L’objectif de ce travail de thèse a été d’étudier l’impact des activités microbiennes sur la spéciation et les flux de phosphore au sein de la colonne d’eau du lac Pavin. Ce lac ferrugineux et méromictique (stratifié de façon permanente) constitue un modèle d’étude des processus de phosphatogenèse, la transition oxique-anoxique délimitant une zone de précipitation de phases minérales phosphatées. Alors que l’on pensait que cette précipitation résultait de processus abiotiques, la contribution des communautés microbiennes a été récemment évoquée mais son ampleur restait à déterminer.Les travaux présentés dans cette thèse ont permis de révéler une plus forte activité phosphatasique alcaline (APA) au niveau du compartiment supérieur brassé saisonnièrement (mixolimnion). De plus, une corrélation négative entre la concentration en orthophosphates en solution et l’APA a été montrée. Nous avons déterminé le flux et la composition des particules phosphorées sédimentant vers la zone de phosphatogenèse. Nous avons également quantifié par spectrofluorimétrie les inclusions de polyphosphates (poly-P) intracellulaires du mixolimnion et montré qu’elles sont particulièrement abondantes dans le pic de turbidité lié à la biomasse photosynthétique. En outre, l’optimisation d’un protocole de quantification des poly-P nous a permis de déceler plusieurs contraintes associées. Enfin, en utilisant une approche corrélative couplant différentes microscopies, nous avons identifié des bactéries magnétotactiques abondantes à l’interface redox, accumulant des inclusions de soufre et de phosphore (poly-P), et qui pourraient ainsi contribuer significativement aux cycles biogéochimiques de ces éléments. / This work aimed at deciphering the contribution of microbial activities to the speciation and fluxes of phosphorus particles in the water column of Lake Pavin. This ferruginous and meromictic (i.e. permanently stratified) lake is a model case for phosphatogenesis; the oxic/anoxic boundary is located within the water column, delimiting a zone where precipitation of phosphate mineral phases occurs. While it was previously assumed that this precipitation was induced by abiotic processes only, recent clues highlighted the contribution of microbial communities. Yet, the nature and magnitude of this contribution were poorly known.Here, we show that the highest activity of alkaline phosphatases (APA) occurred within the mixolimnion (the upper layer affected by seasonal mixing). Moreover, we found a negative correlation between the concentration of dissolved orthophosphates and the APA. We quantified the flux and the composition of the phosphorus particles settling to the phosphatogenesis zone. We also quantified the intracellular polyphosphate (poly-P) inclusions in the mixolimnion, by using spectrofluorimetry. We showed that poly-P were particularly abundant at depths where the photosynthetic biomass dominated. Furthermore, the development of a poly-P quantification protocol enabled us to detect several associated issues. Finally, using a correlative approach with different types of microscopy, we identified abundant magnetotactic bacteria at the redox interface, containing intracellular inclusions of sulfur and phosphorus (poly-P). These bacteria may therefore play a major role in the biogeochemical cycles of these elements.

L'amélioration de notre compréhension des mécanismes et processus qui affectent le cycle du phosphore (P) dans les sols de grandes cultures est un préalable au développement de meilleures pratiques de sa gestion. L'objectif général de l'étude a été de déterminer l'effet des pratiques agricoles (travail du sol, fertilisation phosphatée, systèmes de cultures) sur la dynamique du P, particulièrement le P disponible aux plantes, dans les sols de grandes cultures. Nous avons aussi déterminé l'effet des cycles de gel et de dégel sur la disponibilité du P de la couche superficielle du sol, et la distribution du P dans les agrégats dans le semis direct et le labour conventionnel. Deux sites de longue durée, Canadien et Français, ont été utilisés. Le site Canadien est une rotation maïs - soja dans laquelle les facteurs de variation ont été le travail du sol (semis direct, labour conventionnel), les cycles de gel et de dégel et la fertilisation phosphatée. Le site Français est une monoculture de maïs où on a fait varier la fertilisation phosphatée. Dans les deux types de travail du sol, le P du sol disponible aux plantes sous une rotation biannuelle maïs - soja diminue avec le temps pour se stabiliser autour de 30 et 25 mg P kg⁻¹ avec le traitement 0 P dans le semis direct et le labour conventionnel, respectivement. Dans la monoculture de maïs, il y a une relation linéaire stable quelque soit la durée d'expérimentation entre le statut de P et le bilan cumulé. L'évaluation mécaniste et quantitative de la disponibilité du P du sol aux plantes permet de modéliser les variations du statut de P du sol pour les régimes de fertilisation équilibrés. Cette étude a montré que l'augmentation des cycles de gel et de dégel entraîne des niveaux élevés de P extrait à l'eau et la solution Mehlich-3 dans le semis direct amendé de résidus de culture comparé au labour conventionnel. Lorsque le sol est séparé en agrégats stables à l'eau, la teneur en P extrait à l'eau des agrégats sous le semis direct augmente dans l'ordre particule-(limon + argile) < micro- < meso- < macro-agrégats; sous le labour conventionnel, on observe une distribution aléatoire du P extrait à l'eau entre les agrégats stables à l'eau.

Cette thèse décrit les systèmes de production agricole en termes de flux biogéochimiques d’azote (N), de phosphore (P) et de carbone (C) dans les territoires français de 1852 à 2014 suivant une approche socio-écologique qui permet d’appréhender les logiques qui les gouvernent. Les résultats obtenus mettent en lumière à l’échelle des territoires français le lien systémique entre structures de production, bilans N et P et variations des stocks de C organique dans les sols agricoles. Les systèmes agricoles intensifs et spécialisés engendrent les pertes environnementales et les consommations de ressources par unité de surface agricole les plus considérables et accentuent l’ouverture des cycles d’N et de P. Cependant, c’est seulement après la seconde guerre mondiale que certaines régions françaises se sont spécialisées dans la grande culture ou, à partir des années 1980, dans l’élevage intensif. La période des années 1950 à 1980 est marquée par l’accélération des rendements des cultures végétales, de la densité de cheptel et de l’usage des fertilisants minéraux. Les conséquences en ont été une augmentation des bilans N et P et des apports de C aux sols agricoles, causant des pertes considérables d’N vers l’hydrosphère et l’atmosphère et l’augmentation des stocks de P et de C dans les sols. Néanmoins, l’accumulation du C n’a été rendue possible que par le recours aux fertilisants minéraux et au machinisme agricole consommant des énergies fossiles. Ainsi, le stockage du C dans les sols représente un effet secondaire du passage d’un métabolisme énergétique dépendant de l’énergie solaire à un métabolisme fondé sur la combustion d’énergie fossile. / This work investigates agricultural systems from the angle of nitrogen (N), phosphorus (P) and carbon (C) fluxes in French regions from 1852 to 2014, following a socio-metabolic approach stressing out the underlying logic behind these material fluxes. Results brought out by this research highlight the systemic relation between production pattern and N and P balances, and changes in soil organic C stocks in agricultural soil. Intensive specialized agricultural systems generate high environmental losses and resource consumption per unit agricultural surface and present largely open nutrient cycles due to substantial trade flows. Conversely, integrated crop and livestock farming have more limited N and P consumption and lead to lower air and water contamination. Long-term analysis shows that only after the Second World War, under the pressure of strong interventionist policies, some French regions specialized into crop or livestock farming. Particularly, the period from the 1950’s to the 1980’s was marked by a concomitant acceleration in crops yields, livestock production and use of mineral fertilizers. This resulted in increased N and P balances over cropland and grassland and growing C inputs to cropland, causing important losses of N to the hydrosphere and atmosphere, together with the accumulation of P and C stocks in soils. However, C accumulation resulting from increased crop production was permitted by the increased recourse to mineral fertilizers and agricultural machinery which consumes fossil-fuel energy. Therefore, C storage in cropland was a side-effect of the shift from an energy metabolism based on solar energy to one based on fossil-fuel combustion.

La pratique du «semis direct» ou no-till (NT) se développe rapidement comme méthode de conservation des sols. Cette pratique modifie nombre de propriétés du sol comme, par exemple, la répartition du phosphore (P) dans le profil du sol. L’objectif de cette thèse est d’analyser les impacts après plusieurs décennies sous la gestion de NT sur le cycle biogéochimique du P et d’intégrer ces effets dans un modèle de fonctionnement. Nous avons utilisé un essai au champ de longue durée sous maïs-soja (L’Acadie, Québec, Canada) implanté sur un sol argilo-limoneux. Le dispositif était un split-plot à 4 blocs avec le labour conventionnel ou « mouldboard plough » (MP) et sans labour (NT) en parcelles prioncipales et 3 doses de fertilisation en P minéral [0 (0P), 17.5 (0.5P), 35 (1P) kg P ha⁻¹] apportées sur le maïs et localisées à 5 cm de profondeur et à 5 cm du rang de maïs, en sous-parcelles. La concentration en ions phosphates dans le sol (Cp) était relativement uniforme dans la couche labourée (0-20 cm) (0.08 mg P L⁻¹), puis baissait légèrement dans la couche 20-30 cm (0.05 mg P L⁻¹) et davantage au-delà (0.01 mg P L⁻¹). Sous les traitements [NT, 0.5P] et [NT, 1P] traitements, le Cp était plus élevé dans la couche 0-10 cm (0.28 et 0.19 mg P L⁻¹) que dans la couche labourée mais baissait rapidement avec la profondeur. Cette stratification verticale sous NT était également observée pour les teneurs en P-Olsen, P-M3 et autres nutriments comme C, N et K. Après 23 et 24 années d’essai, il y avait tendanciellement moins de racines du maïs sous NT (-14%) que sous MP, probablement à cause de la présence plus importante d’adventices sous NT. Pour le soja, il y avait beaucoup plus de racines dans la couche 0-10 cm sous NT (44% de longueur total) que sous MP (21%) et inversement dans la couche 10-20 cm. Ces différences de distribution des racines sous NT et MP correspondaient à la stratification de N, P, et K. Ce jeu de données sur la distribution des racines et du phosphore a été utilisé pour i) évaluer un modèle 1D décrivant la dynamique du P dans la couche labourée du sol sur plusieurs décennies, ii) proposer un mode d’estimation de la distribution du prélèvement dans le profil de sol, et iii) développer un modèle spatialisé 2D décrivant la dynamique du P pour le traitement sans labour. Ce modèle permet de simuler l’évolution de la disponibilité en P du sol sur le long terme quelque soient les modes de préparation du sol et le régime de fertilisation P. Même si le modèle surestime parfois la disponibilité en P à proximité de la zone fertilisée, il permet de prédire la stratification du P du sol en NT et ses conséquences sur le prélèvement de P en relation avec les propriétés du sol et le développement du système racinaire. Il contribue à améliorer le raisonnement de la fertilisation phosphatée dans le contexte du sans-labour. Mots clés : labour, sans-labour, semis direct, agriculture de conservation, fertilisation phosphatée, agrosystèmes, stocks et flux, interception racinaire, sol, fertilité, bilan. / The no-till (NT) is gaining great attention for soil preparation. This practice modifies number of soil properties such as the distribution of phosphorus (P) in the soil profile. This work aims to analyze the impacts on the biogeochemical P cycle after decades of NT and to incorporate those effects in an operational model. We used a long-term field experiment under corn-soybean rotation established on a clay loam soil (L’Acadie, Quebec, Canada). The design was a split-plot plan with 4 blocks under moldboard plough (MP) and NT as main plots, subdivided by 3 doses of P [0 (0P), 17.5 (0.5P), 35 (1P) kg P ha⁻¹] applied in corn phase and localized to 5-cm deep and 5-cm from the corn row, as sub-plots. The phosphate ion concentration under MP was relatively constant (0.08 mg P L⁻¹) in the tilled layer (0-20 cm), slightly lower in 20-30 cm (0.05 mg P L⁻¹) and much lower below (0.01 mg P L⁻¹). In [NT, 0.5P] and [NT, 1P] plots, Cp was higher (0.28 et 0.19 mg P L⁻¹) in the 0-10 cm layer compared to the tilled layer in MP, but decreased sharply with depth. This vertical stratification in NT was also observed for P-Olsen, P-M3 and other nutrients as C, N, and K. After 23- and 24-year of experimentation, maize roots tended to be fewer (-14%) under NT than MP, probably because of increased weed infestation under NT. For soybean, more roots accumulated in the 0-10 cm layer under NT (44% of total length) than MP (21%) and vice versa for the 10-20 cm layer. Those differences in root distribution under NT and MP corresponded to the stratification of N, P, and K. This data set on the distribution of roots and phosphorus was used i) to develop a 1D model describing P dynamics over several decades in MP, ii) to test a method to assess the spatial P uptake distribution according local root length density and soil P availability, and iii) to develop a spatial 2D model describing P dynamic in NT. This model simulates the soil P availability dynamic on long term according soil properties and crop root distribution within the soil profile for different soil preparation regimes and P fertilization rates. Although the model overestimates the P availability near the localized P fertilizer, it can predict soil P stratification in the NT treatment and its consequences on crop P uptake. This new model will be a useful tool to improve P fertilization management in context of no-till practices. Keywords: tillage, no-till, direct drilling, conservation agriculture, phosphate fertilizer, agro-systems, stocks and flows, root interception, soil fertility, P budget.