Modelling C and N cycle of systems soil-cereal-legum

A l'interface des échanges sol-plante-atmosphère, la couche supérieure du sol contient la plus grande réserve de carbone organique (Corg) et d'azote (N) potentiellement disponible pour la croissance des plantes, elle joue un rôle fondamental dans la nutrition et l'équilibre de la planète.Dans les sols Tunisiens, une première quantification de N, faisant suite à celle de Corg, nous a permis de mettre en évidence une fragilité des réserves, et la nécessité de managements préservatifs des terres et des pratiques agricoles. Nous nous sommes alors rapprochés des nombreuses études de modélisation des variations de stocks de Corg et N suite à des changements d'usage. Cependant, la majorité des références publiées concernait les évolutions globales à moyen ou plus long terme (de plusieurs années à plusieurs décades) et manquaient de précision sur la prédiction mécaniste des transferts journaliers entre les plantes, les compartiments du sol et l'atmosphère. Selon nous et d'autres auteurs, ces études ne prenaient pas suffisamment en compte le rôle crucial des micro-organismes dans les échanges. Ceci nous a orientés vers le modèle MOMOS centré sur l'écologie fonctionnelle de la biomasse microbienne (BM), avec des paramètres pour sa croissance, sa mortalité, et sa respiration étroitement liés aux conditions climatiques, édaphiques, et culturales.L'objectif était d'étudier à court terme les cycles Corg et N dans les systèmes complexes de production céréalière intensifiés par couplage avec des légumineuses à graines fixatrices d'azote en milieu méditerranéen. Il comportait deux défis : (i) coupler les équations de décomposition avec des modules d'eau du sol, et de production végétale vers un nouvel outil pour l'agro-écologie et le changement global (ii) faire tourner l'ensemble en milieu méditerranéen calcaire, avec des équations proposées et validées en milieu tropical acide.Le dispositif agronomique comportait des associations comparées à des rotations blé dur-féverole en culture biologique sans fertilisation depuis treize ans. Les simulations ont été trouvées en bonne concordance avec les données mesurées et celles de la littérature. Croissances végétales et fonctionnement microbien apparaissent prédits par les mêmes fonctions climatiques et co-limités par la température en hiver et l'humidité en été. Dans les parcelles expérimentales peu fertiles, la plus grande part de Corg photo synthétisé était modélisée comme allouée aux racines et perdue pour les parties aériennes et le rendement des récoltes. Ces pertes étaient simulées vers la respiration de croissance des racines de céréales, probablement pour la recherche des nutriments, et la mortalité des racines de légumineuses alimentant la croissance des décomposeurs et peut-être des symbiotes fixateurs d'azote. Au total, le système de culture associée était modélisé comme un puits de plus 4 Mg Corg ha-1 durant la saison culturale, mais uniquement dans Corg labile d'origine microbienne. Ce compartiment était aussi simulé comme la principale réserve de N potentiellement disponible pour les organismes vivants, très supérieure à celle des micro-organismes, elle-même supérieure à celle de la céréale et égale à celle de la légumineuse. La modélisation des échanges microbiens avec N minéral montrait une immobilisation nette d'azote juste compensée par la fixation symbiotique. Elle a permis de mieux comprendre les flux de Corg et N entre atmosphère, légumineuse, micro-organismes et céréale et de proposer des solutions agronomiques pour l'amélioration des systèmes de culture en association ou rotation.At the interface of soil-plant-atmosphere exchanges, the top layer of soil contains the largest part of organic carbon (Corg) and nitrogen (N) potentially available for plant growth; this soil layer plays a fundamental role in nutrition and equilibrium of earth.In Tunisians soils, a first quantification of N, following that of Corg, has allowed us to highlight the fragility of the reserves, and the need of conservation managements of lands and improvement of agricultural practices.Many studies of literature data try to model the changes of Corg and N stocks due to land use changes. However, most of the published references concern overall trends at medium or longer term (several years to several decades) and lack of precision in mechanistic prediction of daily transfers between plants, soil compartments and the atmosphere. Conjointly with other authors we think that the published studies do not take sufficient account of the crucial role of microorganisms in the exchange modelling. This directed us to the MOMOS model centered on the functional ecology of microbial biomass (MB), with parameters for growth, mortality and respiration of MB, closely related to climate, soil conditions and the quality of organic inputs.Our objective was to study the Corg and N cycles during a cropping season in complex cereal-legume systems for intensification by symbiotic N fixation in the Mediterranean environment. It included two challenges: (i) to couple the equations of decomposition with a model of soil water and modules of quantitative and qualitative vegetal production toward a new tool for agro-ecology and the global change (ii) to run this tool in Mediterranean calcareous conditions, with equations proposed and validated in tropical acid areas.The agronomic experiment included an intercropping of durum wheat and faba bean compared with pure cropping both managed in organic farming without any fertilizer addition during the last thirteen years. The model predicted ecophysiological parameters in accordance with published references and simulated accurately the measured data. Plant growth and the microbial functioning appear linked to the same climate equations and co-limited by temperature in winter and availability of water in summer. In these unfertile plots, the largest part of Corg photo-synthesized was modelled as allocated to roots and lost for the aerial parts and grain yields. These losses were simulated mainly (i) to increase root respiration of cereal, probably as energy source for root growth in order to find nutrients, and (ii) to increase the mortality of legume roots as energy source for the growth of decomposers and perhaps the growth of symbiotes for fixation of atmospheric N. Overall, the intercropping system was modeled as a sink of over 4 Mg ha-1 of Corg during the growing season, but only in the compartment labile of microbial origin. This compartment was also simulated as the main reserve of N potentially available for living organisms, much higher than N stock of microorganisms, which is itself higher than N stored in the cereal and similar to N stored in the legume. The modeling of microbial exchange with inorganic N showed a net immobilization of N just compensated by the symbiotic fixation. It helped to better understand the flows of Corg and N between atmosphere, legume, microorganisms and cereal, and to propose solutions for improving agricultural cropping systems in combination or rotation