Caractérisation fonctionnelle de cultures de services en vignoble et étude des relations entre marqueurs fonctionnels des communautés végétales et services écosystémiques pour la viticulture

par Léo Garcia

Projet de thèse en Sciences agronomiques

Sous la direction de Christian Gary et de Gaelle Damour.

Thèses en préparation à Montpellier, SupAgro , dans le cadre de Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...) , en partenariat avec SYSTEM - Fonctionnement et conduite des systèmes de cultures tropicaux et méditerranéens (laboratoire) depuis le 01-11-2015 .


  • Résumé

    Enjeux socio-économiques et scientifiques Le défi de l'agriculture de demain est la conception de systèmes de cultures durables permettant d'atteindre les objectifs de production agricole, tout en réduisant les impacts environnementaux (limiter notamment la dépendance aux herbicides et aux engrais minéraux). En particulier, les recherches en agroécologie visent un meilleur compromis entre agriculture et environnement, dans un contexte changeant, caractérisé par la montée des aléas physiques (changement climatique), biologiques (émergence de bioagresseurs), et économiques (volatilité des prix de l'énergie, des intrants et des produits agricoles). Le projet de thèse propose d'aborder cette question des compromis entre production de la culture principale et services rendus par la plante de couverture dans une perspective de gestion de ces plantes de couverture. Situation du projet et état de l'art scientifique – Originalité du projet Les cultures de couverture sont un moyen concret de réintroduire de la biodiversité dans les champs (Teasdale, 2006) et sont une option fréquente pour la gestion des mauvaises herbes (Moonen & Bàrberi, 2008). Les cultures de couverture génèrent différents services environnementaux comme, par exemple, atténuer l'érosion des sols (Kort et al, 1998), augmenter les teneurs en carbone et en azote du sol et améliorer l'activité microbienne (Ramos et al, 2010) et elles ont le potentiel de réduire la lutte chimique contre les mauvaises herbes et les ravageurs. Cependant, l'ajout de cultures de couverture modifie le fonctionnement de l'agroécosystème, en particulier les flux d'eau et d'éléments nutritifs qui affectent la production agricole (Celette & Gary, 2013; Mazzoncini et al, 2011; Singer et al, 2011). Si les cultures de couverture sont introduites, les agriculteurs doivent adapter leurs pratiques de fertilisation, d'irrigation et de gestion des mauvaises herbes pour trouver des compromis satisfaisant entre leurs performances productives et environnementales (Ripoche et al., 2011). Cette thèse propose de mobiliser des méthodes issues de l'écologie fonctionnelle (approche par les traits fonctionnels des plantes de couverture) et de la modélisation mécaniste de la croissance des espèces pérennes, intégrant les conditions hydrique et azotée engendrées par la présence de plantes de couverture. Plusieurs articles ont mis en avant les apports de l'écologie fonctionnelle, en particulier des approche par traits, pour décrire le comportement des espèces de plantes de couverture en termes de régulation des flux d'eau et d'azote et pour la conception et la gestion de systèmes agricoles (Damour et al., 2014 ; Duru et al. 2014 ; Damour et al., 2012 ; Garnier and Navas 2011 ; Ansquer et al. 2009). En effet, ces approches permettent de décrire de manière simplifiée et intégrée le fonctionnement des communautés et permettent d'identifier des groupes d'espèces ayant une réponse similaire à un facteur environnemental particulier, ou un effet similaire sur le fonctionnement du système (respectivement groupes de réponse et d'effet) (Lavorel et Garnier, 2002). A titre d'exemple, les traits foliaires liés à la capture et à l'utilisation des ressources (e.g. SLA), varient en fonction de la disponibilité des nutriments, comme le font certains traits de racines (ex : Lavorel & Garnier, 2002; Ordoñez et al., 2009). Les traits décrivant la phénologie des plantes, la structure des feuilles et / ou la morphologie des racines varient en fonction de la disponibilité de l'eau (ex : Ackerly, 2004; Mitchell et al, 2008; Niimemets, 2001). De tels traits, intégrés dans des modèles de culture (Colbach et al, 2014) pourraient permettre de simuler les interactions entre culture et plantes de couverture. Question de recherche proposée au candidat Question de recherche : Comment caractériser dans le temps et l'espace les fonctions relatives aux flux d'eau et d'azote (en particulier les compétitions) induites par la présence d'une plante de couverture semée (donc choisie) dans un système viticole et bananier en combinant écologie fonctionnelle et agronomie systémique ? Question finalisée : Peut-on piloter les services rendus par les plantes de couverture, en se basant sur des indicateurs d'état hydrique (et azoté) de la plante de couverture, de la plante de production (vigne ou bananier) et du sol ? Hypothèses de travail Les plantes de couverture induisent sur la parcelle agricole des compétitions, et éventuellement des facilitations, dans le temps et l'espace, pour l'eau et les ressources du sol. La caractérisation par la méthode des traits fonctionnels des espèces des plantes de couverture peut servir à paramétrer des modèles mécanistes de compétition pour les ressources dans les systèmes associés. La compréhension des mécanismes de facilitation/compétition pour les ressources du sol permet d'identifier des indicateurs de pilotage de ces plantes de couverture. Il est possible de piloter les services rendus par les plantes de couverture.

  • Titre traduit

    Functional characterization of service crops in vineyards, analysis of the relationships between functional markers of plant communities and ecosystem services for viticulture


  • Résumé

    Socio-economic and scientific challenges A major challenge of agriculture is to design sustainable cropping systems to achieve the objectives of agricultural production, while reducing environmental impacts. In particular, research in agroecology seeks a better balance between agriculture and the environment in a changing context, characterized by rising physical (climate change), biological (emerging pathogens), and economic (volatile prices of energy, inputs and agricultural products) hazards. The thesis proposes to characterize the trade-off between the main crop production and the services provided by cover crops in a perspective of integrated management of cropping systems. State of the art Cover crops are a practical way to reintroduce biodiversity in the fields (Teasdale, 2006) and is a common option for weed management (Barberi & Moonen, 2008). Cover crops generate various environmental services such as, for example, mitigation of soil erosion (Kort et al, 1998), increase in carbon and nitrogen content in the soil and improvement of microbial activity (Ramos et al, 2010) and they have the potential to reduce chemical control against weeds and pests. However, the addition of cover crops alters the functioning of the agro-ecosystem, especially the flow of water and nutrients that affect agricultural production (Celette & Gary, 2013; Mazzoncini et al, 2011; Singer et al 2011). If cover crops are introduced, farmers must adapt their fertilization practices, irrigation and weed management to find satisfactory compromise between productive and environmental performances (Ripoche et al., 2011). This thesis proposes to combine methods of functional ecology (functional traits of cover crops) and mechanistic modeling of crop growth, integrating the water and nitrogen conditions created by the presence of cover crops . Several articles have highlighted the contributions of functional ecology, particularly the trait approach to describe the behavior of cover crop species in terms of regulating the flow of water and nitrogen, and for the design and management of agricultural systems (Damour et al, 2014;. Duru et al, 2014;. Damour et al, 2012;. Garnier and Navas, 2011; Ansquer et al, 2009). Indeed, these approaches allow to describe a simplified and integrated functioning of communities and identify groups of species with similar response to a particular environmental factor, or a similar effect on the functioning of the system (Lavorel and Garnier, 2002). For example, foliar traits linked to the capture and utilization of resources (e.g. SLA), vary depending on the availability of nutrients, as some root traits (e.g. Lavorel & Garnier, 2002; Ordoñez et al., 2009). Features describing the plant phenology, leaf structure and / or morphology of the roots vary depending on the availability of water (e.g. Ackerly, 2004; Mitchell et al, 2008; Niimemets, 2001). Such traits, embedded in crop models (Colbach et al, 2014) could be used to simulate the interaction between main crops and cover crops. Research question Research question: How to characterize in time and space functions related to water and nitrogen fluxes, especially competitions induced by cover crops, in a vineyard by combining functional ecology and systemic agronomy? Finalized question: Can we control the services provided by cover crops, on the basis of indicators of water and nitrogen status of the cover crop, grapevine and soil? Hypotheses Cover crops induce competition, and possibly facilitations in time and space, for water and soil resources. The characterization by functional traits of cover crops species can be used to design mechanistic models of competition in multi-species cropping systems. Understanding the facilitation / competition mechanisms for soil resources can lead to the identification of indicators for managing cover crops. It is possible to control the services and disservices of cover crops.