L'obiettivo di questa tesi di dottorato era lo studio della influenza di diversi amendanti organici sulla rizosfera e la costruzione di un modello matematico per descrivere il flusso di carbonio nella rizosfera. Per questo motivo, plantule di mais sono state seminate e cresciute all'interno di sistemi rhizobox. La frazione disponibile del carbonio in ogni strato è stata valutata con il biosensore luminescente P. Fluorescence 10586 PUCD607. Inoltre sono stati determinati il carbonio organico totale (TOC), la distribuzione degli acidi organici nella rizosfera e la carica microbica totale. Un modello matematico viene presentato che descrive il flusso del carbonio nella rizosfera. Il modello risolve un'equazione di diffusione-degradazione con lo schema di discretizzazione di Crank-Nikolson ed è accoppiato all'inverse modelling software pest. Infine viene proposto un modello concettuale per la descrizione della biodisponibilità delle sostanze nel suolo. / The main aim of this work was to study the effect of different organic amendments in the rhizosphere soil with innovative techniques, and the building of a modelling tool to describe the carbon flow in the rhizosphere soil. For this reason maize plants were grown in rhizobox systems amended with different organic materials. The available fraction of organic C in each layer was assessed with the lux-marked p. fluorescens 10586 pucd607. Total organic carbon (TOC), organic acid distribution in the rhizosphere and total number of culturable cells as colony forming units (CFU) were also determined. A modelling tool is presented that describes the carbon flow in the rhizosphere. The model solves with the Crank-Nicolson discretisation scheme a diffusion-degradation equation and is coupled to the inverse modelling software pest. Finally a five-compartment conceptual model is proposed for describing organic compounds bioavailabililty in soil.

Die Anwendung von Biokohlen in der Landwirtschaft gewinnt durch die positiven Aspekte der Kohlenstoffsequestrierung, Bodenverbesserung und eines erhöhten Pflanzenwachstums in den letzten Jahren an Bedeutung. Deshalb geht die vorliegende Arbeit den Fragen nach, welche Wirkungen unterschiedliche Biokohlen in Kombination mit oder ohne Gärrest und / oder Stickstoffdünger auf die Bodenchemie, Bodenbiologie und Wachstum, Entwicklung, Ertrag, Ertragsstruktur, Nährstoffe sowie Qualität von Nutzpflanzen haben. Außerdem wurden die Effekte unterschiedlicher Biokohlen auf die Wurzelmorphologie von Sommerweizen quantifiziert. Eine weitere Frage war, inwiefern Biokohlen Stickstoffquellen sorbieren. Es wurden ein Feldversuch und mehrere Gefäßversuche durchgeführt, um die Änderungen der Bodenchemie, den Einfluss auf die Bodenbiologie am Beispiel von Collembolen und die Pflanzenparameter zu bestimmen. Für die Wurzeluntersuchungen wurden Rhizoboxversuche durchgeführt und zur Quantifizierung der Stickstoffsorption ein in vitro Versuch angelegt. Die Ergebnisse der Feld- und Gefäßuntersuchungen zeigten, dass die Biokohlen die Bodeneigenschaften positiv beeinflussten. Die Biokohlen nahmen keinen konsistenten Einfluss auf die Erträge von Kulturpflanzen. Die Nährstoffgehalte der Kulturpflanzen konnten zum Teil positiv beeinflusst werden. Die Collembolenabundanzen zeigten sowohl in der Feldstudie als auch im Gefäßversuch keine signifikanten Unterschiede zwischen den getesteten Biokohlen. Hohe Mengen der fermentierten HTC-Biokohle führten zu negativen Wirkungen auf die Collembolenabundanz im Gefäßversuch. Die Rhizoboxversuche zeigten einen positiven Einfluss der Pyro-Biokohle auf die oberirdische und unterirdische Trockenmasse sowie die Wurzelmorphologie von Sommerweizen. Unterschiedliche Stickstoffquellen wurden von der HTC-Biokohle stärker sorbiert als von der Pyro-Biokohle. Generell lässt sich aus den differenzierten Wirkungen der Biokohlen weitere Forschung mit dem Fokus Boden ableiten. / Over the past few years the use of biochars in agriculture has gained more importance due to positive effects on carbon sequestration, soil improvement and increased plant growth. Therefore, the present work pursues the question which effects different biochars have in combination with or without digestate and / or nitrogen fertilizer on soil chemistry, soil biology and growth, development, yield, yield components, nutrients and quality of crops. In addition, the effects of different biochars on root morphology of spring wheat were quantified. Further to elucidate potential mechanisms underlying biochar effects on crops it was studied how biochars sorb various nitrogen sources. A field test and several pot experiments were conducted to determine the changes in soil chemistry, the impact on soil-dwelling Collembola and plant parameters. For the root studies rhizobox experiments were performed. To quantify the nitrogen sorption of biochars an in vitro experiment was conducted. The results of the field test and pot experiments showed that biochars positively affected soil chemical characteristics. However, yields of crops were not consistently affected by biochars. The nutrient content of crops were positively influenced to some extent. The abundance of Collembola was not significantly influenced by the biochars tested in the field study and in the pot experiment. High amounts of fermented HTC-biochar had negative effects on the abundance of Collembola in the pot experiment. Rhizobox experiments showed a positive influence of Pyro-biochar on the aboveground dry matter, belowground dry matter and root morphology (e.g. root length) of spring wheat. Amount and reversibility of nitrogen sorption was dependent on the type of biochar with HTC-biochar sorbing more nitrogen than Pyro- biochar. Generally it can be concluded that because of the different effects of biochars further research with a focus on soil is needed.

Pour d'évidentes raisons agronomiques et environnementales, être en mesure de concevoir et mettre en place des systèmes de culture dans lesquels les plantes accèdent aux ressources de manière optimale revêt une importance cruciale pour tous les intervenants impliqués dans la production agricole. Les techniques d'intensification telles que la mise en place de cultures d'inter-rang et l'agro-foresterie visent à accroître la productivité globale des terres tout en assurant la durabilité des agro-écosystèmes, via une optimisation de l'utilisation des ressources environnementales (lumière, eau et nutriments) par les plantes et une préservation des cycles géochimiques. En théorie, les moyens d'atteindre ces objectifs sont nombreux mais en pratique, les interactions souterraines sont complexes et difficiles à mesurer, de sorte que les progrès réalisés dans la conception d'agro-écosystèmes améliorés et durables demeurent modestes. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail a été d'évaluer, au travers de mesures racinaires detaillées en rhizotron et au champ, les effets des cultures d'inter-rang sur la croissance des jeunes hévéas. La dynamique des interactions souterraines a été étudiée, tant au niveau de la racine individuelle qu'à celui du système racinaire entier, sur la base, notamment, de descriptions numériques détaillées. Une telle approche a permis de proposer, en outre, une voie novatrice pour l'analyse de la dynamique racinaire à l'echelle du systeme racinaire entier, à savoir l'analyse des trajectoires de croissance. Dans le cas de l'association maïs-hévéa, les expérimentations en rhizotron ont permis de mettre en evidence que les interactions souterraines entre ces deux plantes peuvent induire des modifications de la croissance de leurs racines, à la fois à l'échelle de la racine individuelle et à celle du système racinaire entier. Toutefois, une telle coordination des dynamiques racinaires des plantes associées n'a pas pu être confirmée dans le cas des traitements manioc-hévéa et arachide– hévéa. Les expérimentations au terrain ont fourni, de manière assez prévisible, une image complexe des interactions souterraines entre hévéa et cultures d’inter-rang. Toutefois, un premier résultat obtenu par le biais de la mise en place de 'pièges à racines' dans un traitement niébé-hévéa, a été de montrer que ces deux plantes n'avaient pas un comportement compétitif marqué l'une vis-à-vis de l'autre. Il est également apparu que les hévéas paraissent ‘investir’ dans des racines ‘coûteuses’, car de faible longueur spécifique, probablement pour assurer une certaine durabilité de ces organes, tandis que les cultures d’inter-rang favorisent l'allocation des assimilâts vers des racines de longueur spécifique élevée, de construction moins ‘coûteuses’, probablement en réponse a un impératif de croissance plus rapide (suggéré par les taux d’élongation racinaire mesurés au cours des expérimentations en rhizotron). Enfin, excepté le cas du manioc, l’introduction de cultures d’inter-rang telles que le maïs et l'arachide n'a pas eu d'impact significatif sur le développement des jeunes hévéas, comme en attestent l'évolution de leur circonférence, hauteur et développement foliaire. Ce résultat de terrain est compatible avec les résultats des expérimentations en rhizotron qui n'ont démontré aucun effet inhibiteur des cultures d’inter-rang sur le développement de la partie aérienne des hévéas. Bien que les travaux présentés dans ce rapport, ne permettent pas, à eux seuls de conclure de manière définitive sur la façon dont les espèces cultivées en association peuvent se compléter mutuellement sur le plan fonctionnel, ils apportent des éléments de réponse préliminaires à cette question complexe ainsi que des méthodes permettant de les obtenir. Au total, ce travail représente donc une contribution à la conception des agro-écosystèmes durables qui deviennent de plus en plus indispensables dans le contexte d'une demande mondiale croissante en produits alimentaires et matières premières. En outre, certains des résultats obtenus dans le cadre de cette thèse ouvrent des perspectives pour des recherches plus approfondies, avec une finalité agronomique appliquée / For obvious agronomic and environmental reasons, being able to design and implement agro-ecosystems in which crops have optimal access to resources is of pivotal importance to all stakeholders involved in agricultural production. Intensification techniques such as agro-forestry or the introduction of inter-crops aim to increase land productivity while conserving geochemical cycles, to ensure the sustainability of agro-ecosystems through an optimized use of environmental resources (light, water and nutrients). In theory, there are many ways of achieving such a goal, but in practice, below-ground interactions between plants are complex and difficult to measure, so that progress with the development of sustainable agro-ecosystems has been slow and remains modest. In this context, the objective of this work was to assess the effects of inter-crops on the growth of young rubber trees, based on a detailed analysis of below-ground interactions between the associated plants. The dynamics of below-ground interactions has been studied in rhizoboxes, at both the scale of individual roots and that of the whole root system, using detailed numerical descriptions of root architecture. Such an approach resulted in the design of an innovative method for the analysis of the entire root system dynamics, namely, the analysis of growth trajectories. In the case of the maize-rubber tree association, the experiments in rhizoboxes showed that the below-ground interactions between these two plants can induce changes in root growth, at both the individual root and the whole root system levels. However, such a coordination of rooting patterns could not be confirmed in the case of the cassava-rubber tree and groundnut-rubber tree associations. Not unexpectedly, field experiments provided a rather complex picture of the underground interactions between rubber trees and inter-crops. However, initial results obtained using 'root traps' in a cowpea-rubber tree treatment indicated that these two plants were unlikely to have a marked underground competitive behavior relative to each other. Results of field experiments also indicated that, in general, rubber trees seem to 'invest' in 'expensive roots' of low specific root length, presumably to confer some degree of durability to these organs, while inter-crops favoured the allocation of assimilates to 'cheaper' roots, i.e. roots of much higher specific length, probably in response to a 'fast growth imperative' (an hypothesis supported by the root elongation rate values measured during the rhizobox experiments). Finally, to the possible exception of cassava, inter-crops were found to have no significant impact on the development of young rubber trees, as evidenced by measured changes in tree circumference, height and leaf development. This result is consistent with results from the rhizobox experiments which also showed no inhibitory effect of inter-crops on the above-ground development of rubber trees. Although the work presented in this report does not allow, in itself, to conclude firmly on the issue of the functional complementarity between plants grown in association in inter-cropping systems, they provide preliminary answers to this complex issue together with methods to obtain such answers. Overall, this work therefore represents a contribution to the design of sustainable agro-ecosystems which are becoming increasingly needed in the context of a growing global demand for food and raw materials. In addition, some of the results generated by this work open up prospects for future research for the development of sustainable agro-ecosystems