# Modélisation, simulation et prévision de la dynamique à long terme du P phytodisponible du sol en fonction des pratiques agricoles. Contribution des essais P longue durée à la compréhension du fonctionnement biogéochimique du cycle du P dans les agrosystèmes

Christian Morel, Alain Mollier, Pascal Denoroy, Sylvain Pellerin

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Christian Morel, Alain Mollier, Pascal Denoroy, Sylvain Pellerin. Modélisation, simulation et prévision de la dynamique à long terme du P phytodisponible du sol en fonction des pratiques agricoles. Contribution des essais P longue durée à la compréhension du fonctionnement biogéochimique du cycle du P dans les agrosystèmes. "Enjeux sur le sol: les dispositifs de longue durée pour répondre aux questions d'aujourd'hui et de demain", Nov 2018, Versailles, France. 10.13140/RG.2.2.21705.19047. hal-02737853

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Submitted on 2 Jun 2020

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Nécessité des ELD-P pour :

- trouver/mettre au point une évaluation fonctionnelle et mécaniste de l'offre du sol en P

- Construire un modèle décrivant le cycle du P

- tester sa valeur en étudiant sa capacité prédictive à long terme

- élaborer de nouveaux référentiels

C. Morel, A. Mollier, P. Denoroy et S. Pellerin
ISPA, Centre Nouvelle-Aquitaine-Bordeaux

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① Les enseignements tirés des ELD

Le raisonnement de la fertilisation en P repose sur une extraction chimique du P du sol, l'exigence des cultures et un référentiel associé.

Malgré les évolutions et les progrès réalisés:

* Relation IR vs P-Olsen pour 22 sites expérimentaux et même culture : plus de 50% de la variabilité expérimentale reste inexpliquée.

* Les seuils de raisonnement ont été fixés avec une marge de sécurité pour avoir un diagnostic sécuritaire

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① Les enseignements tirés des ELD

Le P-phytodisponible du sol est analysé par une extraction chimique MAIS:

P–Olsen ne rend compte que
de ±10% à 30% du P prélevé
suivant site

(Boniface et Trocmé, 1988)

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Suivant extraction chimique,
**±dissolution de formes de P**
non absorbées par les plantes;
**±resorption d'ions-P** (Fardeau et
al. 1988)

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Les méthodes d'extraction
chimique du P dans les sols
sont peu reliées au P prélevé
(Zehetner et al. 2018)

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Correlation of extractable soil phosphorus (P) with plant
P uptake: 14 extraction methods applied to 50 agricultural
soils from Central Europe
Enseignement général: changer de paradigme, raisonner avec
nouvelles bases scientifiques plus en adéquation avec le
fonctionnement biogéochimique du cycle du P

* Améliorer la qualité des prescriptions en prenant en compte les processus physico-chimiques et biologiques contrôlant le fonctionnement du cycle du P dans différentes situations agropédoclimatiques;

* Progresser dans la compréhension, la quantification et la modélisation du fonctionnement du cycle biogéochimique du P des agrosystèmes (évaluation fonctionnelle et mécaniste du P phytodisponible; son évolution à long terme vs pratiques agricoles; ses relations avec le rendement des cultures) pour élaborer un système de diagnostic/prescription plus précis et fiable.

* Dans un contexte ou les enjeux agro-socio-économiques associés au P-agricole sont de plus en plus forts (raréfaction du P des gisements; optimisation de la production agricole à bas niveaux d'intrants; limiter les pertes de P d'origine agricole vers l'environnement; recyclage des MAFOR)
② Cycle du P dans les écosystèmes cultivés: généralités

Cycle P: ensemble des flux
d'entrées et sorties de P, des
processus de transformations et
d'évolution des stocks impliqués
dans la circulation sol-plante du P

P phytodisponible: fraction
du P total du sol
susceptible de participer à
la nutrition des cultures

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## ② Cycle du P dans les écosystèmes cultivés: ordres de grandeur

### Entrées de P

* **Intrants: de l'ordre 20-40 kg P /ha/an**

* Dépôts atmosphériques, irrigation: ~ 0.1 kg/ha/an

* P semis: ~ 0.1 kg/ha/an

#### Couche labourée (3750 tonnes de terre /hectare)

<table><thead><tr><td>Compartiments</td><td>kg P/ha</td><td>kg P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>/ha</td></tr></thead><tbody><tr><td>P total</td><td>2650</td><td>6070</td></tr><tr><td>P minéral</td><td>2000</td><td>4580</td></tr><tr><td>P organique</td><td>600</td><td>1370</td></tr><tr><td>P microbien</td><td>50</td><td>115</td></tr><tr><td>P extractible-Olsen</td><td>75</td><td>170</td></tr><tr><td>P phytodisponible, ions P dissous</td><td>0.2</td><td>0.5</td></tr><tr><td>P phytodisponible, ions P diffusibles 1an</td><td>500</td><td>1145</td></tr></tbody></table>

### Sorties de P

* **P exporté récoltes: 20-25 kg P/ha/an** (~60 kg P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>/ha/an)

* P exporté/restitué dans les résidus organiques: 4 kg P/ha/an

* P ruisselé: en général <1 kg mais parfois plusieurs kg

* P lixivié/lessivé: <0.5 kg au-delà de la couche labourée
② Evaluation fonctionnelle et mécaniste du P phytodisponible:
les acquis dans le contexte des sols cultivés/labourés de longue date

□ Les racines absorbent le phosphore sous forme d'ions orthophosphate (ions-P=H₂PO₄⁻, HPO₄²⁻) dissous.

□ La quasi-totalité (99%) des ions-P absorbés par les racines proviennent de la phase solide du sol.

□ Le transfert sol-solution des ions-P (sorption-désorption) se fait essentiellement par diffusion, cad sous l'effet du gradient de concentration sol-solution au sein de la rhizosphère créé par le prélèvement d'ions-P par les racines (mycorhizées).

□ La cinétique d'équilibre sol-solution des ions-P diffusibles est une variable clé

□ La minéralisation nette du P-organique du sol est un processus secondaire

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## ② Evaluation fonctionnelle et mécaniste du P phytodisponible: mesure au laboratoire, calculs et applications

① **Au champ:**
prélèvements
d'échantillons de sol dans
les ELD. Préparation,
stockage et archivage

③ **Paramétrage** du transfert sol-solution en fonction du temps et de la concentration des ions-P dissous (Cp)

$$Pr = 5.7C_p^{0,69} t^{0,24} \quad (144 \text{ observations, } r^2=0,95)$$

⑤ **Applications:**
Cycle du P: équation de conservation de la masse de P entre
$$ \Delta(\text{ions-P}(\text{dissous}+\text{diffusibles})) = \text{Bilan P} $$

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② **Au labo, acquisition de jeux de données (Cp et Pr=f(Cp,t))**

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④ **Calculs des valeurs de Pr pour toutes valeurs de Cp et de t**

<table><thead><tr><th rowspan="2">Cp, mg P/L</th><th colspan="6">Durée du transfert sol-solution par diffusion</th></tr><tr><th>1j</th><th>2j</th><th>7j</th><th>30 j</th><th>Etc...</th><th>365j</th></tr></thead><tbody><tr><td>0.1</td><td>6.7</td><td>7.9</td><td>11</td><td>15</td><td>etc..</td><td>27</td></tr><tr><td>0.5</td><td>20.2</td><td>23.9</td><td>32</td><td>46</td><td>etc..</td><td>83</td></tr><tr><td>1</td><td>32.6</td><td>38.6</td><td>52</td><td>74</td><td>etc..</td><td>135</td></tr><tr><td>etc...</td><td>etc...</td><td>etc...</td><td>etc...</td><td>etc...</td><td>etc...</td><td>etc...</td></tr></tbody></table>
② Evaluation fonctionnelle et mécaniste du P phytodisponible vs bilan E-S: construction d'un modèle

Bilan P = Entrées – Sorties

conservation de la masse de P:
ionsP(dissous+diffusibles)$_i$ –
ionsP(dissous+diffusibles)$_{i+1an}$
= ± Bilan annuel

Solution
Ions P
dissous

Processus

Ions-P
associés
aux constituants
solides

Sol

Résolution d'équations et
exemple de simulations
produites par le modèle
pour différents scenarios

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Limon (CRA-Bretagne, Bignan (56), coll. D. Hano)
(v,w,p)= (16.1, 0.33, 0.34)
Pr(1mg P/L, 1an)=5860 kg P/ha
③ Utilisation des dispositifs de longue durée : comparaison entre simulations vs observations;

Objectif : analyser la capacité du modèle à prévoir les évolutions du P phytodisponible au champ sur le long terme

Pour y répondre utilisation des ELD-P effectués dans le contexte des sols cultivés de longue date sous grandes cultures, labourés et fertilisés ou non avec des niveaux différents de triple-superphosphate ((CaH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>, H<sub>2</sub>O; 45% P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>)

Sites expérimentaux de longue durée mis en place
pour couvrir une gamme large et représentative de
situations agropédoclimatiques

* ELD-P analysés régulièrement sur plusieurs décennies (évaluation diachronique): comparaison Cp-simulée et Cp-observée

* ELD-P analysés une fois après 1 à 2 décennies d'expérimentation (évaluation synchronique): comparaison ΔCp-simulée et ΔCp-observée

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③ Présentation des ELD-P: comparaison simulations vs observations expérimentales

☐ ELD-P (TSP, 45% P₂O₅): les différents types de sol avec des propriétés physico-chimiques contrastées, des conditions climatiques variées, différentes rotations. ELD-P toujours en cours et beaucoup arrêtés mais stockés et archivés.

ELD-P à l'étranger: Canada, Madagascar, Suisse, Suède

☐ ELD-PRO: Qualiagro et INRA-Colmar du réseau SOERE-PRO (coll. S. Houot et A. Michaud, D. Montenach)

☐ ELD-P prairies permanentes (coll. C. Jouany, S. Sinaj)

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LA DIVERSITÉ DES SOLS DE FRANCE L'état des sols de France p. 39
③ évaluation diachronique: comparaison simulations vs observations
expérimentales

Essai Mant (1975-1991): sol limoneux, neutre. SW. Monoculture maïs

• 79 kg P-TSP/ha (x3 P exporté grains)

• 27 kg P-TSP/ha (x1P exporté grains)

• 52 kg P-TSP/ha une fois tous 2 ans

• 0 P (impasse permanente)

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Paramétrage de la dynamique des
ions-P diffusibles est invariant si les
propriétés physico-chimiques du sol ne
sont pas affectées.

Les simulations prédisent Cp sur
près de 2 décennies pour P0, P27
et P52/2;
surestiment Cp-observées pour P79
③ évaluation synchronique ensemble d'ELD-P: comparaison
simulations vs observations expérimentales de ΔCp (µg P/L)

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Le modèle CycP simule
correctement les 3 ordres
de grandeur des ΔCp
observées au champ pour
les différentes situations

Principales hypothèses/questions:

• 100% du P prélevé provient de la couche labourée

• Durée de l'équilibre sol-solution des ions-P

• Modalités de préparation des échantillons (séchage, broyage<2mm)

• Autres...
④ Relation rendement vs ions-P(dissous+diffusibles)

Exemple: essais ELD-P choisis pour leurs différences de propriétés de sol avec même culture (maïs)

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Cp-optimale (95% du rendement) dépend des propriétés du sol. Les valeurs différent grandement entre les essais.

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Cp-optimale (95% du rendement) est d'autant plus élevée que le transfert sol-solution des ions P diffusibles est faible. Et réciproquement.

Idem sur K (Schneider et Pellerin, 2003)
⑤ Conclusions

Les dispositifs expérimentaux de longue durée sur fertilisation P sont indispensables pour étudier le fonctionnement biogéochimique du cycle du P, quantifier/hiérarchiser les processus et les flux *in situ*, et pour élaborer de nouveaux outils méthodologiques: évaluation agroécologique du P phytodisponible (flux/processus)

ILS sont indispensables également pour mettre à l'épreuve, tester et améliorer un modèle décrivant le fonctionnement du cycle du P

ILS sont nécessaires pour acquérir rapidement de nouveaux référentiels associés à ces nouveaux indicateurs de fonctionnement (concentration en solution et transfert sol-solution des ions-P)

Questions prioritaires se dégagent pour mieux comprendre le fonctionnement du cycle du P: chiffrer l'interception par les racines (mycorhizes) le long du profil de sol; ii) durée d'équilibre ? iii) étudier si « préparation du sol » est à l'origine de biais méthodologique (cinétiques)