Soutenance mémoire
Avec la croissance démographique, les besoins alimentaires augmentent en Afrique de l’ouest alors que les longues périodes de jachère qui régénèrent la fertilité des sols diminuent (Floret and Pontanier, 1993 ; Ndour, 2003). On assiste à une intensification de l’activité agricole. Malheureusement, ces changements se sont déroulés au prix d’une dégradation des conditions environnementales. Il y a presque 20 ans, lors du « sommet de la terre » à Rio de Janeiro en 1992, qu’a été dressé le premier constat alarmiste concernant l’érosion de la biodiversité et ses conséquences potentielles sur le fonctionnement de la planète. Alors que la biodiversité a été longtemps perçue comme un bien inépuisable et que l’homme se devait de « dominer » la nature à son profit, d’autres perceptions de la place de l’homme sur la planète sont apparues comme par exemple la nécessité de sauvegarder la biodiversité, d’en assurer une utilisation durable et équitable. Afin de proposer des stratégies efficaces, il convient de bâtir des scénarios basés sur la connaissance du rôle des différentes composantes d’un écosystème dans son fonctionnement. L’étude de systèmes expérimentaux ayant mis en œuvre des traitements depuis de longue durée permet d’acquérir ces connaissances. Ainsi le développement de recherches en milieu naturel dans des observatoires de longue durée (représentatifs des types de sols, climats et modes d’usage des sols) est un enjeu stratégique. D’un point de vue écologique, le sol représente un habitat unique et complexe qui héberge une très grande diversité d’organismes. Il est le siège de processus biologiques et écologiques et fournit donc un nombre de services écosystèmiques résultant de la complexité des assemblages taxonomiques et fonctionnels des communautés présentes et des interactions entre les organismes (Coleman and Whitman, 2005). De façon non exhaustive ces services sont (i) la fertilité des sols via la dégradation de la matière organique et le recyclage des nutriments, (ii) la protection de l’environnement en terme de réduction des pollutions et régulation des émissions de gaz à effets de serre, (iii) l’alimentation humaine à travers la production végétale. Les microorganismes sont en grande partie responsables des flux de matière et d’énergie dans la biosphère et sont des acteurs importants du fonctionnement et de la dynamique des écosystèmes. Les microorganismes du sol (champignons et bactéries) représentent la communauté la plus importante tant en terme de fonctions (cycle des nutriments) qu’en terme de diversité (4000 séquences de gènes différentes dans 1 gramme de sol ; Torsvik et al., 1990 ; Maron et al., 2007). Leur intervention dans les cycles biogéochimiques des éléments majeurs (C, N, P) et des oligoéléments est capitale. Ils sont impliqués dans les transferts d’énergie et de nutriments au niveau du sol. Pourtant, le nombre d’études sur la quantification de la diversité des organismes du sol en général et des microorganismes en particulier et sa traduction en fonctionnement biologique est relativement faible au regard des travaux portant sur la diversité des organismes vivants à sa surface (notamment les plantes). Ceci est dû en grande partie à la complexité de cette communauté microbienne et aux difficultés d’isolement des bactéries. Tiedje et al. (1999) ont utilisé le terme de « boîte noire » pour définir la vision du compartiment microbien. Aussi l’écologie microbienne des sols, longtemps abordée selon une approche basée sur la culture dans les milieux sélectifs, a connu un nouvel essor grâce aux techniques de biologie moléculaire qui permettent d’explorer la diversité des communautés microbiennes sans passer par leur isolement (Duarte et al., 1998, Ranjard et al., 2000). Ces techniques sont basées sur l’analyse des acides nucléiques (ADN/ARN) directement extrait du sol.
Le système étudié : le sol
Le sol est défini comme une formation naturelle vivante et dynamique qui se développe à la surface de l’écorce terrestre. C’est une combinaison, en proportions variables, d’une fraction minérale et d’une fraction organique, combinaison par ailleurs plus ou moins riche en eau et en gaz et abritant de nombreux organismes vivants .
La fraction minérale
La fraction minérale du sol est composée de particules élémentaires dont la nature, l’état physique et les propriétés sont très différents. Elle représente 93 à 95 % du poids du sol total. Ces particules minérales sont issues de l’altération de la roche-mère. Il s’agit des sables (diamètre entre 2 mm et 50 µm), des limons (entre 50 µm et 2 µm) et argiles (inférieur à 2 µm). Les proportions relatives en sables, limons, argiles définissent la texture du sol.
Les particules minérales délimitent, entre elles, des vides. Ces vides sont occupés par de l’air ou de l’eau. La composition, les propriétés de ces deux phases, gazeuse et liquide, dépendent de la taille des pores, de la nature des processus qui se déroulent dans le sol.
La fraction organique
L’ensemble des substances biologiques d’origine animale ou végétale présentes dans le sol constitue la phase organique. On distingue :
– La fraction organique morte qui représente plus de 80% de la matière organique du sol. Elle est composée des résidus issus des végétaux et d’animaux. Cette matière organique subit de nombreuses transformations dans le sol : elle est fragmentée, altérée chimiquement mais aussi biologiquement sous l’action de la faune du sol et de la microflore. Elle présente deux composantes essentielles suivant son degré d’altération : la fraction organique fraîche (matières organiques figurées) et la fraction organique humifiée (Theng, 1987).
– La fraction organique vivante est représentée par une faune très variée (nématodes, protozoaires, vers de terres, termites) et une grande diversité de microorganismes (bactéries, champignons). Les bactéries et les champignons sont les principaux responsables de la minéralisation.
La structure ou mode d’assemblage des éléments
La structure du sol peut être définie comme le regroupement de particules primaires du sol en de larges unités de composés d’origine, de taille et de formes différentes. Elle est caractérisée par la manière dont sont assemblés les divers constituants minéraux et organiques (Henin, 1976). Ainsi elle se réfère assez généralement à la forme, la taille et l’arrangement spatial d’unités structurales ou agrégats existant dans le sol et séparables les uns des autres par les faces de moindre résistance. Ces unités structurales sont délimitées par des pores, lesquelles permettent les mouvements d’eau et les échanges gazeux avec l’atmosphère. La structure normale d’un sol apte à la culture est une structure fragmentaire: le sol est constitué d’agrégats, eux-mêmes agglomérés en mottes. La stabilité structurale dépend de la constitution de ces agrégats. Les différences dans la structure sont utilisées par de nombreux auteurs pour expliquer la distribution des microorganismes du sol et de leurs activités (Ladd et al., 1992 ; Darbyshire et al., 1993 ; Elliot et Coleman, 1988). Dans de nombreux travaux les agrégats et les communautés microbiennes qu’ils hébergent sont utilisés pour décrire le fonctionnement du sol (Gregorich et al., 1989 ; Beare et al, 1994 ; Chotte et al., 1998, Ndour, 2003). Les microorganismes ont plus ou moins accès aux substrats organiques, ce qui influe par conséquent sur leur activité et sur le turnover de la matière organique (Foster, 1988).
La matière organique du sol (MOS)
La composante vivante de la MOS (racine des plantes, macro et microorganismes) représente 2 – 4% du carbone organique total alors que la fraction morte ou inerte (résidus végétaux et animaux) forme jusqu’à 98% du carbone organique total. La MOS est considérée par certains auteurs comme l’ensemble de la matière organique vivante et morte (Shibu et al., 2006) alors que d’autres limitent la MOS à la fraction morte ou inerte (Manlay et al., 2007). Cette matière organique morte subit sous l’action de la faune du sol et de la microflore un ensemble de transformations. Elle peut être subdivisée en matière organique fraîche et matière organique humifiée suivant son degré d’altération.
La matière organique fraîche
Cette fraction dérivent essentiellement des résidus végétaux et donc comprend les constituants majeurs des membranes végétales (Paul et Clark, 1996) tels que la cellulose l’hémicellulose et la lignine, les protéines, les lipides, les tannins. Les proportions relatives de ces composés diffèrent de la plante au sol. Ces principaux constituants sont brièvement présentés: La cellulose est le constituant principal des parois cellulaires des plantes. Elle assure la protection et le soutien dans les organismes végétaux. Elle est composée d’unités de β-Dglucopyranose liées par des liaisons glucosidiques β-(1-4). La décomposition de la cellulose s’effectue lentement dans le sol en conditions aérobies. L’hydrolyse de la cellulose fait intervenir trois enzymes agissant en synergie à savoir les endogluconases, les exogluconases (cellobiohydrolases) et les β-glucosidases (Paul et Clark, 1996). L’hémicellulose est le deuxième composant d’une paroi pectocellulosique chez les végétaux, après la cellulose. L’hémicellulose est un hétéropolysaccharide constituées de divers monosaccharides (Percy et al., 1997) incluant principalement des pentoses, des hexoses, des acides uroniques et des désoxy hexoses. Sa composition est différente d’un tissu à un autre et d’une espèce à une autre (Joseleau, 1980). Sa décomposition est réalisée par plusieurs bactéries et champignons anaérobies et aérobies. La vitesse de décomposition est plus élevée que celle de la cellulose (Swift et al., 1979).
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
1 Le système étudié : le sol
1-1 La fraction minérale
1-2 La fraction organique
1-3 La structure ou mode d’assemblage des éléments
2 La matière organique du sol (MOS)
2-1 Renouvellement de la matière organique par les apports exogènes
2-2 Facteurs impliqués dans la décomposition des matières organiques du sol
3 Les microorganismes du sol et leur rôle dans le fonctionnement de l’écosystème
3-1 Processus de transformation du carbone
3-2 Processus de transformation de l’azote
CHAPITRE 2 : MATERIEL ET METHODES
1 Cadre de l’étude
1-1 Particularité de la zone d’étude
1-2 Présentation de la zone d’étude de Saria
2 Dispositifs expérimentaux et échantillonnage
2-1 Le dispositif expérimental de Saria II et les parcelles MICROBES
2-2 Expérimentation en serre
3 Analyses
3-1 Propriétés physico-chimiques du sol
3-2 Détermination de la biomasse microbienne
3-3 Activités microbiennes
3-4 Analyse moléculaire des communautés bactériennes
3-5 Analyses statistiques
CHAPITRE III : RESULTATS
1 – Impact à long terme d’application d’intrants organiques et d’urée
1-1 Introduction
1-2 Matériel et Méthodes
1-3 Résultats
A) Effets de l’application à long terme d’apports organiques et minéraux sur les communautés microbiennes
B) Effets de l’application à long terme d’apports organiques et minéraux sur la densité, l’activité et la structure des communautés responsables de l’émission de N2O
C) Effets de l’application à long terme d’apports organiques et minéraux sur la production végétale
1-4 Discussion
2 – Impact de la qualité biochimique des résidus et de la plante sur le fonctionnement microbien
2-1 Introduction
2-2 Matériel et méthodes
2-3 Résultats
A) Effet de la qualité biochimique des résidus organiques apportés : évolution des propriétés
B) Effet de la présence de plante : évolution des propriétés
2-4 Discussion
CHAPITRE IV : DISCUSSION GENERALE
1- Réponse microbienne aux pratiques de gestion de la fertilité des sols
2- Relation abondance-diversité-fonction : manipulation par les intrants organiques
3- Apport à la connaissance de l’étude structurale de la communauté microbienne
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
