Le retournement des prairies accélère brutalement la dégradation de la matière organique du sol mais son effet sur l'environnement peut être atténué. L'étude des flux de C et de N sur un dispositif de longue durée confirme ces résultats., The intensification and specialisation of farming systems leads to the decoupling of the carbon and nitrogen cycles, which results in nutrients being lost to the environment. The use of ley-arable rotations can help strike a better balance between intensification and environmental preservation. Pastures can be used to enhance C storage and limit flows of N to wet soils and the air, even when nitrogen fertilisation levels reach 100-200kg N/year. Soil bacteria process nutrients in complex, climate-dependent ways. When pastures are ploughed up, soil organic matter swiftly degrades; however, the resulting environmental effects can be mitigated. Research on C and N flows at a long-term study site supports these findings.

The growing concern about side-effects of policies focusing on economic growth or even technological innovations, as well as agriculture intensification leads more and more stakeholders to pay attention to the questions of monitoring and evaluation of agricultural practices. This step of evaluation is now essential in policy decision, in research and design of innovative solutions, in NGOs’ development projects, as well as in improvement process in ISO certification. The aim of this article is to review steps in the evaluation of sustainability in agriculture, starting in a first section with the necessity to develop a conceptual indicator framework to precise evaluators’ own vision of sustainability. In a second section, we address the necessity to answer preliminary questions that will guide the selection of a set of indicators or an assessment method. In a third section, after discussing the way to categorize indicators, we provide an overview of available indicators for two sustainability themes of the environmental dimension regarding respectively nitrogen management and biodiversity. In a fourth section, we highlight the diversity of evaluation methods of sustainability through six examples in France. Finally we conclude the article with a general discussion on questions that remain to address.

National audience

L’utilisation de pesticides permet d’assurer la qualité de la production végétale mais elle contribue à la contamination des sols et des eaux et produit des effets sur des organismes noncibles. L’évaluation des risques requièrent actuellement une meilleure prise en compte des effets des pesticides sur le fonctionnement des écosystèmes. Or, les démarches et indicateurs classiques manquent de représentativité écologique. La fonction microbienne de biodégradation des pesticides est essentielle car elle limite des leur persistance dans les sols. Pourtant l’impact écotoxicologique de contaminations avec de multiples pesticides sur la biodégradation microbienne des pesticides et d’autres activités microbiennes des cycles du carbone et de l’azote n’est pas documenté. Dans le but d’explorer ces questions, une expérimentation en microcosmes a été mise en place sur 3 types de sols (sableux, limoneux et argileux) traités ou non (contrôle) avec soit du glyphosate, du tebuconazole, du dimetomorphe ou soit un mélange des trois pesticides (aux doses agronomiques). Des analyses ont été réalisées pour décrire le devenir des pesticides et définir le scénario d’exposition des communautés microbiennes. D’autres ont été conduites pour évaluer l’impact de la contamination par ces pesticides sur i) l’abondance (qPCR) et l’activité de biodégradation microbienne (radiorespirométrie); ii) des activités enzymatiques extracellulaires (AEE), et iii) l’activité de nitrification potentielle et l’abondance de la communauté nitrifiante (qPCR). Les principaux résultats de cette étude seront présentés lors de cette conférence.

Dans les systèmes agropastoraux d'Afrique de l'ouest les résidus de récolte disponibles sur les parcelles récoltées au sein des territoires villageois constituent une source capitale de fertilisants organiques pour l'entretien de la productivité des sols des exploitations agricoles. Leur accès est régi par les règles de vaines pâtures instaurées par les autorités traditionnelles qui autorisent la consommation des résidus de récolte par les troupeaux du village et ceux des troupeaux transhumants. Des contrats de fumure entre producteurs sans troupeaux et producteurs détenteurs de troupeaux permettent ainsi des restitutions de fumure sur les parcelles des premiers en échange de résidus. Ces règles et contrats se traduisent par des flux de biomasses (résidus de récolte et fumure organique) et des transferts de fertilité des sols entre exploitations agricoles au sein du territoire villageois. La croissance démographique rapide observée en Afrique de l'Ouest accompagnée du développement de la traction animale a conduit à une augmentation des surfaces cultivées, des effectifs animaux et à une saturation de l'espace agricole. La disparition associée des contrats de fumure entre les exploitations s'est traduite par une accumulation de fertilité sur les parcelles des producteurs détenteurs de troupeaux au détriment de ceux sans troupeaux. L'objectif de cette thèse est d'explorer différents scénarios de changements de flux de nutriments à l'échelle du territoire villageois sur le fonctionnement des systèmes agropastoraux et la productivité du sol afin de contribuer à l'élaboration de cadres de gestion des ressources agropastorales (résidus de récolte et herbes de pâturage). On a construit quatre types d'exploitation sur la base de leurs capacités de production (nombre d'animaux, main d'oeuvre, équipement, etc.) et des objectifs de production. On a choisi trois exploitations par type (12 exploitations au total par village) pour lesquelles on : i) a quantifié tous les flux de ressources organiques et inorganiques à trois niveaux : l'exploitation, les sous-systèmes de l'exploitation, et les parcelles de l'exploitation ; et ii) évalué l'efficacité de l'utilisation des nutriments et réaliser les bilans en nutriments. Un modèle multi-agents a été développé prenant en compte les transferts de biomasses et des nutriments entre les différentes exploitations agricoles. Les effets de changements climatiques (baisse de 25 % de la pluviométrie par rapport à celle observée dans la zone d'étude) et de l'introduction de 10 % ou 30 % de l'agriculture de conservation sur la production de grain de maïs et la fumure organique chez les exploitations agricoles ont été explorés. Quatre types d'exploitation ont été identifies : producteur d'agriculture de subsistance (SO), producteur intégré au marché (MO), l'agriculteur –éleveur (AE) et l'éleveur – agriculteur (EA). Les deux derniers types d'exploitation collectent au moins 50 % de leurs résidus de récolte qu'ils conservent comme stock fourrager, contre 30 % pour les autres types. Les animaux des types, AE et EA consomment aussi 90 % des résidus restant sur leurs parcelles avant de consommer ceux sur les parcelles des autres types d'exploitation. Le fumier de bovins disponibles dans le village est principalement utilisé pour fertiliser les champs des types d'exploitation, AE et EA. Ces dernières présentent souvent des bilans en nutriments positifs. Les rendements moyens de cultures principales et l'efficience agronomique de l'azote moyen observé étaient beaucoup plus faibles, et de larges écarts ont été révélés entre les types d'exploitations. La conversion de 30 % de superficie cultivable en agriculture de conservation a un résultat négatif sur la production en grain de maïs à l'échelle du territoire villageois mais positif à l'échelle de l'exploitation pour les types SO et MO. Dans le scénario climatique, les types éleveur – agriculteur et agriculteur -éleveur subissent de manière générale les plus grandes baisses de productions en grain et en fumure organique que les autres types. L'amélioration de la gestion interne de nutriments grâce à un meilleur recyclage des biomasses, et l'utilisation plus efficace des engrais disponible est la première option pour les exploitations à faible facultés en ressources de production.

La fertilité des sols, notion centrale pour accroître la production des écosystèmes cultivés, est une réalité complexe : elle résulte de l'expression des composantes biologiques, physiques et chimiques des sols et de leurs interactions. Comprendre les mécanismes impliqués permet d'envisager les effets de modifications de pratiques ou de système de culture sur la fertilité. La fertilité est ici décrite comme la capacité des sols à fournir les éléments nutritifs nécessaires à l'alimentation des plantes. Le cycle de l'azote et ses relations avec la dynamique des matières organiques y joue un rôle central ; il est couplé au cycle du carbone par l'activité microbienne hétérotrophe qui minéralise (parfois très rapidement) les résidus de récolte. Les interactions entre processus chimiques, physiques et biologiques du sol sont décrites. Il est ainsi possible d'analyser l'influence de pratiques culturales comme la simplification ou la suppression du labour, l'insertion ou la destruction de prairies temporaires dans les rotations et d'envisager une agriculture reposant davantage sur le recyclage des matières organiques et le fonctionnement biologique du sol., In this study, soil fertility is defined as the ability of soils to furnish necessary nutrients to plants. It is a consequence of the biological, chemical, and physical properties of soils and their interactions. The nitrogen cycle and its relationship with soil organic matter dynamics play a key role; the nitrogen cycle is linked to the carbon cycle by the activity of soil bacteria. Here, we describe the interactions between various biological, chemical, and physical processes that take place in the soil. It is thus possible to examine the effects of cultivation practices, such as limiting or eliminating ploughing, including temporary pastures in rotations, and destroying temporary pastures as part of the rotation cycle. One can also envision an agricultural approach that promotes the recycling of organic matter and the soil's biological functions.

Manufactured metallic nanoparticles (NPs) are emerging pollutants of soils due to their increasing utilization in numerous commercial products (cosmetics, food, paint…). In vitro studies have demonstrated NPs toxicity on microorganisms but data are still scarce on the fate and ecotoxicity of these contaminants in soils. The objective of this thesis was to assess the influence of soil properties on (i) the physicochemical characteristics and the transport of NPs, and (ii) on the NPs toxicity on soil microbial communities, especially on microbial functional groups involved in carbon and nitrogen cycles. This work highlighted that soil properties influenced the aggregation and the surface charges of titanium dioxide NPs (TiO2-NPs) and copper oxide NPs (CuO-NPs). In the six agricultural soils studied, we observed a very low transport of the two NPs in a soil column experiment. We observed a low toxicity of TiO2-NPs for soil microbial communities, except in a silty-clay soil with a high organic matter content. In this soil, microbial activities (soil respiration, nitrification and denitrification) and nitrifier abundances were strongly decreased and archaeal and bacterial community structure were altered after 90 days of exposure. Furthermore in this soil, we observed decreases of nitrification activity, even for very low TiO2-NPs concentrations (0.05 mg kg-1) which were explained by a high sensitivity of ammonia-oxidizing archaea (AOA) involved in this process. Additional studies in soil columns demonstrated that chronic contamination with TiO2-NPs caused more deleterious effects on nitrification than acute contamination, Les nanoparticules métalliques manufacturées (NPs) sont des polluants émergents dont la concentration augmente dans les sols en raison de leur utilisation croissante dans de nombreux produits commerciaux de la vie courante (cosmétiques, aliments, peintures…). Des études in vitro ont montré la toxicité des NPs pour les microorganismes, mais il existe encore peu de données sur l'écotoxicité et le devenir de ces contaminants dans les sols. L'objectif de cette thèse est donc d'évaluer l'influence des paramètres abiotiques du sol sur (i) les caractéristiques physico-chimiques et le transfert des NPs, et (ii) sur la toxicité des NPs pour les communautés microbiennes du sol, en particulier pour des groupes fonctionnels microbiens impliqués dans le cycle du carbone et de l'azote. Nous avons mis en évidence que les propriétés du sol influençaient l'agrégation et la charge de surface des NPs de dioxyde de titane (TiO2) et d'oxyde de cuivre (CuO). Dans les six sols agricoles étudiés, nous avons observé un transport très faible des NPs testées lors d'une expérimentation en colonnes de sols. Nous avons mis en évidence une absence de toxicité des NPs de TiO2 sur les communautés microbiennes, sauf dans un sol limono-argileux à forte teneur en matière organique. Dans ce sol, des effets négatifs ont été observés après 90 jours d'exposition sur les activités microbiennes, sur l'abondance des microorganismes nitrifiants et la diversité des bactéries et des archées. Des études complémentaires en colonnes de sol, ont permis de mettre en évidence des effets délétères des NPs plus importants que la nitrification lors d'une contamination chronique au TiO2 que lors d'une contamination aigüe

absent

National audience

The present PhD work was carried out within the project EPEC (Epuration en Eau Courante) funded by an ANR program, ECOTECH, in order to meet the requirements of Water Framework Directive for small streams, in particular in rural areas where domestic wastewater could be directly discharged by reason of lack of sewerage network and contribute to water quality degradation. Two study directions have been taken: i) the first aimed to study natural purification in stream systems and find out the way to improve water quality, and 2) the second concerned the reduction of the impact of wastewater treatment plants (WWTP) discharge to receiving water bodies by installation of a free-surface constructed wetland between them. Three study scales were investigated within two rural streams of Lorraine, Brénon and St-Oger. At stream scale, characterization of water quality along its course allowed us to distinguish some segments where occurred naturel purification processes. The second study scale was on relevant stream sections presenting interesting hydromorphologic features. These sections were located at the downstream of urban areas and present a succession of rectified and naturel segments. The response of naturel sections to domestic pollutants was different for the two streams. The Brénon section length of about 6 km was efficient for organic matter, ammonium nitrogen and nitrates removal. Concerning the St-Oger stream, the pollutants were less influenced in the natural section long of only 0.5 km. The last study scale focused on the hyporheic zone where system function depends on hydromorphologic features of the stream, composition of streambed, especially its porosity, and hydrologic conditions which depends on climate. According to analysis on hyporheic waters sampled at -30 and -50 cm for Brénon and -20 and -30 cm for St-Oger, four functional zones were distinguished in relation with dissolved oxygen availability and possible water exchange between hyporheic zone and surface water: (1) aerobic zones at high hyporheic exchange showing contribution to organic matter degradation and oxidation of ammonium nitrogen; (2) Anoxic zones with less hyporheic exchange characterized by fast dissolved oxygen depletion by aerobic microbial metabolism and reduction of nitrates; (3) Anoxic zones with low hyporheic exchange characterized by accumulation of salts in deep layers and reduction of nitrates and sulfates and (4) “closed” zones characterized by clogged spaces or very low hydraulic conductivity. These functions could be partially reproduced in laboratory within a porous bed reactor simulating an hyporheic zone. Free-surface wetlands are spaces constructed between the discharge point of the WWTP and the receiving watercourse, here small streams in rural areas, with the aim to finish the waste water treatment. The wetlands had shown high capacity to remove nitrates and phosphates in summer periods. However a production of dissolved organic carbon was noticed and results from plant decomposition (reed, duckweed, algae, etc.). Algae contributed to high oxygen production through photosynthesis in spring. This production progressively decreased with the proliferation of duckweed on the water surface. Two biological tests on sediment's potentiality for denitrification and methane production were carried out at laboratory scale in order to corroborate the field observations; Cette thèse s’est déroulée dans le cadre du projet EPEC (Epuration en Eau Courante) soutenu par le programme ECOTECH 2010 de l’ANR. Ce projet doit permettre d’aider à répondre aux exigences de la Directive Cadre sur l’Eau pour les petits cours d’eau en zone rurale. Deux voies ont été explorées i) la première vise à étudier et à proposer des moyens d’améliorer la capacité d’épuration au sein de systèmes naturels, en s’appuyant sur des observations réalisées sur deux cours d’eau en Lorraine (Brénon et St-Oger) ii) la seconde concerne la réduction des impacts sur le milieu récepteur des rejets de stations d’épuration en milieu rural par l’étude du fonctionnement de zones de rejet végétalisées (ou ZRV) à la sortie de ces stations. A l’échelle de la rivière, la caractérisation sur tout son cours permet de distinguer les zones les plus susceptibles de présenter des phénomènes d’autoépuration marqués. Cela a permis, en combinaison avec des caractérisations hydromorphologiques, de sélectionner pour chacun tronçon de taille plus réduite. Ces tronçons sont localisés en aval de zones urbanisées et présentent une succession de parties rectifiées et de parties naturelles. La réponse du tronçon naturel face aux polluants domestiques est différente selon le cours d’eau. Le tronçon naturel du Brénon, d’une longueur d’environ 6 km était efficace en termes d’abattement des matières organiques, de l’azote ammoniacal et des nitrates. Quant au St-Oger, les polluants ont été beaucoup moins influencés dans le tronçon naturel dont la longueur n’était que de 0.5 km. La troisième échelle s’est intéressée au compartiment hyporhéique dont le comportement est déterminé par les caractéristiques hydromorphologiques du cours d’eau, la composition du substrat et notamment sa porosité, et les conditions hydrologiques qui varient en fonction des aléas climatiques. A partir de prélèvements dans la zone hyporhéique (- 30 et -50 cm pour le Brénon et -20 et -30 cm pour le St-Oger), quatre types de fonctionnement ont été distingués en fonction de la disponibilité en oxygène dissous et des échanges possibles entre la zone hyporhéique et l’eau de surface : (1) les zones aérobies à échange hyporhéique important contribuent à la dégradation des matières organiques et à l’oxydation de l’azote ammoniacal ; (2) les zones anoxiques à échange hyporhéique moindre caractérisées par une épuisement rapide de l’oxygène dissous par le biais de métabolismes microbiens aérobies et par une réduction des nitrates ; (3) les zones anoxiques à faible échange hyporhéique caractérisées par une accumulation des sels en profondeur et une réduction des nitrates et sulfates et (4) les zones fermées caractérisées soit par présence du colmatage soit par une très faible conductivité hydraulique. Ces fonctionnements ont pu partiellement être reproduits au laboratoire dans un réacteur à lit poreux permettant de simuler la zone hyporhéique. Le terme de ZRV est utilisé pour décrire des espaces aménagés entre le point de rejet de station d'épuration en amont et le milieu récepteur en aval, dans le but de réaliser un traitement de finition des eaux résiduaires traitées. Ces ZRV ont montré une forte capacité à éliminer les nitrates et les phosphates en période estivale, mais une production de carbone organique dissous a aussi été notée lié à la décomposition des macrophytes (phragmites, lentilles d’eau, algues, etc). En plus, une forte production d’oxygène par la photosynthèse des algues a été observée au printemps. Cependant, cette production s’atténuait progressivement avec la vitesse de recouvrement de l’eau libre par de lentilles d’eau. Deux tests biologiques sur le potentiel de la dénitrification et de méthanisation des sédiments des zones humides ont été effectués en laboratoire pour corroborer les observations de terrain

L’oxyde nitreux (N2O), un puissant gaz à effet de serre (GES) ayant plus de 300 fois le potentiel de réchauffement du dioxyde de carbone (CO2), est produit par des processus microbiens du cycle de l’azote (N). Bien que les eaux de surface continentales soient reconnues comme des sites actifs de transformations de l’azote, leur intégration dans les budgets globaux de N2O comporte de nombreuses incertitudes, dont l’absence des lacs dans ces modèles. Le biome boréal est caractérisé par une des plus grandes densités d’eaux douces au monde, pourtant aucune évaluation exhaustive des émissions aquatiques de N2O n’a à date été conduite dans cette région. Dans la présente étude, nous avons mesuré les concentrations de N2O à travers une large gamme de lacs, rivières, et étangs, dans quatre régions boréales du Québec (Canada), et nous avons calculé les flux eau-air résultants. Les flux nets fluctuent entre -23.1 et 177.9 μmol m-2 J-1, avec une grande variabilité inter-système, inter-régionale, et saisonnière. Étonnamment, 40% des systèmes échantillonnés agissaient en tant que puits de N2O durant l’été, et le réseau d’eaux de surfaces d’une des régions était un net consommateur de N2O. Les concentrations maximales de N2O ont été mesurées en hiver dû à l’accumulation de ce gaz sous la glace. Nous avons estimé que l’émission qui en résulte lors de la fonte des glaces représente 20% des émissions annuelles des eaux douces. Parmi les types d’eaux douces échantillonnées, les lacs sont les principaux responsables du flux aquatique net (jusqu’à 90%), et doivent donc être intégrés dans les budgets globaux de N2O. En se basant sur les données empiriques de la littérature, nous avons éstimé l’émission globale de N2O des eaux douces à 0.78 Tg N (N2O) an-1. Ce chiffre est influencé par les émissions des régions de hautes latitudes (tel que le biome boréal) dont les flux nets varient de positif à négatif constituant -9 à 27 % du total., Nitrous oxide (N2O), a potent greenhouse gas with over 300 times the global warming potential of carbon dioxide (CO2), is produced during microbial nitrogen (N) cycling (Trogler 1999). Inland waters, known as active sites of N processing (Seitzinger et al. 2006., Harrison et al. 2008), are nevertheless poorly characterized in recent global N2O budgets (Nevison 2000, Intergovernmental Panel on Climate 2006), especially considering the absence of an estimate for lakes emissions. Although the boreal biome holds the highest density of freshwater on earth (Lehner and Döll 2004), no comprehensive evaluation of N2O emissions from boreal aquatic systems has ever been conducted. In this study, we measured N2O concentrations across a wide range of rivers, lakes, and ponds in four distinct boreal regions of Québec (Canada), and derived water surface-atmosphere N2O fluxes. Net fluxes ranged from -23.1 to 177.9 μmol m-2 d-1, with a large degree of variability across sampled systems, regions, and seasons. Over 40% of the 322 systems sampled acted as N2O sinks during the summer, with one region’s aquatic network being an overall net atmospheric N2O consumer. Seasonally, maximum N2O concentrations were measured during winter due to gas accumulation under the ice, resulting in an outgassing at ice thaw that accounts for approximately 20% of annual flux. Lakes were major drivers of the net freshwater regional flux (up to 90%), and must therefore be integrated in global aquatic N2O budgets. Based on empirical literature data, we estimated global freshwater N2O emissions to be 0.78 Tg N (N2O) yr-1. This number is subtantially influenced by fluxes from high latitude regions (including the boreal biome) which, being extremely variable, may contribute from -9 to 27 % of the total.

Integration of the priming effect* (PE) in ecosystem models is crucial to better predict the consequences of global change on ecosystem carbon (C) dynamics and its feedbacks on climate. Over the last decade, many attempts have been made to model PE in soil. However, some basic knowledge to model the PE is lacking such as the relationship between decomposition rate of soil organic matter (SOM) and microbial biomass (MB). Moreover, the PE has never been inserted in a plant-soil model to analyze its role on plant-soil interactions. The main objectives of this thesis were to 1) integrate the activity, biomass and diversity of soil microorganisms in models of ecosystem C and nitrogen (N) dynamics in order to simulate the PE, and 2) determine the consequence of this integration for ecosystem functioning and response to global change. These objectives were achieved thanks to the combination of diverse approaches such as modeling, experimentation and statistical. In a lab experiment, I show that the rate of SOM decomposition increases 1) linearly with MB, and 2) with a saturating effect with SOM content. The linear response of SOM decomposition to MB is explained by the very limited microbial colonization of SOM reserves. However, the positive effect of SOM content on decomposition rate indicates that the local availability of SOM may be limiting for microbial mineralization. The observed co-limitation of SOMdecomposition was accurately modeled with the Michaelis-Menten equation. Finally, incorporating this equation in a simple model of soil Cdynamics explained how carbon often continuously accumulates in undisturbed soils whereas it reaches steady state in cultivated soils. Moreover, I present the first parameterized PE embedding plant-soil model (SYMPHONY) which provides realistic predictions on forage production, soil C storage and N leaching for a permanent grassland. SYMPHONY also shows that plant persistence depends on a fine adjustment of microbial mineralization of SOM to plant nutrient uptake. This fine adjustment was modeled by considering the destruction of SOM through PE and the interactions between two microbial functional groups: SOM-decomposers and SOM-builders. Moreover, consistent with recent observations, SYMPHONY explains how elevated CO2 induce modification of soil microbial communities leading to an intensification of SOM mineralization and a decrease in the soil C stock. By incubating a large range of soils sampled at global scale, I show that PE is a common phenomenon which occurs virtually in all soil types and ecosystems (grasslands, croplands, forests, savannahs and orchard) justifying current efforts to incorporate it in ecosystem models. The intensity of PE in soils was significantly correlated to silt and clay SOM pools which contain the major part of SOM reserve. Nevertheless, most of the PE variability (79%) is not explained by soil properties and SOM pools. This result suggests that the main source of PE variability is the microbial component of soils, which should be characterized in further studies. In conclusion, PE is a common phenomenon that may be incorporated in ecosystem models with a few additional parameters, improving the accuracy of their predictions on ecosystem functioning and response to global change.; La prise en compte du priming effect * (PE) dans les modèles biogéochimiques est essentielle afin de mieux prévoir les conséquences du changement global sur le cycle du C (C) dans les écosystèmes et les interactions avec le climat. Au cours de la dernière décennie, de nombreux travaux ont été réalisés afin de modéliser le PE. Cependant, quelques connaissances de base nécessaires à cette modélisation du PE manquent tels que la relation entre le taux de décomposition des matières organique du sol (MOS) et la biomasse des décomposeurs (MB). En outre, le PE n'a jamais été inséré dans un modèle sol-plante afin de déterminer son rôle dans les interactions plante-sol. Dans ce contexte, les principaux objectifs de la thèse sont 1) d’intégrer l'activité, de la biomasse et de la diversité des microorganismes du sol dans les modèles de dynamique du C et de l’azote (N) des écosystèmes afin de simuler le PE, et 2) de déterminer les conséquences de cette intégration pour le fonctionnement des écosystèmes et la réponse au changement global.Ces objectifs ont été atteints grâce à la combinaison de la diverses approches telle que la modélisation, l’expérimentation et les analyses statistiques. Dans une expérience de laboratoire, je montre que le taux de décomposition des MOS augmente 1) linéairement avec la MB et 2) avec un effet de saturation avec la teneur en MOS. La réponse linéaire de décomposition des MOS à la MB s'explique par la colonisation très limitée du sol et des réserves des MOS par les microorganismes. Cependant, la limitation de la décomposition par la teneur en MOS montre que la disponibilité locale des MOS peut être un facteur limitatif pour la minéralisation microbienne. La co-limitation observée de la décomposition des MOS est correctement modélisée avec l'équation de Michaelis-Menten. L'intégration de cette équation dans un modèle simple de dynamique des MOS permet d’expliquer comment les MOS s'accumulent souvent continuellement dans les sols non perturbés alors qu'elles stagnent dans les sols cultivés. Cette présente également le premier modèle d’écosystème paramétré incorporant le PE (SYMPHONY). Ce modèle génère des prévisions réalistes sur la production de fourrage, stockage de C dans le sol et lessivage de l'azote pour des prairies permanentes. SYMPHONY montre également que la persistance des plantes dans les écosystèmes dépend d'un réglage fin de la minéralisation microbienne de MOS au besoin en nutriments des plantes. Ce réglage est modélisé par SYMPHONY en considérant la destruction de MOS par le PE et les interactions entre deux groupes fonctionnels microbiens: les décomposeurs des MOSet les stockeurs de MOS.Enfin, conformément aux récentes observations, SYMPHONY explique comment l’augmentation du CO2 atmosphérique induit une modification des communautés microbiennes du sol conduisant à une intensification de la minéralisation microbienne et à une diminution du stock des MOS dans le sol. En incubant une large gamme de sols prélevés à l'échelle mondiale, nous montrons que PE est un phénomène ubiquiste présent dans tous les types de sols et d’écosystèmes testés (les prairies, les sols cultivés, les forêts, les savanes et les fruitiers justifiant les efforts actuellement entrepris pour l’intégrer dans les modèles biogéochimiques. En outre, l'intensité du PE des sols est significativement corrélée aux pools de MOS associées aux argiles et limons lesquels renfermant la plus grande partie du réservoir en MOS des sols. Cependant, la plupart de la variabilité de PE (79%) ne peut être expliquée par les propriétés du sol et les pools de MOS. Ce résultat suggère que la principale source de variabilité du PE des sols réside dans la composante microbienne qui devrait faire l’objet d’une caractérisation dans une prochaine étude. En conclusion, le PE est un phénomène ubiquiste qui peut être incorporé dans les modèles de l'écosystème avec quelques paramètres supplémentaires, améliorant substantiellement la qualité des prédictions sur le fonctionnement des écosystèmes et leurs réponses au changement global.