Projet de thèse

Projet de thèse
Association en relais de légumineuses
fourragères avec un blé biologique :
incidence sur la gestion de l’azote
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Relay intercropping of forage legumes with organic
wheat: incidence on nitrogen management
Mots clés
Agronomie, agroécologie, agriculture biologique, cultures associées, autonomie azotée; service
écosystémique; écophysiologie
Direction de la thèse
Florian Celette, Enseignant-Chercheur en agronomie, ISARA-Lyon, Equipe SCAB (encadrant principal)
Tél. 04 27 85 85 91 – 06 30 02 33 70 – [email protected]
Agnès Piquet, Professeur d’Université, VetAgroSup, rattachée à l’UMR GDEC (co-encadrant - HDR)
Christophe David, Professeur d’agronomie, ISARA-Lyon, Equipe SCAB (co-encadrant – HDR)
Le doctorat sera accueilli à l’Equipe Systèmes Céréaliers conduits en Agriculture Biologique rattachée à l’Ecole
doctorale ABIES
Financement de la thèse
La bourse de thèse fait l’objet d’un co-financement entre le fond de dotation TERRA-ISARA et le Pôle de
recherche et d’enseignement supérieur ESTIVE.
Enjeux socio-économiques, scientifiques, pour la structure, le pôle
Pour concevoir des systèmes de culture plus économes et robustes
Les systèmes céréaliers doivent faire face à des (1) enjeux environnementaux renforcés (changement climatique,
dégradation de la qualité de l’eau), (2) un contexte politique et réglementaire contraignant (Ecophyto par
exemple), (3) à une très forte volatilité des prix et (4) une augmentation des coûts de production. Il convient alors
de réviser les systèmes de culture pour les rendre plus économes en intrants (produits phytosanitaires et
fertilisants) mais aussi plus stables en performances (INRA, Butault et al, 2010).
Lever les obstacles techniques garantissant le développement de systèmes céréaliers biologiques
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Association en relais (relay intercropping) : il s’agit d’une forme d’association des cultures qui consiste à
ère
semer la deuxième sous le couvert de la première. Ainsi, la 1 culture débute son cycle de développement
seule avant une période d’association des deux cultures qui fait suite au semis de la deuxième culture sous
couvert de la première. Enfin, lorsque la première culture est récoltée, la deuxième, déjà installée, peut réaliser
son cycle sans la concurrence de la première.
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L’explosion de la demande en produits biologiques a fait ressortir l’importance de développer la production
nationale. Ainsi, la Loi « Grenelle I » fixe la barre à 6% de surfaces agricoles en bio en 2012 et 20% en 2020.
L’enjeu est de développer cette forme d’agriculture conduisant indirectement à la réduction des intrants
phytosanitaires (engagement ECOPHYTO 2018). Pourtant, en 2011 seules 3,5% des surfaces étaient déclarés
en Agriculture Biologique et ce malgré une politique incitative (Agence Bio, 2012). Les productions céréalières
biologiques nationales sont ainsi déficitaires. Pour preuve les meuniers devaient importer ¼ du blé transformé en
2011. La production de blé biologique fait face à deux questions techniques majeures qui limitent grandement
ses performances : la compétition par les adventices et les fréquents déficits en azote (Casagrande et al., 2009;
David et al., 2012; David et al., 2005).
Réintroduire des plantes de service dans les systèmes céréaliers pour intégrer de l’azote dans la
rotation : Enjeux scientifiques associés
Ce projet de thèse propose d’étudier comment l’insertion en relais d’une légumineuse fourragère sous couvert de
blé biologique modifie le fonctionnement de l’agroécosystème. L’insertion de légumineuses fourragères au sein
d’une rotation céréalière biologique est susceptible de rendre de nombreux services écosystémiques (notamment
la maitrise des adventices, l’apport d’azote, l’amélioration de la fertilité et la protection du sol). Pour autant,
l’insertion de ces couverts génère des systèmes plurispécifiques complexes à comprendre et gérer (Malezieux et
al., 2008). De nombreuses questions se posent quant aux interactions générées entre les espèces associées
dans l’espace (cas des associations) ou dans le temps (maintien du couvert pendant l’interculture). Celles-ci
concernent d’abord le partage des ressources du milieu (compétition/facilitation) (Willey, 1990) mais aussi les
modes de gestion des espèces dites de service. Un premier enjeu scientifique sera d’analyser et comprendre les
interactions entre espèces au sein d’un peuplement complexe (culture céréalière de vente, couvert de
légumineuses fourragères, adventices) afin de mieux valoriser les services écosystémiques apportés par ces
couverts. Ce projet de thèse vise ainsi à étudier comment ces couverts de légumineuses modifient la
dynamique et le partage des ressources du sol (eau et azote ici) entre les composantes de
l’agroécosystème (culture, couvert, adventices). Dans un deuxième temps, nous souhaitons comprendre
comment la gestion de ces espèces fixatrices est susceptible de modifier la dynamique de l’azote en cours de
culture et en phase d’interculture.
En centrant ce projet sur l’insertion en relais d’une légumineuse fourragère au sein d’une succession blé d’hiver –
culture de printemps, nous cherchons à répondre à un double enjeu d’aménagement de la diversité spécifique au
sein des systèmes céréaliers et d’augmentation des performances des cultures de vente. Ce projet de thèse est
l’occasion de créer de nouvelles synergies entre deux équipes de recherche du pole DGER ESTIVE ; une
centrée sur l’adaptation du blé aux stress culturaux (équipe rattachée à l’UMR GDEC) et l’autre centrée sur les
systèmes céréaliers biologiques (équipe Systèmes Céréaliers conduits en AB). Il doit permettre de répondre à
des enjeux forts en termes de réduction de l’utilisation d’intrants en agriculture et de gain de productivité et
stabilité des performances dans des systèmes à faible intrants.
Problématique générale et questions de recherche
L’objectif général de ce projet de thèse est d’optimiser l’insertion de légumineuses fourragères en relais afin
améliorer la gestion de l’azote au sein du système. Il s’agit de comprendre en quoi l’insertion du couvert de
légumineuse fourragère en relais modifie la dynamique de nutrition azotée des cultures de vente et le partage
des ressources au sein du peuplement en cours de culture mais aussi durant l’interculture.
Le modèle blé-légumineuse fourragère en relais retenu dans ce projet a fait l’objet de précédents travaux
développés au sein de l’équipe SCAB (Amossé et al. accepté avec révisions ; Soumis).
Pour répondre à cet enjeu, le travail de thèse se centrera sur la problématique suivante : « Comment améliorer
la dynamique de l’azote au sein d’un système céréalier agrobiologique par l’insertion de légumineuses
fourragères en relais ? ».
L’insertion de ces espèces fourragères peut apporter d’autres services écosystémiques tels que le contrôle des
adventices, l’amélioration de la fertilité du sol et la préservation de la biodiversité. Ces différents aspects ne
seront cependant pas directement abordés dans cette thèse même si de nombreuses données liées à ces
questions seront collectées sur ce dispositif.
Le but visé est de produire de nouvelles références sur l’incidence de l’insertion d’un couvert de légumineuse
fourragère et de sa conduite sur la dynamique de l’azote au sein du système de cultures. L’objectif étant de
voir comment améliorer la fertilité du milieu sans perturber la nutrition azotée des cultures de vente en
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favorisant la fixation de l’azote atmosphérique par le couvert de légumineuse et la maitrise des adventices
comme source de compétition.
Une attention particulière sera portée à caractériser l’incidence d’une fertilisation azotée sur les fonctions du
couvert de légumineuse et la dynamique de l’azote au sein du système. En effet, les agriculteurs choisissent
généralement de fertiliser leur blé pour favoriser l’élaboration du rendement et surtout de la qualité du grain. Or,
cette pratique est connue pour avoir un effet pénalisant sur l’implantation de la légumineuse et sa capacité à fixer
l’azote atmosphérique (Fustec et al., 2010; Ghaley et al., 2005; Salvagiotti et al., 2008).
En conséquence, nous proposons de décliner le sujet de la thèse selon les questions suivantes :
 Q1 : Quel partage de ressources entre culture de vente, couvert fourrager et adventices pendant
la phase d’association ? Nous souhaitons ici acquérir des éléments de compréhension de l’incidence
d’un couvert sur la culture de vente et la population d’adventices par l’étude des processus de partage
des ressources entre ces trois composantes en fonction du type de couvert de légumineuse (association
en relais ou culture intermédiaire). Nous souhaitons cibler ce travail sur trois ressources clés que sont la
lumière, l’eau et l’azote suivies principalement durant la période d’association avec la culture de blé. La
comparaison sur un même lieu de deux couverts contrastés (en termes de capacité à produire de la
biomasse et à accumuler et libérer de l’azote) permettra de réfléchir à un idéotype de couvert pour ce
type de système.
 Q2 : Quelle est l’incidence de l’insertion d’un couvert fourrager et de la gestion de sa croissance
sur la dynamique de l’azote à court et moyen termes ? Il s’agit d’étudier la dynamique d’implantation
et de croissance du couvert en fonction du type de couvert et de variété de blé associée, ainsi que de la
gestion (irrigation, fauches, exportations) de cette plante de service. L’idée est ici d’étudier comment
l’utilisation du couvert (engrais vert vs. production fourragère) et le degré d’intensification influencent les
services rendus par le couvert.
 Q3 : Quelle est l’incidence d’une fertilisation de printemps apportée au blé sur le fonctionnement
de l’association et les fonctions attendues du couvert de légumineuse fourragère ? L’idée
consiste à analyser comment un apport d’azote rapidement disponible au printemps, destiné à favoriser
la culture de blé, va modifier la dynamique d’implantation et de croissance du couvert de légumineuse,
ainsi que sa capacité à fixer l’azote atmosphérique.
Ces questions doivent nous permettre d’améliorer les connaissances concernant le fonctionnement d’un
système plurispécifique complexe et d’acquérir les éléments utiles à la conception et la gestion de
systèmes céréaliers plurispécifiques et durables.
Hypothèses de travail
La première hypothèse soutenant ce sujet de thèse porte sur la diversification des systèmes de culture. Les
systèmes diversifiés sont considérés comme potentiellement plus productifs, et surtout plus résistants à des
stress environnementaux (Vandermeer et al., 2002). Le projet de thèse fait l’hypothèse qu’un couvert fourrager
inséré en relais d’un couvert de blé biologique modifie la dynamique et le partage des ressources, dont l’azote,
au sein de l’association. Il est aussi susceptible de rendre différents services dont celui de maitriser les
adventices et donc de limiter l’usage d’herbicides ou d’énergie (pour un désherbage mécanique). Nous faisons
également l’hypothèse que l’incidence de ce couvert sur les dynamiques de l’azote et la nutrition des cultures
associées dépend de traits fonctionnels propres au couvert de légumineuse (capacité à produire de la
biomasse rapidement, à couvrir le sol, à fixer l’azote atmosphérique par symbiose, etc.) et à la variété de blé
associée (pouvoir couvrant du blé, capacité à mobiliser l’azote absorbé). Nous faisons également l’hypothèse
que la gestion de ce couvert complexe joue un rôle important sur les fonctions attendues du couvert et de cette
association et qu’il est possible de concevoir des systèmes de culture permettant d’optimiser les services rendus
par ces couverts (apport d’azote en premier lieu mais aussi maitrise des adventices, amélioration de la fertilité,
protection du sol, etc.) pour limiter l’utilisation d’intrants (herbicides, énergie et fertilisants principalement) tout en
améliorant les performances des cultures de vente et notamment du blé.
Originalité du sujet présenté
Ce sujet de thèse se positionne sur les systèmes céréaliers agrobiologiques. Ce mode de production extrémise
les contraintes liées à l’usage d’intrants et les carences azotées. Les conséquences sur les rendements et la
qualité du grain produit sont renforcés. Dans ces systèmes, les apports d’azote sont rares et coûteux.
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L’intégration de légumineuses fourragères dans ces systèmes est donc une alternative intéressante. Elle est
pourtant souvent limitée par les difficultés à la gérer pour optimiser son apport et surtout par la faible valorisation
de ces productions dans les systèmes spécialisés en grandes cultures. L’intégration de ces couverts en semis
sous couvert maximise la production fourragère et les services rendus par le couvert sans monopoliser une
surface au détriment d’une culture plus rentable. Ce système est encore peu pratiqué car il génère une gestion
complexe. L’originalité de ce projet consiste donc à apporter des éléments de compréhension du fonctionnement
du système sous l’effet de pratiques culturales qui faciliteront sa gestion.
Plus généralement, ce projet de thèse offre ici une originalité intéressante en termes de compréhension du
fonctionnement de peuplements plurispécifiques complexes dans des situations très contraintes. Le travail
proposé devrait ainsi produire des références utiles à la conception de systèmes de culture plus performants,
économes et robustes valorisant la diversité végétale et les services écosystémiques associés. L’approche
proposée ici vise à valoriser certains principes de l’agroécologie comme la valorisation des principes de
facilitation/compétition, l’utilisation de la biodiversité et de la capacité fixatrice des légumineuses fourragères. En
se plaçant dans un contexte agrobiologique qui, ce projet de thèse offre un cadre d’application innovant pour la
mise en place de pratiques de diversification des systèmes de culture. L’objectif sera de valoriser ce modèle
d’agriculture biologique comme un prototype pour concevoir des systèmes agricoles plus durables.
Matériel disponible et/ou à produire et méthodes envisagées
Un premier travail de thèse en cours de finalisation (Amossé, 2012) a permis d’étudier l’incidence de
légumineuses fourragères insérées sous un couvert de blé conduit en agriculture biologique. L’accent au cours
de cette thèse a été porté le choix de l’espèce de légumineuse fourragère pour de telles associations en relais.
Ce travail a mis en évidence les services importants que pouvaient rendre ces couverts en relais (apport d’azote
dans le système et réduction de la pression d’adventices). Il a surtout fait ressortir une forte variabilité des
réponses en fonction de la gestion du couvert et des conditions d’application, que ce soit dans la phase
d’association ou l’interculture. La principale fonction de ce couvert est d’apporter de l’azote au système et la
problématique de la thèse porte sur cette fonction du couvert. Nous proposons de creuser, en nous appuyant
notamment sur l’expertise de l’UMR GDEC, ce qui concerne la dynamique de l’azote dans ces systèmes et
comment elle peut être modifiée par la gestion qui est faite du couvert.
(1) Nous proposons de sélectionner deux légumineuses fourragères types qui présentent des
caractéristiques contrastées en termes de dynamique de croissance et de couverture du sol,
d’accumulation d’azote par la fixation symbiotique et de recyclage de cet azote pour qu’il soit mis à
disposition des cultures associées et suivantes. Le choix de ces deux légumineuses s’appuiera sur les
références acquises au cours du travail de Camille Amossé (vraisemblablement trèfle violet et trèfle
blanc).
(2) Il ressort de ce même travail que la réaction du blé à cette association pouvait être modifiée en fonction
des conditions de mise en place. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de cette association, la
dynamique de partage des ressources entre les différentes composantes du système qui impacte
notamment la mise en place de légumineuse, nous proposons également de choisir deux variétés de blé
(à déterminer) aux caractéristiques contrastées notamment en termes de capacité d’acquisition et de
valorisation de l’azote mais aussi de capacité à couvrir le sol et à générer une compétition importante
pour la lumière.
(3) Enfin, nous souhaitons comprendre comment la gestion de ce couvert va modifier sa capacité à remplir
les fonctions attendues en termes d’apport d’azote au système. Nous faisons le choix de distinguer deux
usages possibles, générant deux conduites contrastées : un usage du couvert comme engrais vert (où
l’objectif sera de maximiser l’accumulation d’azote dans le système) et un usage comme fourrage (où la
production de biomasse sera importante et les exports de matières du système également). Comme
expliquer précédemment, nous faisons aussi l’hypothèse que la fertilisation azotée de printemps,
généralement pratiquée sur blé, peut perturber le fonctionnement azotée de l’agroécosystème et de la
légumineuse en particulier. Nous souhaitons donc étudier cette modalité également.
Nous souhaitons étudier les conditions d’insertion de ces couverts dans une gamme de systèmes céréaliers
rencontrés en agriculture biologique. Cette thèse valorisera avant tout des dispositifs expérimentaux menés en
conditions réelles en Rhône-Alpes et en Auvergne sur des parcelles d’agriculteurs et dans des conditions
pédoclimatiques variées. Nous souhaitons nous appuyer sur trois dispositifs expérimentaux incluant des
modalités répétées en blocs complets randomisés dans les conditions de Rhône-Alpes et de l’Auvergne.
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Comme expliqué précédemment, un suivi précis de la phase d’association du couvert et du blé sera mis en place
pour bien comprendre le partage des ressources entre les différentes composantes du système en fonction des
facteurs identifiés plus haut (i.e. variété de blé, légumineuse fourragère, fertilisation). Ce suivi pourra faire appel à
l’usage d’azote marqué par exemple pour une meilleure précision de l’observation. Au cours de la phase
d’interculture par contre (après la récolte du blé), nous souhaitons nous concentrer plus particulièrement sur la
dynamique de l’azote au sein du couvert et dans le sol en fonction des facteurs cités précédemment (i.e. espèce
fourragère, fertilisation, gestion du couvert). Des témoins sans couvert fourrager, avec ou sans fertilisation, seront
également mis en place pour améliorer la compréhension des phénomènes étudiés.
Enfin, les références acquises au cours de l’expérimentation peuvent permettre le paramétrage et la validation de
modèles simples. Cette modélisation aura pour objectif d’offrir un cadre de représentation des processus étudiés
et d’améliorer la généricité des résultats expérimentaux. Cependant, un premier travail consistera à identifier quel
modèle est susceptible d’offrir le meilleur cadre de compréhension de ces processus.
Calendrier prévisionnel de réalisation du travail
Thèse prévue en trois ans à partir de l’hiver 2012.
Année 1
Année 2
Année 3
Expérimentation
Conception et mise en place
des dispositifs expérimentaux
Mise en place du suivi
expérimental
Suivi expérimental, retour
auprès des praticiens
Fin des suivis expérimentaux
et évaluation, retour auprès
des praticiens, rédaction
Modélisation
Réflexion sur le choix d’un
modèle de représentation des
processus étudiés.
Paramétrage/Modélisation à
partir des résultats
expérimentaux
Modélisation et extrapolation
des résultats expérimentaux
Rédaction
Rédaction d’un compte-rendu
d’expérimentation à destination
des praticiens et partenaires
Rédaction d’un compte-rendu
d’expérimentation à destination
des praticiens et partenaires.
Rédaction de la thèse
Rédaction de l’article 1 sur le
partage des ressources.
Rédaction des articles 2 et 3 et
de l’article technique proposés
ci-dessous.
Publications envisageables au cours du travail de thèse
Pour chacune des questions de recherche identifiées plus haut, un projet de publication est envisageable. A
savoir :
 Une publication sur l’évolution du partage de ressources entre culture de vente, plante de service et
adventices. Un lien avec la performance des cultures de vente (blé et culture de printemps suivante)
sera réalisé
 Une publication sur l’incidence de l’insertion d’un couvert fourrager et de sa gestion sur la dynamique de
l’azote à court et moyen termes
 Une publication sur l’incidence de la fertilisation azotée sur le fonctionnement de ces systèmes et les
fonctions attendues du couvert de légumineuse.
 Une publication de vulgarisation des résultats obtenus à destination de la profession agricole et de
l’agriculture biologique. L’objectif de cet article sera de fournir les éléments pour raisonner la gestion de
ces systèmes pour optimiser l’apport du couvert de légumineuse.
Profil du candidat
Diplôme de Master ou ingénieur en agronomie ou écologie ou biologie végétale/écophysiologie.
Le candidat devra avoir des notions dans les disciplines concernées.
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Il doit avoir un goût pour le travail en équipe et le travail de terrain (montage de protocole expérimentaux, suivi de
dispositifs).
La maitrise des outils informatiques et d’un certain nombre d’outils statistiques pour traiter les données
expérimentales collectées parait également indispensable.
Permis B parait souhaitable.
Compétences acquises par le doctorant durant sa thèse
Compétences générales :
 Maîtrise d’une démarche de recherche au niveau d’une thèse de doctorat :
 Formulation et traitement d’une problématique ;
 Mise en perspective de différents cadres méthodologiques ;
 Analyse, synthèse, production de connaissances génériques et proposition de concepts ;
 Conduite de projet tant dans ses dimensions théoriques qu’opérationnelles ;
 Capacité à rendre compte à l’écrit et à l’oral de ses travaux.
Compétences spécifiques :
 Construction d’un dispositif expérimental, d’un protocole de suivi
 Maîtrise et développement de concepts et de méthodes en agronomie relatif aux systèmes de culture, à
l’expérimentation et à l’évaluation multicritère ;
 Maîtrise de concepts importants dans les programmes inter-disciplinaires : pratiques agricoles,
approche systémique, fonctions écologiques…
 Capacité à développer une attitude réflexive sur une discipline, l’agronomie, et sur ses inter-relations
avec d’autres disciplines (écologie fonctionnelle, écophysiologie, sciences du sol) ;
 Capacité de travail en situation d’interface et de partenariat avec des professionnels agricoles.
Comité de thèse
 En cours de définition.
Ecole doctorale de rattachement
ABIES (Agriculture Biologie Environnement Santé) – AgroParis Tech
Site de Paris - établissement principal
19 avenue du Maine 75732 Paris Cedex 15
Tél. : 01 45 49 88 51
E.mail : [email protected]
Partenariat scientifique et industriel dans lequel s’inscrit le travail
 Ce travail de thèse sera conduit en partenariat avec les unités :
 de VetAgro Sup sur la partie écophysiologique des cultures principales (blé, maïs) et la caractérisation
de la qualité d’usage des blés ;
 de l’ISARA-Lyon sur l’optimisation de la durabilité des systèmes céréaliers en agriculture biologique et
des services écosystémiques associés à l’insertion de légumineuses en association.
 du LEVA (ESA-Angers) intervenant sur les systèmes plurispécifiques comprenant des légumineuses et
les phénomènes de compétition et facilitation pour les ressources
 et d’AGIR (EI Purpan) sur la conception de systèmes céréaliers à faible niveau d’intrants et valorisant
les services écosystémiques liés à l’insertion de légumineuses dans le système.
Ce projet contribuera à l’avancée de plusieurs programmes de recherche : AGROECO-Fil DiVéRE (démarrage
avril 2012), DEPHY-Ecophyto réseau AB-Dephy géré par l’ITAB et intégrant plusieurs acteurs de la recherche et
du développement agricole, ainsi qu’un projet ANR et un projet CASDAR en attente d’accord de financement.
Publications du laboratoire d’accueil sur le sujet
Amossé C, Jeuffroy MH, David C (accepté après révisions). Relay intercropping of forage legumes in organic
winter wheat: effects on performance and resource availability. Field Crops Research.
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Amossé C, Jeuffroy MH, David C, Celette F (soumis). Relay-intercropped forage legumes help to control
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