Carbone dans les sols : mise au point d’un modèle mathématique pour mieux comprendre le cycle de la matière organique

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Le sol, là où tout commence et se termine. La matière organique du sol est une véritable clé de voûte de la sécurité alimentaire, de la biodiversité ou encore de l’atténuation du changement climatique. Les progrès techniques récents en sciences du sol et en microbiologie ont permis de mettre en évidence des processus de décomposition de la matière organique jusqu’alors insoupçonnés. Des chercheurs d’INRAE, de l’Université de Lorraine et d’AgroParisTech se sont associés pour développer un modèle mathématique innovant, qui intègre ces découvertes récentes. Leurs travaux financés par le LabEx ARBRE, sont publiés Nature Communications du 5 février 2021. Ils apportent un éclairage nouveau sur le cycle de la matière organique du sol.

Le sol, et plus particulièrement la matière organique (MO) qui le compose est de plus en plus au cœur des travaux de recherche, en raison de sa capacité à piéger le carbone atmosphérique et de son rôle majeur dans la santé des sols. La MO est composée de molécules carbonées très variées. De multiples acteurs microscopiques, les micro-organismes, agissent de concert pour la décomposer à l’aide de leurs outils que sont les enzymes. La compréhension de la dynamique de décomposition de la MO a considérablement progressé au cours des dernières années. Jusqu’à présent la MO était considérée comme un ensemble de composés difficiles à dégrader. Aujourd’hui, on considère que cette MO est faite d’un ensemble de molécules qui sont continuellement transformées par les micro-organismes pour devenir de plus en plus petites. Cette nouvelle vision remet en question les modèles existants de prédiction de la dynamique du carbone.

C’est pourquoi des chercheurs d’INRAE, de l’Université de Lorraine et d’AgroParisTech se sont associés, pour développer un modèle qui prend en compte les nouvelles données en chimie du sol et écologie microbienne. Baptisé C-STABILITY, ce modèle combine les approches mathématiques des différents modèles actuels et reproduit avec succès les processus de la dynamique de la MO. C-STABILITY traduit les transformations réalisées par les enzymes et les microbes du sol tout en mettant l’accent sur l’accessibilité de la MO.

Les simulations théoriques réalisées grâce à ce nouveau modèle mathématique apportent un éclairage nouveau sur la relation entre les micro-organismes décomposeurs, la chimie de la MO et le stock de MO. La structure mathématique flexible de C-STABILITY offre une base prometteuse pour l’exploration de nouvelles hypothèses de recherche sur la MO et pour améliorer l’évaluation de la capacité des sols à stocker le carbone.

Référence

Sainte-Marie, J., Barrandon, M., Saint-André, L. et al. C-STABILITY an innovative modeling framework to leverage the continuous representation of organic matter. Nat Commun 12, 810 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21079-6

Photo : N. Pousse (ONF)

 

 

 

 

Production contrôlée de truffes blanches made in France

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Tuber magnatum Pico, connue sous le nom de Truffe blanche du Piémont ou Truffe blanche d’Italie, est la truffe la plus rare et la plus chère. Elle est récoltée exclusivement en forêt dans quelques pays d’Europe, mais l’offre n’arrive souvent pas à combler la forte demande mondiale pour ce champignon. Depuis 2008, après 9 ans de recherches conjointes entre INRAE et les pépinières ROBIN, les premières plantations truffières ayant pour but sa culture ont pu être faites en France. La persistance de la truffe blanche a été vérifiée dans des truffières ayant de trois à huit ans, et dans l’une d’elles, âgée de quatre ans, les premières récoltes ont eu lieu en 2019. Les résultats scientifiques de ces travaux sont parus le 16 février dans la revue Mycorrhiza. La production de fructifications de T. magnatum dans une plantation hors de son aire de distribution naturelle est une première mondiale ouvrant la voie au développement de la culture de cette truffe en France mais aussi ailleurs dans le monde.

La truffe blanche italienne (Tuber magnatum Pico) est la star des truffes pour de nombreux grands restaurants gastronomiques à travers le monde. Son parfum particulier la rendait déjà unique dans les années 1700, alors que les princes de Savoie l’utilisaient dans leurs négociations diplomatiques. La fructification (truffe) de T. magnatum est produite par un champignon qui vit en symbiose avec des arbres tels que les chênes, les saules, les charmes et les peupliers. Cette truffe est récoltée naturellement en Italie, dans la péninsule balkanique, plus rarement en Suisse et dans le sud-est de la France. La production annuelle de cette truffe est de quelques dizaines de tonnes.

Depuis 2008, la pépinière ROBIN commercialise des arbres mycorhizés par T. magnatum suivant le procédé INRAE/pépinières ROBIN, sous licence et contrôle d’INRAE. Chaque plante est ainsi vérifiée individuellement avant sa commercialisation par des experts INRAE, ​​qui contrôlent la présence de la truffe en analysant des caractéristiques morphologiques et effectuant des analyses ADN. Dans un programme de recherche conjoint INRAE/pépinières ROBIN, cinq plantations françaises ont été étudiées. Le premier résultat est la persistance dans le sol trois à huit ans après plantation de la truffe blanche pour quatre plantations réparties dans des régions au climat différent (Rhône-Alpes, Bourgogne Franche Comté et Nouvelle Aquitaine). Le principal résultat de ce travail a été la récolte en 2019 de trois truffes et quatre en 2020 dans la plantation de Nouvelle-Aquitaine. Ces truffes sont ainsi les premières récoltées dans une plantation en dehors de l’aire de répartition géographique naturelle de cette espèce.

La trufficulture connaît un essor mondial depuis quelques années. En France, elle se développe également dans de nombreuses régions en permettant aux agriculteurs de se diversifier tout en respectant l’environnement : c’est une culture agroécologique ne nécessitant pas d’intrants chimiques et favorisant la biodiversité. Les résultats de cette étude ouvrent la voie à la culture de T. magnatum hors de sa zone de distribution naturelle, à condition de planter des plants mycorhizés de haute qualité dans des sols adaptés et d’appliquer une gestion appropriée des plantations.

Cette première mondiale a été saluée par Joël Giraud, secrétaire d’État auprès de la ministre de la Cohésion des territoires et des Relations avec les collectivités territoriales, chargé de la Ruralité.

Référence

Bach, C., Beacco, P., Cammaletti, P. et al. First production of Italian white truffle (Tuber magnatum Pico) ascocarps in an orchard outside its natural range distribution in France. Mycorrhiza (2021). https://doi.org/10.1007/s00572-020-01013-2

Les 10 ans du LERMAB à Longwy

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En 2010, l’Université de Lorraine décide de lancer une nouvelle activité de recherche en énergétique et éco-matériaux à Longwy, dans un emplacement frontalier, créant ainsi la 3ième antenne du Laboratoire LERMAB (après Nancy et Epinal).

Après 10 ans d’activité, une production scientifique soutenue s’est mise en place avec un fort investissement dans la formation doctorale. Ces activités ont été confortées par l’organisation d’une école thématique Master – Doctorat, couplées à deux séries de conférences internationales ICOME [1] en 2015 et EVF [2] en 2014.

Avec l’arrivée de l’antenne du LERMAB, le paysage “recherche” de l’IUT de Longwy a gagné une cohérence thématique qui fait de l’énergie un noyau central dynamisant la recherche et l’innovation. Les ambitions les plus simples sont souvent les plus partagées. Nous avions donc décidé de développer une activité  de recherche construite pour et avec l’environnement socio-économique du Pays Haut lorrain. Le thème “énergie et bâtiment durables” est un thème porteur où la rupture technologique est possible et donc les défis permanents. Nos projets innovants sur le Bois – de l’arbre à la calorie – développe des recherches sur la paroi intelligente, la ville de demain, la valorisation énergétique et la protection de l’environnement.

Au sein d’une ville frontalière comme Longwy, nous attachons une importance capitale à la mobilité. Une vingtaine de scientifiques et d’étudiants internationaux séjourne régulièrement dans notre laboratoire contribuant ainsi, d’une certaine manière, à compenser la légendaire fuite des cerveaux transfrontalière.

[1] ICOME Int. Conf. Materials and Energy

[2] Energy and City of the Futur

Pr M. El Ganaoui (mohammed.el-ganaoui@univ-lorraine.fr)

Pour une version longue, lire l’article dans FACTUEL

FranceRelance : feuille de route pour l’adaptation des forêts au changement climatique

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Depuis plusieurs années, sous l’effet du changement climatique, la forêt française fait face à des risques naturels sévères et croissants, comme la sècheresse, les vagues de chaleur ou les inondations, mais également à des risques sanitaires biotiques (invasion de scolytes, chenilles processionnaires, chalarose) engendrant des dépérissements importants dans de nombreux massifs forestiers. Depuis sa création, les partenaires du Labex ARBRE développent des programmes de recherche visant à adapter la forêt à ces évolutions du climat et la rendre plus résiliente.

Mardi 22 décembre 2020, les acteurs de la filière forêt-bois ont remis au ministre de l’Agriculture et de l’Alimentation leur feuille de route pour l’adaptation des forêts au changement climatique, dont les orientations ont largement inspiré le volet forestier du plan national de relance résultant de l’épidémie de Covid-19. Le ministre a signé avec eux une charte d’engagement pour la réussite du plan de relance et a annoncé le lancement de nouveaux dispositifs. Les acteurs de la filière Forêts-Bois se retrouvent autour de 9 priorités dont plusieurs recoupent les priorités stratégiques du LabEx ARBRE :

– renforcer la coopération scientifique et les connaissances pour l’adaptation des forêts et de la filière forêt-bois au changement climatique ;

– diffuser et s’approprier les connaissances acquises, développer et centraliser les outils de diagnostic et d’aide à la décision face aux risques climatiques pour l’adaptation ;

– promouvoir les pratiques sylvicoles qui augmentent la résilience, diminuent les risques et limitent l’impact des crises ;

– mobiliser les outils financiers permettant aux propriétaires d’investir pour adapter leurs forêts ;

– conforter la veille et le suivi sanitaire, organiser la gestion de crises ;

– renforcer et étendre les dispositifs de prévention et de lutte contre les risques abiotiques, et notamment la défense contre les incendies (DFCI) ;

– préparer et accompagner l’adaptation de l’amont de la filière, en développant une solidarité élargie de filière pour être en mesure de préparer les ressources forestières futures ;

– préparer et accompagner l’adaptation des entreprises de l’aval de la filière ;

– renforcer le dialogue et la concertation, développer l’animation et la médiation entre acteurs au sein des territoires.

En remettant cette feuille de route, les acteurs de la forêt et de la filière forêt-bois marquent leurs souhaits de relever ce défi en s’engageant sur des actions et des moyens néces- saires à l’adaptation des forêts et de la filière au changement climatique.

Pour en savoir plus …

Semaine de la recherche

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La forêt et le bois sont des sujets pour la science … ou le LABEX ARBRE raconté aux étudiants pour la semaine de la science 2021

(cliquez sur les zones en gras (liens hypertexte) pour avoir des précisions)

Les forêts sont traditionnellement des zones de chasse, de cueillette et de parcours, et sont souvent appropriées comme des biens communautaires. Depuis toujours, elles produisent du bois, matière première pour l’habitat, l’énergie, la culture (le papier ou les instruments de musique …), dont le besoin ne cesse d’augmenter, pour une industrie lourde qui co-existe avec l’artisanat. On demande aujourd’hui toujours plus de services à nos forêts pour héberger la biodiversité, pour séquestrer le CO2 en atténuation du changement climatique, pour améliorer la qualité de l’eau ou de l’air, pour préserver les sols ou limiter l’érosion, et tout simplement pour satisfaire le besoin de nature et de rêves de citoyens de plus en plus urbains. Mais ces forêts sont aussi des écosystèmes fragiles qui peuvent disparaître sous le feu, le vent, les sécheresses ou les pathogènes. Elles représentent également des risques pour l’environnement et nos activités, en hébergeant par exemple des vecteurs de maladies.

Dans les paysages européens façonnés par l’homme depuis l’Antiquité, les forêts ne sont pas vraiment des ressources naturelles – car contrairement à l’air ou l’eau, elles ne proviennent pas de la nature de manière directe sans intervention humaine. Pour autant, leur sylviculture ne transforme pas autant le milieu naturel que l’agriculture. Les forêts sont sources de quantité de services et d’emplois (les forêts et la filière bois représentent 450 000 emplois en France, dans le même ordre de grandeur que l’agroalimentaire).

A Nancy, s’est développé depuis de nombreuses années un dispositif de formation et de recherche sur les forêts et les services qu’elles procurent, notamment le bois utilisé comme matériau de construction mais aussi source d’énergie et de biomolécules. Ce dispositif est reconnu depuis 2012 par le Laboratoire d’Excellence ARBRE qui fédère une diversité de laboratoires et d’organismes lorrains et développe des recherches de pointe dans de nombreuses disciplines : écologie mais aussi microbiologie, physiologie, économie, génie des procédés ou chimie.

Les travaux de ces laboratoires vont de la recherche la plus fondamentale notamment sur l’écologie évolutive des interactions entre arbres et champignons symbiotiques ou pathogènes, à des projets très appliqués, jusqu’à l’innovation la plus ambitieuse conduite avec les entreprises qui gèrent les forêts. Une forte originalité de la recherche forestière est de devoir composer avec l’observation de systèmes très lents – arbres et forêts- en conditions naturelles ce qui demande de développer un savoir-faire expérimental sur des sites d’observation ou d’expérimentation sur le terrain. Depuis 2019, la succession d’années sèches a initié de graves mortalité des arbres, mettant sur le devant de la scène des recherches que nous conduisons depuis longtemps pour adapter la forêts aux climats du futur. Les stratégies nouvelles pour la bioéconomie stimulent également de nouveaux projets de recherche, par exemple sur le bois source de molécules ou le rôle des forêts et du bois dans le développement territorial. Mais nos recherches concernent aussi des domaines que vous ne soupçonnez sans doute même pas : biomécanique des arbres, écologie historique, économie des fonctions récréatives des forêts …

Pour en savoir plus :

Une synthèse d’une entreprise partenaire, l’Office National des Forêts, sur ses besoins de recherche et ses projets d’innovation pour construire les forêts du futur.

Quelques sites web – RENECOFOR , REGEBLOC – et une conférence qui présentent les méthodes et sites d’observation et d’expérimentation en forêt.

Un article de base sur la fertilité des sols en forêt.

Un site de projet pluridisciplinaire sur l’économie de la forêt dans le PNR des Ballons des Vosges.

Les productions remarquables  de « Ma thèse en 180 secondes » #MT180 qui ont concerné nos recherches :

A propos de nos travaux sur les champignons forestiers, deux courtes présentations de vulgarisation par INRAE (vidéos 1 et 2), et deux vidéos générales (vidéos 1 et 2) par Francis Martin (un des tous meilleurs chercheurs du monde pour la citation de ses articles scientifiques mais aussi un excellent vulgarisateur)

Quelques articles de vulgarisation de nos recherches « inattendues » :

Et n’hésitez surtout pas à voir ou revoir l’excellent documentaire d’Emmanuelle Nobécourt sur le Génie des Arbres (malheureusement plus disponible en intégralité sur France TV).

Meilleurs Voeux 2021 !!!

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Bonjour à toutes et à tous,
Entre pandémie de Covid-19, confinements et couvre-feu, l’année 2020 a été très anxiogène et éprouvante. Dans un  contexte de regain annoncé de l’épidémie, 2021 débute malheureusement sous de mauvais augures. Dans ces circonstances inédites, l’expression du génie scientifique qui a permis la production d’un vaccin en quelques mois est particulièrement réconfortante et porteuse d’espoir.
Je vous souhaite une excellente année et échanges scientifiques fructueux au sein du LabEx ARBRE.
Je profite de ce message pour vous remercier de votre investissement dans les nombreuses activités de recherche, de formation et de médiation scientifique que vous développez au sein de notre consortium.
Bien cordialement – Francis Martin

Effet du mélange d’essences en forêt sur l’exposition à la sécheresse chez le hêtre

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Dans le cadre d’un projet de recherche du Labex ARBRE, une nouvelle étude intitulée “Mixing beech with fir or pubescent oak does not help mitigate drought exposure at the limit of its climatic range” vient d’être publiée dans la revue Forest Ecology & Management par Soline Martin-Blangy et ses collaborateurs (UMR Silva, UMR ISPA, UMR Biogeco, UMR CEFE).

Dans cet article, les auteurs se sont intéressés à l’effet du mélange d’essences en forêt sur l’exposition à la sécheresse chez le hêtre (Fagus sylvatica) dans le sud-est de la France (sur un gradient nord-sud allant du massif des Bauges au massif de la Sainte-Baume), une région aux limites de son aire de répartition. Il s’agissait de déterminer si la gestion du hêtre dans cette région en peuplement pur ou mélangé avec le sapin (Abies alba) (dans la partie Nord) ou le chêne pubescent (Quercus pubescens) dans la partie sud) pourrait atténuer l’impact de sécheresses.

Cette étude avait pour but de (i) caractériser les effets des interactions des espèces sur l’exposition à la sécheresse du hêtre (évaluée avec la composition isotopique du carbone (δ13C) dans des cernes de croissance du bois), et (ii) déterminer si des complémentarités de profondeur d’acquisition de l’eau par les racines des différentes espèces peuvent expliquer ces effets (évaluée avec la composition isotopique de l’hydrogène (δ2H) dans l’eau du xylème).

Les auteurs n’ont pas trouvé de tendance globale d’un effet du mélange d’espèces sur le fonctionnement physiologique du hêtre pendant des années sèches. Dans les sites avec le mélange hêtre-sapin, la présence du sapin avec le hêtre n’a pas eu d’effet sur le δ13C du hêtre pendant des années sèches. Dans les sites avec le mélange hêtre-chêne, la présence du chêne était neutre en général, sauf dans quelques situations où le hêtre semblait subir une plus forte exposition à la sécheresse en présence du chêne. Des différences de profondeur d’extraction de l’eau par les racines estimée au cours d’un été sec ont été observées entre le hêtre et le sapin, mais pas entre le hêtre et le chêne pubescent. Cependant, ces mécanismes de complémentarité d’acquisition de l’eau dans les peuplements étudiés ne semblent pas être à l’origine des tendances observées sur l’impact de la présence de ces autres espèces sur l’exposition à la sécheresse du hêtre.

Cette étude démontre que la gestion du hêtre en peuplements mélangés avec le sapin ou le chêne pubescent dans cette région n’atténue pas les effets négatifs de la sécheresse sur le hêtre. Sur le long terme, avec des sécheresses de plus en plus fréquentes, privilégier les mélanges hêtre-sapin dans cette région ne semble pas être néfaste pour la croissance et la survie du hêtre. Au contraire, la présence du chêne pubescent dans des peuplements de hêtre pourrait être néfaste pour le hêtre.

The variability of leaf phenology among regional beech

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A new paper entitled ‘Leafy season length is reduced by a prolonged soil water deficit but not by repeated defoliation in beech trees (Fagus sylvatica L.): comparison of response among regional populations grown in a common garden‘ has been published by Massonnet et al. (SILVA Department) has been published in Agricultural and Forest Meteorology. 

Abstract. Bud-burst and leaf-senescence determine the length of the growing season for deciduous trees and therefore the duration of potential carbon assimilation with consequences on biomass production. In Fagus sylvatica L., leaf phenology depends on both photoperiod and temperature. The future climate is expected to induce more frequent soil water deficits and biotic attacks (possibly resulting in severe defoliation).

The aim of the present study is to assess whether these constrains may alter leaf phenology. In a common garden, we sowed seeds collected from six beech forests along a small latitudinal gradient (140 km) in North-Eastern France. In 2014, after seven years growth, a rain exclusion was installed above the trees to test how recurrent soil water deficits impacted bud-burst (BB) and leaf-yellowing (LY) over three years. We also analyzed the response of leaf phenology to annual defoliation, aiming at affecting carbon and nitrogen availability in trees.

Delayed BB and early LY were observed, reducing the growing season (GS) until 14 days in response to soil water deficit whereas no influence of defoliation was detected. These time lags were not in relation with leaf nitrogen content. In the control treatment, BB occurred earlier and LY later in the northernmost populations than in the southernmost without clear relationships with local climate. A significant treatment x population interaction was observed revealing a plasticity in the leaf phenology response to soil water deficit among populations.

These results suggest that beech trees present a genetic differentiation of leaf phenology even within a small latitudinal gradient but that these differentiations could be disrupted by soil water deficit that is predicted to increase in the future.

This research was funded by the LabEx ARBRE within the framework of the Mepib-Death project. Pierre-Antoine Chuste received a PhD grant from ARBRE.