Dans le cadre de la transition agroécologique, la conception de systèmes de culture peut s’appuyer sur une augmentation du niveau de diversité inter et/ou intraspécifique des peuplements et des services associés (Therond et al., 2017). L’agroforesterie qui associe des espèces ligneuses et des espèces herbacées est un système de culture qui mobilise la diversité et qui apparait comme une voie prometteuse de diversification écologique des exploitations agricoles en Europe (Smith et al., 2012). Les systèmes agroforestiers peuvent être très diversifiés tant du point de vue des espèces associées que de leurs fonctions (alimentation humaine, production fourragère ou énergétique) selon les climats considérés (Wolz et DeLucia, 2018). En regard du bouclage des cycles biogéochimiques, les peuplements forestiers sont intéressants car sur des sols pauvres, sans intrant et grâce à des recyclages biogéochimiques performants, ils permettent d’assurer une production de biomasse à faible impact environnemental. Ainsi une introduction maitrisée de l’arbre en association avec des plantes cultivées dans les systèmes de culture conduit à de nombreux bénéfices notamment du point de vue des fonctions écologiques et des services environnementaux (conservation de la biodiversité, amélioration de la qualité de l’eau, séquestration du C, recyclage de l’eau et des nutriments…). Néanmoins, il existe un besoin d’acquisition de données sur les interactions interspécifiques incluant des combinaisons d’espèces variées dans ces conditions pédoclimatiques spécifiques afin de trouver un compromis de performances entre productivité économique et résilience écologique.
L’hypothèse centrale des associations agroforestières s’appuie sur une utilisation complémentaire des ressources du milieu par les espèces associées. Cette hypothèse est basée sur la théorie écologique de complémentarité de niche qui suggère que la présence de plusieurs espèces compétitives dans un même milieu induit une différenciation ou ségrégation spatiale de niches (i.e. exploitation de ressources différentes) permettant la coexistence de ces dernières sans exclusion compétitive. La sélection des espèces à implanter en agroforesterie doit s’appuyer sur la complémentarité de traits fonctionnels permettant l’expression de processus de (i) complémentarité de niche se traduisant par une différentiation spatiale ou temporelle des ressources (Kahmen et al., 2006, Ashton et al., 2010), (ii) facilitation correspondant à une situation où la présence d’une espèce permet, via la création de conditions favorables, l’installation, la vie ou la survie d’autres espèces (Callaway 1995). Le sens et la magnitude de la résultante nette de ces interactions sont largement déterminés par la capacité d’exploitation et d’absorption des ressources du sol qui sont le plus souvent distribuées spatialement de façon hétérogène. Le succès des interactions en agroforesterie dépend ainsi largement des différences de fonctionnement et/ou de distribution des systèmes racinaires qui en comparaison avec des peuplements monospécifiques permettent une exploration et acquisition plus complète des nutriments du sol et en résultante une amélioration du bouclage des cycles. S’il est reconnu que les processus microbiens sont essentiels dans l’acquisition des nutriments, les travaux actuels de caractérisation des interactions racinaires entre les espèces associées n’incluent pas explicitement la description des communautés microbiennes suggérant un trou de connaissances sur la façon dont la structure de ces dernières peut affecter les processus de facilitation entre les espèces (Isaac et Borden, 2019 ; Rodriguez-Echeverria et al., 2016 ; Montesinos-Navarro et al., 2019 ; Kandlikar et al., 2019).
L’objectif général du projet est d‘étudier, dans des associations agroforestières intégrant des espèces fixatrices N (herbacée ou ligneuse), la dynamique spatiale et temporelle des communautés microbiennes du sol (continuum sol, rhizosphère, endophyte) ainsi que leurs rôles dans les interactions écologiques souterraines en lien avec l’acquisition des éléments minéraux limitant la croissance des plantes (azote, soufre et phosphore). De façon plus focalisée, il s’agira (i) d’évaluer les évolutions spatiales et temporelles des communautés microbiennes sous les associations agroforestières en comparaison de peuplements en pur et (ii) de considérer simultanément les traits racinaires des espèces associées et les communautés microbiennes fonctionnellement aptes à améliorer d’une part la disponibilité en éléments minéraux (effets biofertilisants au travers de l’optimisation du recyclage interne des éléments entre les pools organiques et inorganiques) et d’autre part la capacité des plantes à intercepter ces nutriments (effets biostimulants au travers de la modulation des caractéristiques racinaires).
Ce projet de thèse s’inscrit pleinement dans les axes de recherche développés sur le site expérimental instrumenté installé en 2014 sur la ferme expérimentale de la Bouzule. Le dispositif présente deux types de mélanges agroforestiers silvoarables : mélange aulne / poacées et mélange peuplier / légumineuses, ainsi que chaque peuplement (arbre et herbacé) en pur équivalent. Différentes variables biophysiques sont suivies depuis la mise en place de ce site atelier tant sur le compartiment aérien que souterrain (Clivot et al., 2019 ; Thomas et al., 2021). L’ensemble du travail fera appel à différentes plateformes d’analyse localisées sur Nancy, sur le site INRAE de Champenoux (Silvatech pour l’isotopie), sur l’ENSAIA (PASM pour les analyses élémentaires et PEPLor pour la conduite de cultures en conditions contrôlées) et au sein de l’unité (équipement de mesures de traits fonctionnels sur plante et communautés microbiennes). Le travail sera mené en étroite collaboration avec l’UMR SILVA.

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