To what extent does phosphorus limit agricultural production at the global scale? : A process modelling based approach

Le rôle du phosphore (P) en agriculture est indéniable: le P est un nutriment essentiel dont tous les êtres vivants ont besoin pour fonctionner, et est donc nécessaire pour maintenir les rendements agricoles à l’échelle globale dans les années à venir. Une grande partie du P utilisé pour fertiliser les cultures se présente sous forme d’engrais chimique et provient de mines de roches phosphatées. Cette ressource finie est gérée de manière non-optimale: dans certains endroits du Monde, le P est utilisé de manière excessive et peut nuire à l’environnement, alors qu’à d’autres endroits, le P apporté est insuffisant et conduit à des baisses de rendement importantes. Cette hétérogénéité, combiné à des problématiques d’accès à la ressource, qui dépend également de facteurs économiques et politiques, conduit à de sérieuses questions sur les impacts potentiels du P sur la sécurité alimentaire mondiale. Des études récentes se sont penchées sur les principaux facteurs limitant les rendements agricoles dans le Monde, mais présentent des difficultés à séparer la contribution de ces différents facteurs, et en particulier du P. Dans un premier temps, j’ai combiné des simulations de la distribution du P dans les sols agricoles et des simulations de croissance des céréales dans des conditions idéales (i.e. non limitantes en eau, azote, etc.), tout en prenant en compte, de manière fine, les mécanismes de transfert du P entre le sol et la plante. J’ai montré que le P pourrait contribuer de manière significative à une baisse de rendement par rapport au rendement potentiel de 22, 55 et 26 % en blé d’hiver, maïs et riz. Cette diminution n’est que partiellement impactée quand les apports actuels de P par fertilisants chimiques sont considérés et ceci s’explique principalement par l’historique du bilan en P des sols (qui a contribué à fortement augmenter les stocks de P des sols). Cependant, la non prise en compte de certains processus, à savoir ceux liés aux ajustements des plantes dans des conditions limitantes en P, ont pu fortement biaisé ces estimations. Pour mieux représenter ces processus d’ajustements, j’ai ensuite développé un modèle d’allocation du carbone (C) et du P basé sur des principes d’optimisation d’utilisation des ressources au sein de la plante. Le modèle est capable de simuler la réponse de la plante à une limitation en P: augmentation du ratio racines / biomasse aérienne, diminution de la biomasse totale et de la concentration en P. Le modèle a été testé dans un gradient de disponibilité en P à différentes échelles (plante en hydroponie et au champ) et reproduit raisonnablement le comportement des plantes. Malgré des hypothèses simplistes qui ne permettent pas de capturer la nature exacte de l’allocation, le modèle présenté peut être introduit dans un modèle de végétation plus physique, permettant l’étude de la limitation en P de manière plus générique. Le couplage du modèle d’allocation idéalisé à un modèle de végétation physique a été réalisé en utilisant ORCHIDEE, un modèle de végétation dynamique utilisé pour étudier les interactions végétation-climat. Les paramétrisations de processus fondamentaux au sein d’ORCHIDEE (assimilation, etc.) ont été utilisées pour piloter le modèle d’allocation en fonction de la disponibilité en C et en P, et les simulations ont été comparées à deux jeux d’observations sur maïs irrigué. Les résultats ont montré le potentiel de la combinaison de ces deux modèles pour simuler de fonctionnement des cultures dans différents environnements. Le modèle ainsi obtenu pourra être utilisé pour mieux quantifier, à l’échelle mondiale, la contribution du P à la baisse de rendement des cultures par rapport à leur potentiel.The global role of phosphorus (P) in agriculture is undeniable: P is an essential nutrient required by all living beings to function, and thus necessary for sustaining yields worldwide in the time to come. In global agriculture, most of the P used to grow crops comes in form of chemical fertilizer which is mined from existing soil deposits. This in itself would not be an issue, was it not for the way we globally (mis)manage this potentially finite resource. While some places use P to the point of harming the environment, others do not have enough to sustain their yields and feed themselves. Combined with uncertainties of equitable P supply in the future which depend on economical and political factors as well, serious questions arise on the potential impacts of P on global food security. Recent studies have looked into the main drivers of yield worldwide, but have difficulties separating P’ contribution, as they lack the information to do so due to their empirical nature. As an initial step, we combined simulated global information on agricultural soil P and cereal growth in ideal conditions, while accounting for mechanisms of soil-plant P transfer more faithfully. We have found that P could significantly contribute to existing global production gaps with an average yield gap of 22, 55 and 26 % in winter wheat, maize and rice; lowering only slightly with today’s P fertilizer use. This is mainly to be due to the global P management history or the net soil P balance up to date. But the idealized nature of the employed models ignored other processes, namely plant adjustment in P limited environments, which have a significant potential to change our diagnostic estimates. To better represent plant adjustment, we have then developed an carbon (C) & P allocation model based on optimal functioning principles. The idealized model is capable of simulating primary plant response to a P limited environment: root-shoot ratio change, biomass and P concentration decrease. It was compared to plant growth across a P availability gradient at different scales (hydroponic to field) and has been found to reasonably predict observed plant behaviour. In spite of its simplistic assumptions which do not capture the exact nature of P flow within a plant, the idealized model could be introduced into a more physical vegetation one to allow the study of P limitation in a generic growing environment. The coupling of our idealized allocation model to a physical vegetation one was performed using ORCHIDEE, a dynamic vegetation model used to study global vegetation-climate interaction. Its parameterizations of fundamental plant processes were used to drive our model as function of C and P availability, and compared to two irrigated maize observation datasets. The results have shown the potential of their combination to simulate crops in different growing environments, which is to be used on a global scale and finally help us better understand contribution of P to crop productivity globally