Thèse Influence des Pratiques Agroécologiques sur les Contrôles Racinaires des Fonctions des Sols H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Agro Montpellier
École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
Laboratoire de recherche : LISAH - étude des interactions entre sols, agrosystèmes et hydrosystèmes
Direction de la thèse : Fabrice VINATIER ORCID 0000000336934422
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-07T23:59:59

Les sols agricoles représentent la moitié de la surface en France métropolitaine. Ils jouent un rôle central dans la régulation de nombreuses fonctions impliquées dans les cycles de l'eau, du carbone et des nutriments. Leurs propriétés et les pratiques agricoles qui y sont conduites modifient leur capacité à réaliser ces fonctions. Une mauvaise gestion des agrosystèmes mène à la dégradation des fonctions du sol, qui se traduit par la diminution de leur performances agronomique, économique et environnementale. Au contraire, l'adaptation de pratiques aux environnements et contextes locaux spécifiques, assure la résilience des agrosystèmes face au changement climatique et à l'érosion de la biodiversité. Les pratiques agroécologiques (diversification des cultures, utilisation de couverts végétaux, etc.) sont des leviers importants de gestion des sols. Elles assurent un meilleur couplage des cycles de l'eau, du carbone et des nutriments, en favorisant plusieurs fonctions du sol comme le maintien de la structure physique, l'aération et l'infiltration de l'eau, le recyclage des matières organiques et la fourniture en nutriments, le stockage et la stabilisation du carbone. Une part importante de ces pratiques consiste à gérer la végétation (cultivée ou non) des agrosystèmes. En constante interaction avec le sol pendant et après leur cycle de vie, les plantes jouent en effet un rôle central. Leurs racines, par une multitude de processus directs, indirects et interdépendants contribuent fortement à ces fonctions.

L'objectif de cette proposition de thèse est d'étudier les contrôles directs et indirects exercés par les racines de cultures et plantes de service et leur litière, en fonction des espèces et des mélanges, sur la structure du sol et son maintien, la capacité d'infiltration de l'eau et de transfert des solutés, et le stockage et la stabilisation des matières organiques.

Les deux questions scientifiques que nous proposons d'aborder sont : 1) comment les propriétés des sols et les pratiques agronomiques, en particulier de biodiversification des cultures, travail du sol et fertilisation, contrôlent les systèmes racinaires, et 2) comment les racines et leur litière contrôlent les fonctions du sol au cours du temps ?

Nous souhaitons lever les verrous suivants : déterminer comment gérer les cultures et les plantes de services pour maximiser les effets bénéfiques de leurs systèmes racinaires sur les différentes fonctions du sol. Si les fonctions étudiées n'évoluent pas dans le même sens, évaluer quels compromis faire en fonction des contextes et pédoclimats.

Pour cela, les communautés végétales et microbiennes seront caractérisées (e.g., physiologie, traits fonctionnels), ainsi que les propriétés des sols. La capacité d'infiltration, la stabilité des agrégats et la porosité, le transferts des formes minérales de l'azote et du phosphore et des cations et anions, et la composition et stabilités des matières organiques seront quantifiées. Cette approche sera appliquée en fin de saison de croissance végétale, sur des sols soumis à différents usages (cultures annuelles, prairies, agroforesterie, viticulture) et différentes pratiques (fertilisation azotée, insertion de légumineuses, apports d'amendements organiques, enherbement des inter-rangs) provenant de sites expérimentaux long terme et d'exploitations viticoles partenaires. La variabilité intra-annuelle des interactions entre les racines et les fonctions du sol sera également étudiée. Elle se fera par répétition de cette approche au cours de l'année au sein d'un réseau de parcelles viticoles en région Occitanie, qui ont des gestions d'enherbement d'inter-rangs contrastées.

L'originalité de cette proposition réside dans l'étude d'une grande diversité de pédoclimats et et d'agrosystèmes, des contrôles exercés par les racines et leur litière sur de nombreuses fonctions des sols et dans l'évaluation de compromis entre fonctions du sol.

Les surfaces agricoles (grandes cultures, prairies, vignobles) représentent la moitié de la surface en France métropolitaine [1]. Elles jouent un rôle central dans la régulation de nombreuses fonctions impliquées dans les cycles de l'eau, du carbone et des nutriments [2]. Par leur propriétés et les pratiques agricoles qui y sont conduites, les sols diffèrent dans leur capacité à réaliser l'ensemble de ces fonctions [2]. Dans certains cas, la gestion des agrosystèmes conduit à la dégradation de ces fonctions et à la diminution de leurs performances agronomiques, économiques et environnementales (par l'érosion hydrique, le tassement, la perte de fertilité, les contaminations) [3]. En Europe, environ 60 % des sols subissent des processus de dégradation qui mettent en danger la sécurité alimentaire, les services écosystémiques et la santé humaine [3,4,5]. La résilience des agrosystèmes face au changement climatique [6,7] et à l'érosion de la biodiversité [8] dépend de pratiques et systèmes de gestion adaptés aux contextes locaux spécifiques. La biodiversification et des systèmes de cultures qui couplent mieux les cycles du carbone et des nutriments sont des leviers importants de gestion des sols, favorisant plusieurs fonctions du sols comme le maintien de la structure physique, l'aération et l'infiltration de l'eau, le recyclage des matières organiques et fourniture en nutriments, le stockage et la stabilisation du carbone [9,10]. En constante interaction avec le sol pendant et après leur cycle de vie, les plantes jouent un rôle central [11,12]. Leurs effets sur les fonctions du sol résultent en partie d'une multitude de processus directs, indirects et interdépendants réalisés par les racines. Celles-ci modifient leurs sols et les sols liés aux usages modifient les racines [13,14]. En plus de représenter d'importantes surfaces (49 % de la France métropolitaine, 38 % de l'Union Européenne), les grandes cultures, les prairies et les vignobles enherbés sont des usages particulièrement adaptés pour étudier les effets couplés des pratiques et des sols sur les racines des plantes herbacées. Bien que de nombreuses études portent sur les racines des herbacées [11-17] et sur les fonctions des sols [18], le rôle des propriétés des sols et des usages sur la physiologie et les traits fonctionnels des racines reste méconnu. En conséquence, nous manquons de connaissance sur les effets directs et indirects des racines sur la multitude des fonctions du sols, et leurs évolutions conjointes au cours de la saison de croissance.
Ainsi, ce projet de doctorat vise à répondre aux questions scientifiques suivantes:
1) comment les propriétés des sols et les pratiques, en particulier la biodiversification des cultures, le travail du sol, contrôlent les systèmes racinaires (i.e., traits fonctionnels et exsudats) au cours de la saison de croissance?
2) quels sont les effets conjoints des propriétés des sols, des pratiques et des racines des plantes herbacées sur les fonctions du sol liées aux cycles de l'eau, du carbone et des nutriments?
3) Comment les racines et leur litière, à travers leurs effets directs et via les microogranismes contrôlent les fonctions du sol au cours du temps ?

Nous souhaitons lever les verrous suivants : déterminer comment gérer les cultures principales et les plantes de services pour améliorer les différentes fonctions du sol au travers de la gestion des systèmes racinaires. Si l'ensemble des fonctions étudiées n'évoluent pas dans le même sens, évaluer quels compromis faire en fonction des contextes et pédoclimats.

Les objectifs de cette proposition de thèse sont 1) d'étudier les contrôles des propriétés des sols et des pratiques sur les systèmes racinaires des plantes herbacées au cours de la saison de croissance, 2) d'étudier les contrôles directs et indirects exercés par les racines (en croissance et sénescentes) et leur litière, en fonction des espèces et des mélanges ainsi que des pratiques, sur la structure du sol et son maintien, la capacité d'infiltration de l'eau et de transfert des solutés, et le stockage et la stabilisation des matières organiques, 3) de caractériser l'évolution temporelles des interactions sols-racines.

Cette proposition de doctorat vise à explorer les effets de la physiologie et des traits fonctionnels des racines et des interactions entre racines et microorganismes sur la structuration des sols, leur fonctionnement hydrique, les dynamiques des nutriments et du carbone du carbone.

Deux approches complémentaires seront mises en place:

La première approche investigue l'héritage que laisse des pratiques agricoles différenciées sur les interactions dans la rhizosphère, dans des systèmes de grandes cultures, prairies et viticoles de pédoclimats contrastés. Le sol provenant de sites expérimentaux soumis à une gestion différenciée sera échantillonné. Les prélèvements auront lieu en fin de saison de croissance des plantes herbacées et capitaliseront sur un ensemble de traitements déjà étudiés dans le cadre du projet CANETE (PEPR FairCarboN) et d'un réseau de parcelles viticoles d'exploitations partenaires. Cette gestion différenciée se traduit par l'ajout de légumineuses dans les rotations (CA-SYS, Bourgogne; ACBB Mons, Nord), des mélanges différents des semis d'inter-rangs viticoles (Faugères, Hérault), l'apport de produits résiduaires organiques (Qualiagro Feucherolles, Ile-de-France), l'ajout de prairie temporaire dans la rotation (ACBB Lusignan, Poitou), l'agroforesterie (Agro-TCR La Bouzule, Grand Est). Les systèmes différenciés étudiés sont stables depuis au moins 8 ans. Les pratiques de gestion sont enregistrées dans le cadre de l'inscription de ces dispositifs dans les observatoires, expérimentations à long-terme ou essais systèmes de recherche en environnement SOERE PRO et ACBB, CA-SYS et AgroTCR.

La seconde approche étudie la dynamique saisonnière de ces interactions en contextes mono- et plurispécifiques. Elle exploitera un réseau d'exploitations viticoles partenaires (partenariat issu de projet en cours) représentant la diversité des systèmes d'Occitanie, présents dans l'observatoire ORE de Roujan et au delà (Hérault, France). Les sols de parcelles viticoles présentant une diversité de gestion de l'inter-rang seront étudiés. Les prélèvements et analyses des racines, de l'eau et du sol seront faits pendant plusieurs stades phénologiques de la végétation de l'inter-rang : au cours de la saison de croissance, pendant la senescence et après. Les analyses après la saison de croissance permettront d'étudier l'héritage fournit par les tissus aériens et racinaires. Les différentes modalités de gestion de l'inter-rang caractérisées représenteront un gradient de richesse spécifique allant du sol nu à un mélange de plusieurs espèces (spontanées et/ou semées), avec légumineuses ou non.
La végétation sera caractérisée à travers des inventaires floristiques. Son développement sera quantifiée par mesure des biomasses aérienne et racinaire. Des traits racinaires morphologiques (masse, longueur, diamètre, densité) seront quantifiés par analyse d'image d'échantillons sacrifiés. Ces prélèvements permettront également l'analyse de la composition chimique des parties aériennes et racinaires (extraction biochimique Van Soest, composition élémentaire). L'abondance et la diversité des micro-organismes seront caractérisées au voisinage des racines (e.g PLFA, métabarcoding et qPCR, densité et biomasse d'hyphes). Le contrôle exercé par les propriétés des sols sur les racines sera évalué par plusieurs types de caractérisation physique, chimique et biologique des sols. Des bougies poreuses seront installées dans les sols et la solution du sol sera prélevée quand cela est possible. Les matières organiques dissous, nutriments majeurs et anions et cations seront analysés. Les conditions de température et d'humidité seront également suivis par instrumentation des sites des thermistances et sondes capacitives. Un suivi temporelle de la stabilité des agrégats et de la conductivité hydraulique à saturation sera réalisé. Les effets sur le cycle des nutriments et sur le stockage et la stabilité des matières organiques seront étudiés grâce aux méthodes suivantes :
· nutriments : concentrations des formes minérales de l'azote et du phosphore du sol et de la solution, concentrations en cations et anions dans la solution du sol
· matières organiques : C H N O, RMN 13C pour les groupes fonctionnels, RockEval6 pour la stabilité thermique, fractionnement granulo-densimétrique pour les interactions avec les phases minérales.