CE01 - Terre fluide et solide

Racines profondes versus pompes : comparaison des prélèvements profonds de nutriments dans des eco- et agrosystèmes tropicaux secs – NutriLIFT

Racines profondes versus pompes : comparaison des prélèvements profonds de nutriments dans des eco- et agrosystèmes tropicaux secs

Les racines profondes remplissent des fonctions essentielles, impactant les cycles hydrologiques et biogéochimiques, l'écophysiologie des plantes et l'écologie des communautés, non seulement dans les forêts naturelles mais aussi dans les agrosystèmes. Cependant, la quantification de la remontée de nutriments produits par l'altération des roches en profondeur reste un défi, lié d’une part à la nature cachée des racines et d’autre part à la complexité de la rhizosphère.

Mieux évaluer la résilience des écosystèmes et concevoir des pratiques plus durables stimulant les processus biologiques dans les agrosystèmes en quantifiant le couplage biosphère invisible/visible

Le projet Nutrilift a pour objectif de comprendre et quantifier le rôle des racines profondes -tout particulièrement de la remontée de nutriments- dans le fonctionnement de la zone critique tropicale. Nous posons l'hypothèse que dans les forêts naturelles, les espèces à racines profondes peuvent tirer une partie de leurs ressources nutritives d'une altération minérale accrue en profondeur, et que l'importance de ce processus dans les agrosystèmes est moindre, les systèmes agroforestiers représentant une situation intermédiaire. Dans les agrosystèmes, la préservation de la diversité des arbres, pourraient permettre re connecter zone critique profonde et superficielle et ainsi améliorer la durabilité des agro-systèmes dans le contexte du changement climatique. Tester ces hypothèses implique de concevoir et mettre en œuvre un nouveau cadre méthodologique de caractérisation combinée des propriétés du sol et des racines, et de suivi de la dynamique de l’eau et des solutés depuis la surface jusqu'à de grandes profondeurs pour 3 sites contrastés ; forêt, agroforesterie et agriculture irriguée. Mené au sein de la Cellule Franco-Indienne de en Sciences de l’Eau (IRP CEFIRSE, collaboration entre CNRS- IRD-INRAE-UT3 et l’Indian Institute of Science, Bangalore), le projet s'appuie sur les suivis long terme du chantier indien du Service National d’Observation Multiscale TROPIcal CatchmentS (SNO M-TROPICS, membre de l’Infrastructure de Recherche OZCAR), ainsi que sur le degré de caractérisation exceptionnel de ses bassins expérimentaux, Mule Hole (forêt tropicale sèche préservée des activités humaines) et Berambadi (culture intensive sous climat tropical sub-humide à semi-aride).

Organisé autour de 4 workpackages, le projet a pour première ambition de concevoir un cadre méthodologique de caractérisation des propriétés du sol, des racines (morphologie/anatomie) et de la dynamique de l’eau et de la pCO2 jusqu’à de grandes profondeurs (>10m) pour chaque site. Le WP 1 vise à comparer l’évolution verticale de ces propriétés en fonction des différents couverts végétaux et à calibrer le modèle hydrologique COMFORT. Le WP2 se focalise sur les propriétés de la rhizosphère de chaque système en s’appuyant sur un ensemble de techniques de micro-caractérisation pour déceler les changements subtils de minéralogie et de biodisponibilité des nutriments au voisinage des racines, sur une étude fine de la dynamique du carbone à partir de traçage 13C et de datation 14C, et enfin sur l’utilisation de traceurs géochimiques spécifiques des processus d’altération (d7Li, d30Si, d41K, d11B) et/ou du prélèvement par les plantes (d42/44Ca, d30Si). Ces approches complémentaires permettront de calibrer le modèle géochimique WITCH, conçu pour reproduire les processus d’altération à l’échelle saisonnière. Le WP3 est dédié à la quantification de la contribution profonde aux budgets de nutriments de chaque site, en 2 étapes : (1) quantification du budget nutriment en identifiant, pour le arbres, la part de recyclage de celle de l’altération à partir d’une approche originale, le bilan isotopique intra-plante appliqué à K, Ca, Si, B, (2) identification des flux profonds à partir des signatures géochimiques des sèves et des flux de transpiration calculés par COMFORT, produisant ainsi une vision intégrée du prélèvement de nutriments et de leur redistribution au sein de chaque système. Enfin, le WP4 a pour ambition d’explorer les effets des changements futurs –associés au climat et aux usages- sur la dynamique de la zone critique profonde à partir de scénarios co-construits avec les acteurs locaux, en partenariat avec une ONG du Karnataka. En quantifiant l’impact du couplage entre biosphère visible et invisible sur les cycles biogéochimiques et en les modélisant, les résultats de ce projet permettront d'optimiser la gestion durable des agro-écosystèmes.

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Les processus reliant les parties inférieure et supérieure de la zone critique sont essentiels au maintien de la vie sur les continents. Les racines profondes remplissent des fonctions essentielles, impactant les cycles hydrologiques et biogéochimiques, l'écophysiologie des plantes et l'écologie des communautés, non seulement dans les forêts naturelles mais aussi dans les agrosystèmes. L'altération des roches en profondeur est une source potentielle de nutriments qui peut bénéficier, grâce à leur prélèvement et redistribution par les arbres à enracinement profond, à l'ensemble de l’écosystème. Cependant, la quantification de cette remontée de nutriments reste un défi, lié d’une part à la nature cachée des racines et d’autre part à la complexité de la rhizosphère.
Le projet Nutrilift relève les défis de comprendre et quantifier le rôle de la remontée des nutriments dans le fonctionnement de la zone critique, en posant l'hypothèse que dans les forêts naturelles, les espèces à racines profondes peuvent tirer une partie de leurs ressources nutritives d'une altération minérale accrue en profondeur, et que l'importance de ce processus dans les agrosystèmes est moindre, les systèmes agroforestiers représentant une situation intermédiaire. Mené au sein de l’IRL CEFIRSE (IRD-CNRS-INRA-UPS-Indian Institute of Science, Bangalore) en collaboration avec nos collègues indiens, le projet s'appuiera sur les suivis long terme du chantier indien du SNO M-TROPICS, membre de l’Infrastructure de Recherche OZCAR. Il bénéficiera du degré de caractérisation exceptionnel des sites, où nous avons montré des liens essentiels entre surface et profond, en particulier le partage vertical de la ressource en eau par les espèces dominantes d’arbres dans l’écosystème forestier et l’importance de prendre en compte les prélèvements profonds pour boucler les cycles biogéochimiques.
Le projet concevra et mettra en œuvre un nouveau cadre méthodologique pour la caractérisation combinée des propriétés du sol et des racines, et le suivi de la dynamique de l’eau et des solutés depuis la surface jusqu'à de grandes profondeurs pour 3 sites contrastés (forêt, agroforesterie et agriculture). Nous mettrons en œuvre une combinaison unique de techniques pour caractériser simultanément les propriétés du sol et des systèmes racinaires et nous utiliserons ces informations pour contraindre le modèle hydrologique COMFORT, qui simule explicitement l’absorption d’eau par les racines profondes. Nous considérerons simultanément les différents processus contrôlant le stockage et la mobilisation du carbone et des nutriments dans la rhizosphère grâce à différents outils, pour relier la dynamique actuelle de l'altération et des nutriments et la dynamique du carbone associé aux racines. Nous proposerons une nouvelle approche conceptuelle basée sur des budgets isotopiques intra-plante afin de quantifier les contributions du régolithe profond au cycle des nutriments. Enfin, nous développerons et utiliserons un modèle de transport réactif (couplage COMFORT-WITCH) pour simuler l'impact du changement climatique sur le fonctionnement de la zone critique, permettant d'explorer les stratégies de gestion dans une approche participative avec les acteurs locaux.
En quantifiant l'impact du couplage/découplage de la "biosphère invisible et visible" sur les cycles des nutriments, le projet permettra de mieux évaluer la résilience des écosystèmes et de concevoir des pratiques de gestion plus durables stimulant les processus biologiques de la zone critique dans les agrosystèmes.

Coordinateur du projet

Monsieur Jean RIOTTE (Géosciences Environnement Toulouse)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

GET Géosciences Environnement Toulouse
Eco&Sols Ecologie Fonctionnelle et Biogéochimie des Sols et Agrosystèmes
IPGP Institut de physique du globe de Paris
IEES Institut d'écologie et des sciences de l'environnement de Paris

Aide de l'ANR 517 105 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2021 - 48 Mois

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