Cycles biogéochimiques dans les écosystèmes terrestres: de la compréhension à l'écoconception dans un contexte de changement global

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.