Application des méthodes isotopiques dans l’étude des flux de nutriments dans les agroécosystèmes

Application des méthodes isotopiques dans l’étude des flux de nutriments dans les agroécosystèmes 

Atome et Isotope 

Un atome est la particule élémentaire d’un élément chimique. Il est constitué d’un noyau, autour duquel gravitent des électrons. Le noyau est constitué de protons et de neutrons. Pour un élément chimique donné, le noyau atomique se caractérise par son numéro atomique spécifique désignant le nombre de protons. Un élément chimique donné peut avoir plusieurs isotopes. Selon le dictionnaire Larousse, (http://www.larousse.fr/dictionnaires/francais/) consulté le 08 aout 2016, l’isotope désigne « chacun des différents types de noyaux atomiques d’un même élément, différant par leur nombre de neutrons mais ayant le même nombre de protons et d’électrons, et possédant donc les mêmes propriétés chimiques ». Un élément chimique peut avoir un ou plusieurs isotopes stables qui ne subissent pas de désintégration radioactive, et des isotopes radioactifs (instables).

Par exemple l’azote (N) comporte deux isotopes stables dans la nature, dont le 14N qui est dominant, et le 15N qui représente 0,36637 % de l’azote total dans l’atmosphère (Hardarson et Danso, 1993). Le phosphore (P) quant à lui comprend un isotope stable (le 31P), et deux isotopes instables et radioactifs (32P et le 33P) qui peuvent être utilisés dans l’étude des systèmes sol-eau-plante, grâce à leurs demi vies radioactives qui sont de 14,3 jours pour le 32P et 25,3 jours pour le 33P (Frossard et al., 2011).

L’émergence des instruments de mesure adaptés ont permis d’appliquer la mesure des isotopes dans de nombreux domaines dont la médecine, l’archéologie, les sciences agronomiques, etc. Le principe de base est le suivi de la composition isotopique d’un élément chimique donné dans différents compartiments du système étudié, pour comprendre ou mesurer des processus impliquant cet élément chimique. L’application des méthodes isotopiques N et P dans les sciences agronomiques permet d’étudier des processus tels que la fixation de N atmosphérique (Unkovich et al., 2008), la minéralisation des nutriments dans le sol (Di et al., 2000), le prélèvement des éléments nutritifs par les plantes et les microorganismes du sol (Bünemann et al., 2004b; Oberson et al., 2010; Douxchamps et al., 2011), etc.

Méthodes de marquage isotopique appliquées à la mesure des flux et les transformations de N et de P dans le sol et leur prélèvement dans les plantes 

Les méthodes de marquage isotopique sont des outils importants pour mesurer les taux de transformations de différents éléments nutritifs dans le sol. Ces méthodes permettent de mesurer la libération ou le prélèvement d’un élément nutritif donné dans différents compartiments du sol, et son prélèvement par les plantes (Barraclough, 1995; Di et al., 2000). La méthode de dilution isotopique implique le marquage d’un compartiment de nutriment concerné avec un marqueur isotopique, puis la mesure des changements, avec le temps, des quantités du nutriment marqué et de leurs compositions isotopiques dans les différents compartiments du sol. Les flux entrant et sortant du compartiment de nutriment marqué sont alors calculés en utilisant des équations formulées sur la base de la cinétique des marqueurs (Di et al., 2000).

La méthode de traceur
Le niveau de marquage d’un compartiment représente le rapport marqueur (ou traceur) sur élément marqué (ou tracé). Pour les radio-isotopes, ce rapport est exprimé en activité spécifique (AS), qui est la radioactivité par unité de masse du nutriment (en becquerel par microgramme de P (Bq g -1 P) pour le P par exemple). Pour les isotopes stables comme le 15N, le niveau de marquage est exprimé en % d’atomes 15N en excès par rapport au % d’atomes 15N du N de l’atmosphère qui est de 0,3663% (Equation 3), ou un autre échantillon non marqué de référence.

% excès 15N échantillon = % atomes 15N échantillon − % atomes 15Nair (3)

Les conditions qui doivent être remplies pour l’application des méthodes de dilution isotopiques ont été énumérées par Di et al., (2000):

1. les isotopes du nutriment étudié se comportent de manière identique lors des processus de transformation dans le sol ;

2. le flux du nutriment entrant dans le compartiment marqué n’est pas lui-même artificiellement marqué, c’est-à-dire n’a pas un niveau de marquage similaire au compartiment marqué ;

3. le niveau de marquage du flux sortant du compartiment marqué est proportionnel à celui du compartiment marqué ;

4. les flux entrant et sortant du compartiment marqué sont constants durant la période pour laquelle ils sont mesurés.

Les techniques de marquage permettent de mesurer les proportions de N et ou de P provenant d’un fertilisant donné, et qui se retrouvent dans différents compartiments du sol. Ces compartiments peuvent être le compartiment disponible (minéral), microbien, la plante, etc. La technique de marquage directe consiste à produire un fertilisant dans lequel l’élément qu’on veut suivre est marqué par son isotope (15N pour le N et 32P ou 33P pour le P) avec un niveau de marquage connu (% d’atomes 15N en excès pour le N et Activité Spécifique pour le P), sur un sol qui n’est pas lui même marqué. Le transfert de nutriment provenant du fertilisant marqué vers d’autres compartiments du sol par les processus de minéralisation et/ou prélèvement, adsorption, s’accompagne également d’un transfert de marquage qui peut alors être quantifié.

La technique de marquage indirect consiste à marquer les compartiments disponibles d’un nutriment dans le sol, et à y apporter un fertilisant non-marqué. La dilution de marquage provoquée par l’application du fertilisant non marqué, permet de calculer les proportions du nutriment dérivées du fertilisant.

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Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
Contexte de l’étude
Objectifs
Hypothèses
Démarche
GÉNÉRALITÉS
Application des méthodes isotopiques dans l’étude des flux de nutriments dans les agroécosystèmes
Atome et Isotope
Mesure de la fixation symbiotique de N2 des légumineuses par la méthode de
l’abondance naturelle en 15N
Méthodes de marquage isotopique appliquées à la mesure des flux et les transformations
de N et de P dans le sol et leur prélèvement dans les plantes
Les microorganismes du sol et leurs rôles dans la nutrition des plantes
CHAPITRE I : Déterminants de la fixation symbiotique de l’azote atmosphérique en monoculture de niébé (Vigna unguiculata) dans le Centre-Ouest du Burkina Faso.
Résumé
I.1 Introduction
I.2 Matériels et Méthodes
I.2.1 Description du site d’étude
I.2.2 Choix des champs paysans
I.2.3 L’essai de longue durée de Saria
I.2.4 Mesure de la fixation symbiotique de N2
I.2.5 Echantillonnage des plantes
I.2.6 Détermination de la discrimination spécifique du 15N dans le niébé (valeur B)
I.2.7 Prélèvement des échantillons de sol
I.2.8 Analyses de sols et de plantes
I.2.9 Calculs et analyses statistiques
I.3 Résultats
I.3.1 Champs paysans
I.3.2 Essai entretien de la fertilité de Saria
I.3.3 Comparaison entre les champs paysans et l’essai de Saria
I.4 Discussion partielle
I.4.1 Fertilisation, caractéristiques chimiques du sol et production du niébé
I.4.2 Méthode de l’abondance naturelle et fixation symbiotique de N2 du niébé
I.4.3 Bilan N de la monoculture du niébé
I.5 Conclusion partielle
CHAPITRE II : Influence à long-terme des pratiques de fertilisation sur les limitations en nutriments des microorganismes dans un Acrisol ferrique
Résumé
II.1 Introduction
II.2 Matériels et méthodes
II.2.1 Essai de longue durée
II.2.2 Echantillonnage et caractéristiques générales des sols
II.2.3 Dispositif expérimental et configuration des additions de substrats
II.2.4 Evaluation et mesure de la respiration du sol
II.2.5 Détermination du N du P disponibles et microbiens
II.2.6 Extraction et analyses des AGPL
II.2.7 Analyses statistiques
II.3 Résultats
II.3.1 Effet à long-terme des pratiques de fertilisation sur le N et le P disponibles et
microbiens
II.3.2 Effets des pratiques de fertilisation sur les cinétiques de respiration
II.3.3 Biomasse microbienne et structure des communautés microbiennes après l’ajout des substrats
II.4 Discussion partielle
II.4.1 Effet à long-terme des pratiques de fertilisation sur le N et le P disponibles et
microbiens
II.4.2 Indications des limitations microbiennes en nutriments durant l’incubation de
sol
II.5 Conclusion partielle
CHAPITRE III : Effets de différents amendements organiques sur les prélèvements de N et de P par le sorgho et sur la biomasse microbienne du sol par les méthodes de marquage isotopique
Résumé
III.1 Introduction
III.2 Matériels et méthodes
III.2.1 Justification de l’approche méthodologique
III.2.2 Echantillonnage du sol
III.2.3 Préparation et marquage du sol
III.2.4 Préparation et description des amendements organiques et des fertilisants
minéraux
III.2.4 Expérience d’incubation
III.2.5 Expérimentation en pot
III.2.6 Analyses statistiques
III.3 Résultats
III.3.1 Expérience d’incubation
III.3.2 Expérience en pot
III.4 Discussion partielle
III.4.1 La minéralisation du carbone
III.4.2 Effet des amendements sur la biomasse microbienne et la disponibilité du N et
du P
III.4.3 Production et prélèvements de N et de P et par le sorgho
III.5 Conclusion partielle
DISCUSSION GÉNÉRALE
CONCLUSIONS GÉNÉRALES

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