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Redesigning agrosystems with more ecological regulations can help feed a growing population, preserve soils for future productivity and reduce environmental impacts. However, guidelines for redesigning agrosystems from natural systems are limited. Reviewing the last knowledge of ecosystem functioning, we outlined four ecological systems synchronizing the supply of soluble nutrients by soil biota to fluctuating plant nutrient demand. This synchrony limits deficiencies and excesses of soluble nutrient, which usually penalize both production and regulating services of agrosystems such as nutrient retention and soil carbon storage. We detail how ecological systems promoting synchrony can be installed in agrosystems to improve their sustainability and reduce the use of mineral fertilizers.

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The soil water retention capacity is used for practical applications in agriculture (irrigation), but also in research (e.g., modeling of water flow and solutes transport drought). It depends on the relationship between water content and the soil matrix pressure (or pF) which can be measured in the field or at the laboratory. Curves are established with specific points, such as the permanent wilting point (pF 4.2). The laboratory reference method is based on the use of the pressure plate method. The method described in this article is a miniaturization of an alternative method by centrifugation with equipment present in most of laboratories. We supply the calculations allowing to adapt the method according to the type of centrifuge and the height of studied soil column. We tested this alternative method on a panel of 25 soils with contrasting textures and focusing on a specific key point of soil water retention (pF 4.2).The results produced by the miniaturized centrifugation method are linearly correlated with those of the reference method. The linear model explains 94% of the variability for a range of soils with contrasting water retention capacities at the point of wilting [1.34% - 64.15%]. These results suggest that the method for determining the water retention characteristic of soils proposed by this study is reliable. We have also estimated that the optimum centrifugation time is 10 minutes. The scope of use of this method is discussed., La capacité de rétention en eau des sols est utilisée pour des applications pratiques en agriculture (irrigation), mais aussi dans la recherche (ex. modélisation du transport de l’eau et de ses solutés, sécheresse). Elle dépend de la relation entre la teneur en eau et la pression matricielle du sol (ou pF) qui peut être mesurée sur le terrain ou au laboratoire. Des courbes sont réalisées avec des points spécifiques, tel le point de flétrissement (pF 4,2). La méthode de référence au laboratoire est basée sur l’usage de la presse à membrane. La méthode décrite dans cet article est une miniaturisation d’une méthode alternative par centrifugation avec du matériel présent dans la majorité des laboratoires. Nous fournissons les calculs permettant d’adapter la méthode selon le type de centrifugeuses et la hauteur de colonne de sols à étudier. Nous avons testé cette méthode alternative sur un panel de 25 sols ayant des textures contrastées et en se focalisant sur un point spécifique clé de la rétention en eau des sols (pF 4,2). Les résultats produits par la méthode de centrifugation miniaturisée sont linéairement corrélés avec ceux de la méthode de référence. Le modèle linéaire explique 94 % de la variabilité pour une gamme de sols aux capacités de rétention en eau au point de flétrissement contrastées [1,34 % — 64,15 %]. Ces résultats suggèrent que la méthode de détermination de la caractéristique de rétention en eau des sols proposée dans cette étude est fiable. Nous avons par ailleurs estimé que le temps optimum de centrifugation est de 10 minutes. Le périmètre d’utilisation de cette méthode est discuté.

National audience; La décomposition des litières végétales dans les sols a été largement étudiée notamment en raison de l’importance des processus environnementaux mis en jeu. En effet, le recyclage des biomasses végétales permet tout d’abord d’alimenter la biodiversité microbienne des sols. Ces microorganismes sont essentiels pour la qualité des sols puisque les mécanismes de dégradation dont ils sont à l’origine permettent le bouclage des cycles biogéochimiques en assurant la nutrition minérale des cultures en place. De plus, le recyclage des litières végétales alimente le puits de carbone du sol, ce qui contribue à limiter la teneur en dioxyde de carbone de l’atmosphère impliqué dans le réchauffement climatique.De nombreuses observations expérimentales de décomposition ont été publiées pour les litières végétales. Toutefois, ces données sont éparses et pas toujours accessibles. Afin de remédier à cela, les politiques actuelles en terme de gestion des données de la recherche favorise l’Open data et même plus largement l’Open Science, démarche dans laquelle s’inscrit l’INRA (Connehaye et Duée, 2016). Ces politiques sont menées dans des buts patrimoniaux, économiques mais également scientifiques et sociétaux. En effet, l’accès ouvert aux données permet d’éviter leur perte due à l’obsolescence matérielle, de favoriser la réutilisation de recherches antérieures, d’assurer la qualité des données, d’améliorer la visibilité des instituts grâce au système de citations mais également d’améliorer l’image de la science envers les citoyens.L’objectif de ce projet en cours est donc i) de rassembler des données de décomposition des litières végétales dans les sols acquises en conditions contrôlées dans le cadre de programmes de recherche passés et ii) de les partager en Open access. Ces données concernent classiquement la chimie ou biochimie de la ressource, la minéralisation du carbone (C) et la dynamique de l’azote (N), voire du soufre (S) et du phosphore (P) du sol suite à l’apport de litières. La dynamique du C microbien ou des communautés microbiennes a été suivie dans certains cas, et ces caractérisations peuvent avoir été complétées par l’utilisation de marquage isotopique stable (13C, 15N).Matériel & MéthodesLa réalisation d’un plan de gestion des données avec l’outil DMP OPIDoR (Data Management Plan pour une Optimisation du Partage et de l’Interopérabilité des Données de la Recherche) et le modèle INRA a permis de montrer qu’un intérêt particulier devra être apporté aux métadonnées dont une partie peut être perdue au fil du temps, annulant la possibilité de réutiliser les données. Prenant en compte l’importance des métadonnées, nous avons construit un fichier de collecte standardisé qui a été envoyé à chacun des contributeurs identifiés en amont.Une fois la phase de collecte terminée, des procédures de vérifications seront appliquées aux données afin de garantir leur qualité et d’éviter toute valeur aberrante ou erreur de saisie. Cette phase de consolidation permettra de déposer les données dans l’entrepôt institutionnel INRA (DataINRA) sous forme de tableau de données en format .csv comme recommandé par le World Wide Web Consortium (W3C). Les données déposées dans l’entrepôt seront référencées par un identifiant unique (DOI) ce qui permet leur trouvabilité.Les données seront également regroupées dans une base de données permettant leur structuration et leur importation de manière ciblée dans un objectif de réutilisation. Cette base de données sera accessible à tous et référencée sur chacun des sites internet des UMR partenaires. Enfin, la rédaction d’un Data paper en collaboration avec les scientifiques contributeurs permettra de référencer les dépôts par le DOI et la base de données, d’expliquer la provenance et le traitement des données, de décrire les données et leur validation technique ainsi que de décrire leurs potentielles réutilisations avec leurs limites.Il est également prévu que ces données soient ensuite utilisées pour la calibration des paramètres des modèles de la plateforme Sol Virtuel (VSoil). Cette plate-forme ouverte facilite l’utilisation, le couplage et la diffusion de modèles de simulation numérique du fonctionnement de l’interface sol-plante. Elle est équipée du module « décomposition » du modèle agronomique STICS (Brisson et al., 2009) et la version « résidus de culture » est opérationnelle.Résultats et discussionsNos premiers résultats montrent que nous avons pu réunir une dizaine de contributeurs représentants au total une quarantaine de jeux de données concernant 45 litières différentes, dont 6 jeux de données avec des isotopes stables. Ces jeux de données couvrent une très grande diversité des espèces végétales étudiées (Figure 1), des organes de plante concernés, des grandeurs mesurées ou encore des sols utilisés pour les incubations. Les données mesurées en dynamique concernent a minima la minéralisation de C et la dynamique de N minéral du sol ; plusieurs jeux de données contiennent également des mesures de C microbien et quelques-uns des mesures de PLFAs. Les litières ont été caractérisées par leur rapport C/N ainsi que pour la plupart par fractionnement proximal Van Soest. Certaines caractérisation de litières portent également sur les sucres, les polyphénols ou encore la lignine Klason.Figure 1 : Composition des litières parmi les jeux de données déjà collectésConclusionA ce stade, environ 1/3 des jeux de données a déjà été collecté sur la totalité des jeux identifiés. La capitalisation des efforts de recherches des instituts et UMR partenaires est permise grâce à la valorisation des données et à l’optimisation de leur réutilisation. En effet, ces données pourront être réutilisées pour la calibration d’outils numériques ou l’acquisition de références facilement mobilisables. D’autre part, la démarche mise en place dans le cadre de ce projet pourra être élargie aux PROs pour lesquels une base de données à déjà été construite dans le passé (Lashermes et al., 2010).Références bibliographiques :Connehaye, E., Duée . Coord, 2016. Avis sur les enjeux éthiques et déontologiques du partage et de la gestion des données de recherche, INRA Science & Impact et CIRAD, vol.32. Brisson, N., Launay, M., Mary, B., Beaudoin, N. 2009. Conceptual Basis, Formalizations and Parameterization of the Stics Crop Model. Quae, 304 pages. Lashermes, G., Nicolardot, B., Parnaudeau, V., Thuries, L., Chaussod, R., Guillotin, M.L., Lineres, M., Mary, B., Metzger, L., Morvan, T., Tricaud, A., Villette, C., Houot, S. 2010. Typology of exogenous organic matters based on chemical and biochemical composition to predict potential nitrogen mineralization. Bioresource Technology, 101(1), 157-164.

La terre a traversé plus de 4 milliards d’années en gardant à sa surface des températures compatibles avec la vie la plupart du temps. Le cycle géologique du carbone au travers l’érosion des roches et des éruptions volcaniques contribue avec d’autres processus à réguler le climat. Cependant, à travers le temps, la co-évolution entre les organismes vivants et leur environnement aboutit parfois à des ruptures de la chimie de l’atmosphère (gaz à effet de serre, GES) et du climat entrainant une extinction des espèces. Ainsi l’Homme peut être vu comme la dernière innovation technique de l’évolution en passe de provoquer un accident climatique et écologique global. La combustion d’énergie fossile et l’agriculture et ont fait passer la teneur en CO2 atmosphérique, principal GES, de 280 à 400 ppm en 150 ans avec des conséquences visibles sur les glaciers, le climat et le niveau des mers. Ces modifications anthropiques s’accompagnent d’une chute de la biodiversité. Les prévisions pour le 21ème siècle prévoient une accélération des émissions de GES et des événements climatiques extrêmes qui devraient entrainer des déplacements de populations et des conflits. Cependant, à l’inverse des autres espèces par le passé, l’Homme a la capacité de prendre conscience de ces changements et d’en corriger la trajectoire. Outre, les défis socioéconomiques que posent le changement climatique et qui ne sont pas le sujet de ce manuscrit, l’Homme a besoin de connaissances sur le fonctionnement des écosystèmes en lien avec la biodiversité afin d’anticiper les effets du réchauffement et de disposer de leviers d’actions. Ce manuscrit d’HDR résume quinze années de recherche sur les cycles biogéochimiques des écosystèmes terrestres dans un contexte de changement climatique et de développement d’une agriculture durable. Mes travaux de recherche ont contribué à 1) explorer les métabolismes et les facteurs contrôlant les flux de carbone et d’azote, en particulier dans le sol et la rhizosphère des plantes, 2) identifier les stratégies de vie des microorganismes décomposeurs et des plantes au regard de ces cycles et 3) une analyse systémique des échanges de matière entre les organismes vivants afin de comprendre les cascades d’effet et les boucles de rétroactions. La finalité première de mes recherches est de prévoir l’impact des changements globaux (réchauffement climatique, chimie de l’atmosphère et modèles agricoles) sur les services écosystémiques adossés aux processus biogéochimiques (productions, stockage de carbone...). Les résultats indiquent une capacité des sols des écosystèmes peu perturbés et diversifiés (prairies permanentes, forêts) à accumuler des matières organiques créant un puits de carbone. Le stockage de carbone dans les sols n’augmente pas nécessairement avec les entrées de carbone, il peut même diminuer. Ainsi l’augmentation de la production primaire sous CO2 élevé n’augmentera pas ou peu le puits de carbone. Cependant, les retombées d’azote atmosphérique, la fixation symbiotique et la dégradation des roches par les mycorhizes devraient intensifier le puits de carbone en levant les contraintes stœchiométriques (azote, phosphore) des plantes et des microorganismes stockeurs de carbone du sol. Le transfert du carbone organique du sol dans les horizons profonds permet un stockage de celui-ci pendant des millénaires dans certaines conditions. Cependant, un changement de profondeur d’enracinement des végétaux peut soudainement réactiver sa minéralisation en CO2 par les microorganismes de la rhizosphère. Mes investigations ont mis en lumière le paradoxe de la synchronisation entre l’offre microbienne en nutriments minéraux et la demande des végétaux dans les écosystèmes naturels. Défi majeur en l’agriculture, cette synchronisation a très peu de chances de se produire de manière spontanée puisqu’elle dépend de deux organismes indépendants dont les réponses à l’environnement diffèrent. Un mécanisme de régulation ajustant l’offre à la demande a été identifié : deux groupes fonctionnels microbiens créent un tapis roulant de nutriments minéraux sur lequel se nourrit la plante. De cette façon de grandes quantités de nutriments peuvent être transférée du sol à la plante tout en évitant les pertes par lessivage et dénitrification. Il semblerait que les cultures annuelles aient perdu ce mécanisme de synchronisation offre-demande expliquant leur piètre performance environnementale. Cependant, l’association d’un blé avec des plantes pérennes a permis de rétablir la synchronisation offre-demande et les services qui lui sont associés. Ces résultats suggèrent de nouvelles pistes de recherche. La biodiversité contribuerait à créer des systèmes auto organisés où les échanges de matière sont optimisés afin de garantir la pérennité des parties et une utilisation de l’énergie lumineuse maximisée dans le temps. Elle pourrait également contribuer à adapter les écosystèmes aux évolutions climatiques. Ainsi le rôle de la coopération entre les organismes vivants dans le processus de sélection naturelle et le fonctionnement des écosystèmes pourrait être largement sous-estimé. S’inspirant de ces nouvelles connaissances, des nouveaux systèmes de culture bio-diversifiés et à hautes performances environnementales peuvent être conçus., The earth has passed more than 4 billion years, keeping on its surface temperatures compatible with life most of the time. The geological cycle of carbon through erosion of rocks and volcanic eruptions contributes with other processes to regulate the climate. However, over time, the co-evolution between living organisms and their environment sometimes leads to breaks in the chemistry of the atmosphere (greenhouse gases, GHGs) and climate leading to species extinction. Humans can be seen as the latest technical innovation of evolution causing a global climatic and ecological accident. The combustion of fossil fuels and agriculture has increased the atmospheric CO2 concentration, the main GHG, from 280 to 400 ppm in 150 years with visible consequences on glaciers, climate and sea levels. These global changes are accompanied by a drop in biodiversity. Forecasts for the 21st century predict an acceleration of GHG emissions and extreme weather events that should lead to population displacements and conflicts. However, unlike other species in the past, humans have the capacity to become aware of these changes and to correct their trajectory. In addition to the socio-economic challenges posed by climate change, which are not the subject of this manuscript, humans need knowledge on the functioning of ecosystems in relation to biodiversity in order to anticipate the effects of global warming and to levers of action. This HDR manuscript summarizes fifteen years of research on the biogeochemical cycles of terrestrial ecosystems in the context of climate change and the development of sustainable agriculture. My research has helped to 1) explore the metabolisms and factors controlling carbon and nitrogen fluxes, especially in the soil and plant rhizosphere, 2) identify the life strategies of microorganisms and plants vis-à-vis of biochemical cycles and 3) a systemic analysis of the exchange of matter between living organisms to understand the cascade effects and the feedback loops. The applications of my research are to 1) improve the predictions on the impact of global changes (global warming, atmospheric chemistry and agricultural models) on ecosystem services backed by biogeochemical processes (production, carbon storage ...), 2) optimize the managements of grasslands and their services and 3) eco-design new grain production system inspired from the functioning of permanent grasslands. The results indicate a capacity of undisturbed biodiverse ecosystems (permanent grasslands, forests) to continuously accumulate organic matter in soil creating a global carbon sink. Carbon storage in soils does not necessarily increase with carbon inputs, it can even decrease. Thus, the increase in primary production in response to the rising atmospheric CO2 concentration will not increase the soil carbon sink. However, atmospheric nitrogen deposition, symbiotic fixation, and mycorrhizal degradation of rocks are expected to intensify the soil carbon sink by alleviating the stoichiometric constraints (nitrogen, phosphorus) of plants and soil-carbon-storing microorganisms. The transfer of organic carbon into deep soil horizons allows storage of this carbon for millennia under specific conditions. However, a change in rooting depth of plants can suddenly reactivate its mineralization in CO2 by microorganisms of the rhizosphere. My investigations have highlighted the paradox of the synchronization between the microbial supply of mineral nutrients and the demand of plants in natural ecosystems. Representing a major challenge in agriculture, this synchronization is unlikely to occur spontaneously since it depends on two separate organisms whose responses to environment factors differ. A regulating mechanism that adjusts supply to demand has been identified: two microbial functional groups create a conveyor belt of mineral nutrients on which the plant feeds. In this way large amounts of nutrients can be transferred from the soil to the plant while avoiding leaching and denitrification losses. It seems that annual crops have lost this supply-demand synchronization mechanism, which explains their poor environmental performance. However, the combination of a wheat with perennial plants has restored the synchronization supplydemand and services associated with it. These results suggest new lines of research. Biodiversity would help to create self-organized systems where exchanges of matter are optimized to ensure the durability of the parties and a maximal use of light energy. It could also contribute to adapting ecosystems to climate change. Thus the role of cooperation between living organisms in the process of natural selection and the functioning of ecosystems could be largely underestimated. Inspired by this knowledge, new bio-diversified and sustainable grain production systems can be designed.

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A general occurrence of the phenomenon of priming effect (PE) across varying land use and soil types has not been established so far, particularly on a large geographical scale. Moreover, the impacts of soil properties and soil organic matter (SOM) distribution among physical fractions on the magnitude of PE are still unclear. We addressed these knowledge gaps by incubating thirty five soils with or without addition of 13C labeled cellulose for 262 days. The soils were sampled from different land uses and depths of contrasting soil types from five continents (Asia, Europe, America, Australia and Africa). Results showed positive PE in all soils including grassland, cropland, forest, savannah and orchard. On average, the cumulative PE represented 27.0 ± 28.7% of the CO2 efflux in control soils and 28.48 ± 21.08% of the remaining/unrespired cellulose-C. The PE was 72.1% higher in surface than deep soils suggesting that surface soils are more prone to PE induced by cellulose addition. Variations in PE were mainly explained by soil characteristics and not by land use. We found that the PE increased with the relative abundance of SOM not associated with minerals and rich in nitrogen (N). The observation of systematic positive PE in all soils suggested that microbial co-metabolism to decompose SOM is a widespread microbial strategy. Our results also support the idea that microorganisms use co-metabolism to mine nutrients in SOM since they target N-rich fractions. However, other mechanisms are also at play since positive PE was maintained despite the high availability of mineral nutrients. Overall, PE is a worldwide process playing a major role for soil C dynamics, especially in N-rich soils

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