L’aptitude des symbioses rhizobium-légumineuses à fixer l’azote atmosphérique, peut offrir d’importants services aux agro-écosystèmes. Cependant, associés à des contraintes biotiques (i) absence et/ou (ii) inefficacité symbiotique des rhizobiums du sol, des facteurs abiotiques (i) excès d’intrants azotés et/ou (ii) carences en phosphore (P) peuvent limiter la fixation symbiotique d’azote (FSN). Le Myo-inositol hexakisphosphate (phytate), principale composante de P organique (Po) du sol, représente une potentielle source de P disponible du sol, bio-disponible pour la plante, en lien à des activités phytases microbiennes, minéralisatrices du phytate. Afin de rechercher des rhizobiums, symbiontes de Vicia faba, efficaces dans l’utilisation du P (EUP) pour la FSN, nous avons réalisé un diagnostic nodulaire multilocalisé, en agro-écosystèmes sud de France. Le niveau d’efficacité d’utilisation de la symbiose rhizobienne (EUSR), en intra- et inter-placettes agricoles et en conditions hydroaéroponiques en serre, a été déterminé en corrélation des biomasses aériennes et nodulaires de plants de V. faba, à floraison. Parmi 59 isolats de V. faba, 26 sont aptes à minéraliser le phytate (Phy +), en milieu solide et six d'entre eux confirment une activité phytase, en culture liquide. L’intérêt d’une sélection de rhizobiums locaux aptes à une EUP pour FSN, nous a conduits à une avancée dans la sélection de marqueurs moléculaires phytases pour le criblage d’isolats rhizobiens Phy+. Mots ClésRhizobium, diversité, phytase, féverole, Vicia faba, nodulation, France-sud, agro-écosystème. / The ability of rhizobium-legume symbiosis to fix atmospheric nitrogen can provide important services to agro-ecosystems. However, associated with biotic constraints (i) missing and/or (ii) phosphorus (P) deficiency, can limit symbiotic nitrogen fixation (SNF). Myo-inositol hexakisphosphate (phytate), the main soil organic P (Po) component, represents a potential source of soil P available for plant P bio-availability, connected with microbial phytate-mineralizing activities. In order to look for rhizobium-Vicia faba, in P use efficiency (PUE) for SNF ability, nodular diagnosis was performed from a multi-location survey in an agro-ecosystem in South France. The efficiency in use of rhizobial symbiosis (EURS) was deduced from V. faba nodule and shoot dry weight values at flowering state, and compared in intra- and inter agricultural fields and in greenhouse hydroaeroponic conditions. Among 59 V. faba isolates, 26 were able to mineralize phytate (Phy+) in solid medium and six of them confirmed phytase activity in liquid culture. Looking for local rhizobiums with PUE for SNF ability, led us to a forward step in molecular marker selection for Phy+ rhizobium isolate screening. KeywordsRhizobium, diversity, phytase, faba-bean, Vicia faba, nodulation, South-France, agro-ecosystem.

L'agriculture fait face à une crise environnementale qui rend nécessaire la prise en compte du fonctionnement des " écosystèmes ". Mais ce concept de l'écologie donne peu de prise à l'action dans le secteur agricole. Les champs de littérature sur les " biens communs " et sur les " services écosystémiques ", qui traitent de la gestion des écosystèmes, ont été abondamment développés et relayés par les politiques publiques. La thèse montre qu'ils cristallisent souvent les conflits entre les objectifs agricoles et les préoccupations écologiques sans pour autant permettre l'exploration de nouveaux systèmes agricoles.Notre thèse en sciences de gestion met en évidence qu'un nouvel enjeu pour la recherche scientifique est d'apprendre à piloter les régulations écologiques au sein des agro-écosystèmes de manière à rendre l'agriculture durable. Elle cherche à définir les modalités d'une démarche de conception des agro-écosystèmes : peuvent-ils faire l'objet de démarches de conception innovantes ? Quelles sont les méthodes pour les concevoir ? Et quels sont les modes de gouvernance appropriés ?L'analyse historique des raisonnements scientifiques en agronomie et en écologie met en évidence les raisons qui rendent difficiles aujourd'hui la conception des agro-écosystèmes, malgré les connaissances de plus en plus fines sur les régulations écologiques. La thèse modélise une classe d'objets particuliers, les " fonds écologiques ", que les scientifiques introduisent pour aborder les agro-écosystèmes en s'affranchissant des seuls schémas connus. Elle montre l'intérêt de ne pas considérer les fonds écologiques comme des biens communs mais comme des " inconnus communs ". Le modèle proposé, testé sur un archétype de la production intensive en région céréalière, permet d'élaborer une méthode de conception collective et innovante des agro-écosystèmes.

L'agriculture fait face à une crise environnementale qui rend nécessaire la prise en compte du fonctionnement des « écosystèmes ». Mais ce concept de l'écologie donne peu de prise à l'action dans le secteur agricole. Les champs de littérature sur les « biens communs » et sur les « services écosystémiques », qui traitent de la gestion des écosystèmes, ont été abondamment développés et relayés par les politiques publiques. La thèse montre qu'ils cristallisent souvent les conflits entre les objectifs agricoles et les préoccupations écologiques sans pour autant permettre l'exploration de nouveaux systèmes agricoles.Notre thèse en sciences de gestion met en évidence qu'un nouvel enjeu pour la recherche scientifique est d'apprendre à piloter les régulations écologiques au sein des agro-écosystèmes de manière à rendre l'agriculture durable. Elle cherche à définir les modalités d'une démarche de conception des agro-écosystèmes : peuvent-ils faire l'objet de démarches de conception innovantes ? Quelles sont les méthodes pour les concevoir ? Et quels sont les modes de gouvernance appropriés ?L'analyse historique des raisonnements scientifiques en agronomie et en écologie met en évidence les raisons qui rendent difficiles aujourd'hui la conception des agro-écosystèmes, malgré les connaissances de plus en plus fines sur les régulations écologiques. La thèse modélise une classe d'objets particuliers, les « fonds écologiques », que les scientifiques introduisent pour aborder les agro-écosystèmes en s'affranchissant des seuls schémas connus. Elle montre l'intérêt de ne pas considérer les fonds écologiques comme des biens communs mais comme des « inconnus communs ». Le modèle proposé, testé sur un archétype de la production intensive en région céréalière, permet d'élaborer une méthode de conception collective et innovante des agro-écosystèmes. / Agriculture is facing an environmental crisis that makes it necessary to take into account the “ecosystem” functioning. But this concept of ecology is difficult to handle in the agricultural sector. Fields of literature on the "commons" and the "ecosystem services", which deal with the management of ecosystems, have been extensively developed and relayed by public policy. The thesis shows that they often freeze the conflict between agricultural objectives and environmental concerns without allowing the exploration of new farming systems.Our thesis in management science highlights the fact that a new challenge for scientific research is to learn to manage environmental regulations within agro-ecosystems in order to make agriculture sustainable. It aims to define a design approach of agro-ecosystems: can innovative design be applied to them? What are the methods to design agro-ecosystems? And what are the appropriate modes of governance?The historical analysis of scientific reasoning in agronomy and ecology highlights the reasons why the design of agro-ecosystems remains so difficult, despite finer knowledge on environmental regulations. The thesis models a particular class of objects, the “ecological fund” that scientists introduced to deal with agro-ecosystems while escaping the already known patterns. It shows the importance of considering the ecological funds not as common goods but as "common unknowns”. The proposed model, tested on an archetype of an intensive cereal production area, makes it possible to develop a method of collective and innovative design of agro-ecosystems.

Les agrosystèmes représentent une importante part des terres émergées (plus d'un tiers de la surface au sol en Europe) et sont au cœur de nombreuses problématiques de développement durable. Ils sont consommateur d'eau et produisent des gaz à effet de serre (GES) qui contribuent aux changements climatiques en cours, ceux-ci ayant en retour des impacts encore difficiles à prévoir sur le fonctionnement et la gestion des agrosystèmes. L'étude des cycles biogéochimiques au sein des agrosystèmes est donc fondamentale. Le principal objectif de ces travaux de thèse a été d'étudier le fonctionnement carboné et hydrique des agrosystèmes à partir du suivi de la végétation (phénologie, biomasse, surface foliaire) et de mesures micro météorologiques d'échanges de matière (CO2, H2O) et d'énergie à l'interface entre le système sol/couvert et l'atmosphère sur deux parcelles agricoles expérimentales situées au Sud Ouest de Toulouse. L'ensemble de ces travaux a permis de montrer que la mesure des flux par la méthode des fluctuations turbulentes (EC) permet de quantifier les bilans de carbone et d'eau des agrosystèmes et d'étudier certains des processus physiques et écophysiologiques à l'origine des différents flux. A partir de ces mesures, une analyse des flux et bilans d'eau et de carbone a été effectuée. Une méthode de calcul des écobilans intégrant les émissions de GES liées aux pratiques culturales a été établie pour nos sites et appliqués aux parcelles expérimentales de cultures du réseau Européen CarboEurope-IP, représentant un panel important de cultures et de pratiques culturales. Les mesures annuelles de flux net de CO2 à l'interface sol/couvert et atmosphère ont montré que les agrosystèmes se comportent le plus souvent comme des puits atmosphériques de carbone. Cependant, la prise en compte des imports de carbone (fertilisation organique et semences) et des exports de carbone au moment de la récolte en plus des mesures de flux net vertical au dessus de la parcelle a permis de montrer que le bilan de carbone des cultures correspond rarement à un puits et que le plus souvent il est une source de carbone pour l'atmosphère (127 ± 243 g C m-2 an-1 pour 41 années-sites du réseau CarboEurope-IP). En moyenne, pour ces 41 années-sites étudiés, le flux net vertical de CO2 représentait 37 % du bilan de carbone (soit 88 % des entrées de carbone dans la parcelle), les apports de carbone sous forme de fertilisation organique et de semences représentaient 5 % du bilan (soit 12 % des entrées de carbone) et les exports de carbone au moment de la récolte représentaient 58 % du bilan. Les émissions de GES liées aux pratiques culturales représentaient en moyenne seulement 7.6 % du bilan de GES. Ces résultats montrent qu'il est donc fondamental de considérer les flux biosphériques de CO2 (qui représentent 88 % des entrées de carbone) dans le bilan annuel de GES de la parcelle sans quoi ce bilan serait très fortement surestimé. L'efficience de l'utilisation de l'eau (WUE) a été abordée à travers des points de vue agronomiques (production de biomasse par quantité d'eau évapotranspirée) et environnementaux (production nette de carbone de l'écosystème par quantité d'eau évapotranspirée). Ces approches pouvaient parfois produire des résultats contradictoires dans le cas de cultures avec de fortes exportations de biomasse (cas du maïs utilisé pour l'ensilage par exemple) et doivent donc être précautionneusement pris en compte dans l'optique d'une gestion durable des agrosystèmes. Finalement les mesures de flux ont permis 1) de tester une première version du modèle ICASTICS qui permettra de mieux comprendre les processus et de simuler les différentes composantes des flux nets d'eau et de carbone des agrosystèmes pour une gamme importante de cultures, de modes de gestions et de conditions climatiques. 2) de faire évoluer le modèle SAFY pour qu'il puisse calculer des flux et bilans d'eau et de carbone à des échelles supérieures a celles de la parcelle, en utilisant des données de télédétection, dans une perspective de gestion des ressources.

L'agriculture représente 10-15 % des émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES), ce qui justifie que ce secteur soit amené à jouer un rôle dans la lutte contre les changements climatiques. Les échanges de GES entre agro-écosystèmes et atmosphère font intervenir trois composés : le protoxyde d'azote (N2O), le méthane (CH4) et le dioxyde de carbone (CO2). La prédiction de ces échanges de GES nécessite de prendre en compte les processus sous-jacents au sein du système sol-plante, qui sont fortement régulés par les conditions agro-pédoclimatiques. L'utilisation de modèles biophysiques est actuellement une approche très prometteuse en ce sens, mais encore en émergence. La problématique centrale de ce travail de thèse est l'estimation du pouvoir de réchauffement global des agro-écosystèmes, basée sur une modélisation biophysique des agro-écosystèmes et de leurs échanges de GES avec l'atmosphère. Le développement du modèle CERES-EGC a permis d'estimer ses paramètres, grâce à une méthode originale de calibration bayésienne, et d'évaluer son erreur de prédiction pour la simulation des flux de N2O et de CO2 à l'échelle de la parcelle. Ce modèle est désormais en mesure de prédire le bilan de GES des systèmes de cultures. L'application du modèle sur des sites expérimentaux aux conditions pédoclimatiques contrastées a permis de quantifier le pouvoir de réchauffement global de systèmes de cultures à l'échelle de rotations et de tester différentes stratégies de mitigation. L'utilisation et le développement du modèle dans une perspective d'extrapolation spatiale permet de produire des inventaires d'émissions de GES par les surfaces agricoles à échelle régionale.