Le phosphore (P) est un élément nutritif essentiel au cycle de croissance des plantes. Du fait de leur forte rétention sur les phases solides, la concentration en ions phosphates (PO4) dans la solution du sol est généralement faible (Hinsinger, 2001). Ces dernières décennies la production agricole mondiale s'est accompagnée d'une augmentation massive de l'usage de fertilisants inorganiques (Tilman, 2002). Ces pratiques ne constituent pas une solution durable de par leurs impacts négatifs sur l'environnement et la raréfaction des ressources minières PO4 prévu ces prochaines décénies (Cordell et al., 2009). Le développement de systèmes de cultures associées céréale - légumineuse constitue une voie d'optimisation durable de la fertilité des sols vis-à-vis du P (e.g. Cassman et al. 1999 ; Betencourt et al., 2012). Cependant les variables contrôlant la disponibilité du P au sein de ces systèmes n'ont pas encore été clairement identifiées (e.g. Hinsinger et al., 2011 ; Li et al., 2010). Leur optimisation doit passer par une meilleure compréhension des processus et mécanismes rhizosphériques sous jacents à l'augmentation du P disponible. De récents travaux ont montré l'intérêt des modèles mécanistes pour l'amélioration de ces connaissances au sein de la rhizosphère du blé dur (e.g. Devau et al., 2010, 2011b). Cette approche repose sur une description thermodynamique (i.e. à l'équilibre) de l'adsorption des ions à la surface des minéraux et de la matière organique (Hiemstra et Van Riemsdijk, 1996 ; Kinniburgh et al., 1999).Dans ce contexte, l'objectif de mon travail de recherche était de développer et d'utiliser la modélisation mécaniste afin de déterminer les variables régulant la disponibilité du P au sein de la rhizosphère du pois chiche cultivé seul puis en association avec le blé dur. L'exsudation d'anions organique étant largement reconnu dans la rhizosphère du pois chiche (e.g. Veneklaas et al., 2003) des simulations in silico (i.e. prédictives) des effets de l'adsorption de citrate sur la disponibilité du P ont été préalablement réalisées. Ces dernières portaient sur des sols à propriétés contrastés (composition minéralogique, calcium échangeable, DOC, SOM, pH) afin d'identifier l'influence de ces variables sur le comportement du citrate et des ions PO4. Cette première étude a entre autre permis de mettre en évidence un mécanisme, jusqu'à lors inconnu, induisant une diminution du P disponible suite à de faibles apports en citrate. Les sorties du modèle ont permis d'expliquer ce résultat par une succession d'interactions électrostatiques impliquant respectivement le citrate (Cit3-), le calcium (Ca2+) et le P (PO43-) à la surface des minéraux argileux (Duputel et al., 2013a). Dans un second temps, des mesures ont permis de confirmer l'influence de ce mécanisme dans un chromic cambisol (Duputel et al., 2013b). Dans un dernier temps, en utilisant une approche combinant expérimentation sol – plante en rhizobox et modélisation mécaniste, mes recherches ont permis d'identifier et de hiérarchiser les processus et mécanismes régulant la disponibilité du P au sein de la rhizosphère du pois chiche et du blé dur cultivés seuls et en association (Duputel et al., 2013c,d). Ces résultats confirment la prédominance du mécanisme d'adsorption / désorption pour le contrôle de la disponibilité du P dans la rhizosphère. Les effets cumulés de trois processus racinaires permettent d'expliquer l'augmentation du P disponible mesurée dans la rhizosphère. Il s'agit du prélèvement en calcium, du flux de proton et de l'exsudation de citrate. Les effets des deux premiers processus racinaires prédominent. Le PO4 ainsi libéré dans la rhizosphère proviendrait essentiellement de l'illite, qui est une phase majeure pour la fixation de PO4 dans le sol étudié (i.e. luvisol). / Phosphorus (P) limits plant growth in many soils as phosphate (PO4) is naturally present in very low concentration in soil solutions (0.1 to 10 µM; Hinsinger 2001). Low soluble PO4 concentrations (i.e. available P) are the result of the very high adsorption affinity of PO4 for mineral surfaces and the low solubility of PO4-containing minerals (e.g. Shen et al., 2011). The use of PO4 fertilizers has permitted to increase P availability in soil and ultimately has contributed to massively increase crop yield the last decades (Tilman et al., 2002). Such practices are not sustainable nowadays because of the scarcity of phosphate rock and because of the environmental issues related to PO4 fertilization (e.g. Bumb and Baanante, 1996; Cordell et al., 2009). A way of research is the development of alternative strategy to better exploit soil P ressources, as the management of cereal – legume intercropping (e.g. Cassman et al. 1999 ; Betencourt et al., 2012). However the designation of variables that control P availability, under such a device, is difficult as the involved processes are strongly contextual (e.g. Hinsinger et al., 2011 ; Li et al., 2010). The managment of intercropping systems requires an acute knowledge about the processes and mechanisms that control soil P availability in a context of a P uptake facilitation phenomena. Recent studies used a new approach to better understand the complex interacting processes and controlling mechanisms that alter P availability in the rhizosphere of durum wheat (e.g. Devau et al., 2010, 2011b). It is based on the use of surface complexation modelling which offer a mechanistic description of the adsorption mechanism onto soil minerals and organic matter. (Hiemstra et Van Riemsdijk, 1996 ; Kinniburgh et al., 1999).The aim was to develop and use this approach in order to identify and rank the main involed processes and mechanisms that regulate P availability in the rhizosphere of chickpea sole-crop and chickpea – durum wheat intercropping. The release of organic anions is well known in the rhizosphere of chickpea. Therefore in silico (i.e. predictive) simulations of the effect of citrate adsorption on soil P availability were first carry out. The effect of several soil variables on the citrate efficiency were investigated (mineralogy, exchangeable Ca, DOC, pH, SOM). We found that citrate can either increase or decrease P availability in soil, depending mainly on the occurrence of 2:1 clay minerals and on the concentrations of citrate, adsorbed Ca, and soil organic carbon. Model output showed that the deleterious effect of citrate was due to electrostatics interactions between citrate, calciumand P onto mineral surface sites (Duputel et al., 2013a). Then a second experimental and modelling study confirmed that the release of citrate in soils and its subsequent adsorption onto minerals can produce the decrease of P availability (Duputel et al., 2013b). Finally, throught a combined approach (experiment - mechanistic modelling) my research works enable to identify and rank the processes and mechanisms that regulate P availability in the rhizosphere of intercropped species (Duputel et al., 2013c,d). Results underline the importance of adsorption mechanisms in our experimental conditions. Calcium uptake and soil acidification were the two main processes involved in the control of available P in the rhizosphere of the intercropped plants. Citrate release and P uptake were also involved in the variation of P availability but to a lower extent. Predominantly phosphate adsorbed onto illite was mobilized by such rhizosphere processes.

Dans l'ouest de l'Europe, une grande importance est accordée à la composante sol dans l'élaboration des vins. La nutrition minérale est la principale voie par laquelle le sol peut avoir une influence sur la vigne et par conséquent sur le vin qui en est issu. Dès lors, ce travail de thèse appréhende la question plus large des transferts élémentaires entre le sol et la plante à travers de l'utilisation d'outils géochimiques en milieu viticole. Une combinaison de techniques impliquant des indicateurs classiques tels que les rapports élémentaires ou des bilans de masses ainsi que des traceurs plus innovants comme les rapports isotopiques du Cu et la résonance paramagnétique électronique (RPE) est utilisée. Dans un premier temps, l'influence du sol sur la composition élémentaire du vin a été étudiée dans plus que 200 vins provenant d'Allemagne, d'Espagne, de France, et d'Italie. A cette échelle, le type de sol (classé comme calcaire ou non-calcaire) et les conditions météorologiques apparaissent comme des critères discriminants. Par la suite, deux parcelles viticoles de Soave (Italie) aux sols contrastés ont été étudiées afin de d´déterminer l'influence du type du sol sur les vignes. Même si les sols présentent des propriétés pédologiques différentes, une pédogénèse complexe a induit des propriétés géochimiques similaires. Dans les vignes, les traceurs élémentaires et biochimiques montrent que la variabilité inter-annuelle et inter-individuelle est plus grande que la différence liée au sol lui-même. Néanmoins, il est possible de déterminer quel est le sol considéré par l'étude des rapports isotopiques du Sr. Parmi tous les nutriments et éléments toxiques généralement étudiés pour leur mobilité dans les sols, le cuivre a été suivi dans la dernière partie de cette thèse, essentiellement du fait de son épandage toujours massif comme fongicide en viticulture. En effet, les pesticides cupriques comme la bouillie bordelaise sont utilisés depuis environ 150 ans en viticulture. Le Cu s'accumule d`es lors dans les sols et les conséquences ´ecotoxicologiques en font un sujet de plus en plus sensible. Parmi les pesticides analysés dans notre étude, les rapports isotopiques du Cu varient autant entre les différents fongicides que dans les sols étudiés dans la littérature, rendant ainsi impossible l'utilisation de ces isotopes comme traceurs d'origine du Cu dans les sols. [...] / In western Europe, soil is of primordial importance for wine making. Soil qualities are often discussed and an influence on wine flavor is frequently inferred. However, evidence for a role of soil chemistry on wine composition and taste is scarce, but mineral nutrition of grapevine plants is one possible way of influence. This thesis approaches the complex question of elemental cycling between soil and plant through the use of geochemical tracers in vineyard environments. A combination of traditional tracers such as elemental ratios and mass balances as well as innovative tools such as Cu isotope analysis and electron paramagnetic resonance (EPR) are used on different observation scales. The influence of soil type on wine elemental composition was investigated using over 200 wine samples from France, Germany, Italy and Spain. Results of chemical analysis were then statistically linked to environmental conditions. At this scale, elemental contents of wine vary depending on soil type (calcareous or not), meteorological conditions, and wine making practice. To determine which soil properties can influence the chemical composition of grapevine plants, two vineyard plots on contrasted soils in Soave (Italy) were examined. Soil forming mechanisms were studied along two catenas and subsequently linked to elemental composition of grapevine plants and biochemical markers of plant health. Even though soil morphology was different, complex soil forming processes led to similar geochemical properties of soils. Differences in plant chemical compositions between soil types are small compared to inter-individual and inter-annual variability. However the use of Sr isotopic ratios allows the determination of the pedological origin of plants. In a next step, the fate of Cu pesticides in vineyard soils was studied. Cu-based pesticides have been used for almost 150 years in European vineyards and Cu accumulates in soils, so that the fate of Cu and its ecotoxicological implications are of growing importance. Therefore, Cu mobility in vineyard soils and transfer to grapevine plants were investigated using stable Cu-isotope ratios and EPR-measurements. Isotope ratios of Cu-based fungicides vary largely between products, covering Cu isotope ratios in soils reported in literature and thus making source tracing impossible. However, Cu isotope ratios are useful for tracing biogeochemical mechanisms of Cu transport in soils. The vertical transport of Cu in different soil types was investigated in the Soave vineyard using a combination of mass balance calculations, kinetic extractions and δ65Cu-isotope ratios. Results suggest that Cu can be transported to depth even in carbonated environments. Besides it is shown that heavy organic-bound Cu is lost from carbonated soil columns likely caused by dissolution of Cu carbonates by organic matter. [...]