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sol vivant > Service 6: Déterminer la productivité de l'écosystème > Flashcards

Service 6: Déterminer la productivité de l'écosystème Flashcards

1
Q

Stratégie de la révolution verte

A
  1. Développement de variétés productives
    pour chaque zone agro-écologique (ZAE)
    majeure
  2. Sélection artificielle pour des traits
    pertinents selon les réalités locales (e.g
    résistance à certaines maladies, insectes
    ou stress abiotiques)
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2
Q

cause/conséquence révolution verte

A

Mécanisation de l’agriculture Dépendance sur les intrants chimiques
Émissions de gaz à effet de serre
Perte de variétés ancestrales Érosion des sols

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3
Q

Est-ce que la productivité = la biomasse

A

non

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4
Q

qu’est-ce qui détermine la productivité

A

La productivité est plutôt déterminée par la variation de biomasse de cet écosystème dans un
intervalle de temps donné

Dans écosystèmes naturels inaffectés par les activités anthropiques, la productivité est déterminée par le
flux d’énergie (nutriments) entre les différents compartiments (i.e atmosphère, sol, roche-mère,
biomasse…).

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5
Q

Effet des intrants chimiques

A

Les intrants chimiques viennent ainsi court-circuiter ces cycles naturels en augmentant le pool
de nutriments disponibles aux plantes pour leur croissance.

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6
Q

Éléments nutritifs

A

Oligoéléments
Macro-éléments

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7
Q

Oligoéléments

A

B
Cu
Fe
Mo
Mn
Zn

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8
Q

rôles des oligoélément

A

B activation d’enzymes; facilite la translocation de sucres et la synthèse d’acides nucléiques et
d’hormones; important pour la division cellulaire et la structure des parois cellulaires.
Cu présent dans plusieurs enzymes; impliqué dans les réactions oxydation/réduction et transport
d’électrons; stimule la photosynthèse et la formation de nodules (FBA).
Fe présent dans plusieurs enzymes; stimule la formation de la chlorophylle; important pour la fixation
de l’azote.
Mo présent dans plusieurs enzymes; essentiel à la fixation de l’azote et à la réduction du NO3-
Mn activation d’enzymes; impliqué dans la photosynthèse et le métabolisme de l’azote.
Zn présent dans plusieurs enzymes; stimule la formation d’hormones et d’amidon; stimule la production
de graines.

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9
Q

Quels sont les macro-éléments? Lequels sont des éléments nutritifs secondaires

A

N P K Ca Mg S

Ca Mg S

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10
Q

Qu’est-ce que des éléments nutritifs secondaires

A

Éléments requis en quantité modérée et qui risquent moins
de limiter la croissance des plantes

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10
Q

Formes sous lequels ont retrouve les oligoélément

A

H3BO3
Mn2+
Cu2+
Zn2+
MoO4 2-
Cl-
Co2+

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10
Q

Forme absorbée des macroélément

A

Ca2+
Mg2+
SO4 2-
K+
H2PO4-, HPO4 2-
NO3- , NH4+, NOD*

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10
Q

Rôle des macro-éléments

A

N acides aminées (protéines et enzymes); matériel génétique (nucléotides); chlorophylle et Rubisco
P transfert d’énergie (ATP); matériel génétique; croissance des racines; production de fleurs et
graines; phospholipides.
K régulateur osmotique (turgescence de la plante, attirance osmotique de l’eau du sol, ouverture des
stomates, etc. ); activation de ~60 enzymes
Ca s’associe à la pectine pour former les parois cellulaires végétales.
Mg élément constitutif de la chlorophylle; stabilise la structure des ribosomes; plusieurs réactions
enzymatiques.
S contenu dans certains acides aminées; élément constitutif de plusieurs enzymes.

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10
Q

Caractéristique du calcium

A
  • Un élément abondant dans la croûte terrestre (3.6%).
  • Le Ca est présent dans plusieurs minéraux (e.g., calcite: CaCO3; anorthite: CaAl2Si2O8).
  • Seulement une faible proportion du Ca total est dissoute dans la solution du sol.

La bio-disponibilité du Ca dépend de:
(1) abondance du Ca dans la roche mère
(2) vitesse de météorisation de la roche mère
(3) la solubilité des formes précipitées
(4) la CEC et le taux de saturation des argiles

Le Ca est un agent de flocculation dans le sol (i.e capable de maintenir les agrégats).

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11
Q

Caractéristique Magnésium

A
  • Un élément relativement abondant dans la croûte terrestre (1.9%).
  • Le Mg est présent dans plusieurs minéraux.
  • Seulement une faible proportion du Mg total est dissoute dans la solution du sol.

La bio-disponibilité du Mg dépend de:
(1) abondance du Mg dans la roche mère
(2) vitesse de météorisation de la roche mère
(3) la solubilité des formes précipitées
(4) la CEC et le taux de saturation des argiles

Le Mg est un agent de flocculation dans le sol.

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12
Q

Caractéristique du soufre

A
  • Un élément peu abondant dans la croûte terrestre (0.08%).
    < 10% du S retourné au sol par les plantes est présent sous diverses formes inorganiques.
  • Ces différentes formes inorganiques peuvent prendre différents états d’oxydation.

Chiffre d’oxydation
SO4 2- + 6
S 0
H2S - 2

Les diverses formes inorganiques du S peuvent être soit précipitées
(e.g., Fe2(SO4)3, FeS, CaSO4), soit solubles (e.g., SO4
2-), soit volatiles (H2S).

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13
Q

Forme organique du soufre

A

Le S réductible à l’acide hydriodique (HI- reducible S) est sous forme de lien ester
avec le carbone. Cette forme de S peut être hydrolysée et rendue immédiatement
disponible pour les plantes

(2)Le S lié directement au carbone (C- bonded S) : Le cyclage de cette forme de S est
stoïchiométrique avec le cyclage du C.

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14
Q

caractéristique du potassium

A

Présent sous quatre formes:
(1) minéraux de la roche mère (0.5 à 2.5 %)
(2) K+ adsorbé dans les espaces inter-foliaires des argiles
(3) K+ adsorbé à la surface des argiles, donc facilement échangeable avec le K+ en solution.
(4) K+ en solution

Les plantes peuvent absorber plus de K+ qu’elles ont besoin, sans développer
des symptômes de toxicité (i. e. « consommation de luxe »).

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15
Q

Caractéristique du phosphore

A

Présent sous plusieurs formes:
(1) minéraux de la roche mère (0.1 % de la croûte
terrestre)
(2) P adsorbé aux argiles phyllosilicates
(3) P précipité avec les sesquioxydes
(4) P précipité avec le Ca
(5) Phosphates organiques (i.e. liens ester avec le C,
donc minéralisable par hydrolyse)
(6) Diverses formes minérales solubles
PO4
3-, HPO4
2-, H2PO4-, H3PO4
(en faible concentrations)

Un élément relativement peu mobile dans le sol.
Les deux ions absorbés par la plante (HPO4
2-, H2PO4-) sont disponibles à différents pH.
Après l’azote, le P est souvent le deuxième élément limitant à la croissance
des plantes. Parfois, c’est le premier élément limitant.

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16
Q

Quels sont les outils pour évaluer la qualité nutritionnelle d’un sol en contexte agricole

A

Diagnostics visuels
Analyse des tissus végétaux
Analyses de sol
Analyses diagnostiques par vecteur

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17
Q

Caractéristique du diagnosti visuels

A
  • Qualitatif
  • Utile pour l’évaluation rapide de grandes
    surfaces (contexte agronome)
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18
Q

Caractéristique des analyse des tissus végétaux

A

a. Concentrations foliaires
* Quantitatif
* Établissement de seuils critiques
b. Ratios de concentrations foliaires
* Calcul d’indices
> 0 excès nutritionnel
0 balance nutritionnelle
< 0 déficit nutritionnel

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19
Q

Caractéristique des analyses de sol

A

Paramètres à mesurer
-Texture du sol
-pH
-Concentration des éléments nutritifs (oligo- et macroéléments)
ü Matière organique (SOM: Soil organic matter)

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20
Q

Analyse par vecteurs caractéristique

A
  • Les analyses par vecteur sont seulement valides pour les essences
    d’arbres avec une croissance déterminée des feuilles
  • Fertilisation au printemps, avant l’éclosion des bourgeons
  • Récolte de quelques ramilles d’aiguilles nouvelles (i. e aiguilles de
    l’année) vers la fin de la saison de croissance

Pour chaque arbre, vous allez :
-Peser la masse (g) de 100 aiguilles (Cette variable sert seulement à calculer la concentration et le contenu)
-Déterminer la concentration (mg/g) en N et en P de chaque aiguille
-Déterminer le contenu (mg/aiguille) en N et en P de chaque aiguille

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21
Voir graphique p. 33-39
22
Caractéristique de l'azote
Le N est souvent l'élément limitant pour la croissance des végétaux. Pour cette raison, l'homme applique environ 1,16 x 1011 kg de N comme engrais au sol à chaque année. C’est similaire au montant de N2 fixé par la FBA (1.4 x 1011 kg de N) Le N est l'élément du sol le plus étudié. Il est donc essentiel de comprendre le cycle du N.
23
facette de l'azote nous intéressant
* Formes chimiques du N * Importance (grosseur) de chaque pool d’azote * Transformations : vitesses et produits * Facteurs qui contrôlent ces transformations
24
Pools d'azote
N atmosphérique N dans les organismes vivants N du sol
25
caractéristique d'azote atmosphérique
* Surtout le N2, mais aussi le NH3, N2O, NO2- (gazeux) * D'autres formes non-gazeuses peuvent être tenues en suspension (sèche ou dissoute) dans l’atmosphère (e. g. , NOD, NO3-)
26
Sous quelle forme est l'azote dans les organismes vivants
formes organiques
27
Caractéristique de l'Azote du sol
a) N organique (> 98 % du N total) -N-litière : ce pool peut être gros ou petit, selon la productivité de l'écosystème et de la vitesse de la décomposition -N-humus intermédiaire : (acides fulviques, résidus de litière), ce pool est associé aux horizons organiques F-H. -N-humus stable : (acides humiques et humines), ce pool est associé au sol minéral (i.e., les complexes argilo-humiques) -N-humus labile : (biomasse ou nécromasse microbienne) : compte pour environ 1–2 % du N organique total.
28
Quelles sont les transformation de l'azote
1. Fixation biologique de l’azote (FBA) 2. Formation de N-organique du sol (i.e., N lié au C-réduit) 3. Formation de N-minéral du sol
29
rôle de la fixation biologique de l'Azote
Permet de fixer le N2-atmosphérique sous formes organiques. * Les engrais azotés nous permettent de « court-circuiter » la FBA.
30
Source de la formation de N-organique du sol
- Déposition atmosphérique de N-organique - Litière, pluviolessivat, rhizodéposition, etc. - Immobilisation microbienne du N minéral (… provenant soit de la déposition atmosphérique ou de la minéralisation de la matière organique du sol).
31
Minéralisation: définition
Au sens plus strict, la « minéralisation » du N fait allusion à la première forme minérale (NH3 ou NH4+) libérée du complexe organique (i. e. ammonification).
32
Caractéristique des minéralisation
Production de N-minéral à partir de N-organique N-minéral = N dissocié du C-réduit. Ces formes de N sont très labiles.
33
Quelles sont les transformations subséquentes du N-terminal
nitrification, dénitrification, immobilisation Font parte du cycle interne N-minéral du sol
34
Caractéristique des nitrification chimiolithotrohpe
les organismes impliqués dérivent leur énergie en oxydant des composés chimiques (chimio-) inorganiques (litho-). Oxydation en 2 étapes : NH3à NO2-; NO2- à NO3-
35
Groupe microbien pour la première étape de la nitrification chimio lithotrophe
AOB (ammonia- oxidizing bacteria): β-proteobactérie Nitrosomonas sp. Nitrosospira sp. γ –proteobactérie Nitrosococcus sp. AOA (ammonia-oxidizing archaea): Thermoproteota (Thaumarchaeota) Nitrosopumilus sp. Comammox: Nitrospira sp.
36
NO2- peut-il s'accumuler dans les sols
oui mais il est important qu'il ne s'y accumule pas car phytotoxique
37
Bactérie s'occupant de la deuxième étape de la nitrification chimio lithotrophe
nitrite- oxiziding bacteria’ (NOB): Nitrobacter et Nitrospira (comammox)
38
Caractéristique de la Nitrification chimio lithotrophe
Ce type de métabolisme est énergétiquement peu efficace. De plus, les microorganismes nitrifiants (NH3 à NO2-) sont autotrophes et doivent dépenser jusqu’à 80% de leur énergie pour obtenir leur carbone en réduisant le CO2 via le cycle de Calvin (i.e. comme les plantes). On dit souvent de l’oxydation de l’ammonium (NH4+ à NO3-) qu’elle est l’étape limitante de la nitrification.
39
Enjeux agronomiques et environnementaux liés à la nitrification chimiolithotrophe
- Génère de l'acidité - Nécessite de l'oxygène - L’ammoniac (NH3) est volatile - Le nitrite (NO2-) est phytotoxique - Le nitrate (NO3-) est très mobile dans le sol (i.e., prône à se faire lessiver) - Le nitrate (NO3-) dans l’eau souterraine en concentration >10 ppm est un danger pour la santé humaine.
40
Pourquoi les bactéries nitrifiantes nitrifient-elles?
Le chiffre d’oxydation augmente, c’est donc une réaction d’oxydation Comme c’est une réaction d’oxydation, il y a libération d’énergie Les bactéries impliquées utilisent donc le NH3 comme substrat énergétique
41
Est-ce que les métabolismes de production NO2 ou NO3 dans la nitrification hétérotrophe sont primaires ou secondaires
secondaire
42
Groupe microbiens menant la nitrification hétérotrophe (= chimioorganotrophe):
HAOB heterotrophic ammoniaoxidizing bacteria champignons nitrifiants
43
Que font les microoganismes fesant la nitrification hétérotrophe
Ces organismes produisent du NO3- à partir de diverses sources d’azote inorganique ou organique.
44
Est-ce que la chaîne de réaction de la nitrification hétérotrophe est lié à la production d'ATP
non car le NO3 est un sous produit de la réaction
45
Qu'est-ce que l'acétylène fait sur l'activité des AOB, AOA et métabolismes hétérotrophes
En faible concentration(e.g 0.66Pa), l’acétylène (C2H2) peut inhiber l’activité des AOA (ammoniaoxidizing archaea) et AOB (ammonia- oxidizing bacteria) , mais n'a pas d'effets négatifs sur les métabolismes hétérotrophes.
46
Qu'est-ce que la dénitrification
Processus par lequel le nitrate (NO3-) remplace l'oxygène (O2) comme accepteur d'électrons dans la chaîne terminale de la respiration microbienne (respiration anaérobie).
47
Quels microorganismes font la dénitrification (hétérotrophe)
bactéries hétérotrophes nitrifiantes champignons dénitrifiants bactéries dénitrifiantes
48
Quels microorganismes font la dénitrification (chimiolithotrophes)
AOB ammonia-oxidizing bacteria
49
Caractéristique des dénitrification
Le chiffre d’oxydation diminue, c’est donc une réaction de réduction Comme c’est une réaction de réduction, il faut fournir de l’énergie à cette réaction Les microorganismes impliqués utilisent le NO3- comme accepteur d’électron en condition anaérobies ou microaérobiques.
50
Produit de la dénitrification bactérienne complète
NO3- est réduit en N2
51
Produit de la dénitrification fongique complète
NO3- est réduit en N2O
52
qu'est-ce que la réduction non assimilatrice ou dissimilatrice du NO3
Puisque le N du NO3- n’est pas assimilé dans les cellules microbiennes, mais plutôt relâché dans l'environnement, on appelle ce processus la réduction non- assimilatrice ou dissimilatrice du NO3-.
53
Dans quelle circonstance y a-t-il réduction assimilatrice du NO3- ?
-Lorsque l’azote contenu dans le NO3 est incorporé dans les structures microbiennes (assimilation). -Certaines bactéries peuvent assimiler le NO3- et le NO2- pour subvenir à leurs besoins en azote
54
Quels sont es facteurs contrôlant la dénitrification de l'azote
a) Disponibilité du C-organique b) Disponibilité du NO3- c) Concentration de O2 d) pH
55
Conditions retrouvées dans les rizières pour la dénitrification
-Beaucoup de C-organique -Utilisation d’engrais verts -Conditions anaérobies
56
Comment quantifie-t-on la dénitrification
Puisque le produit final est le N2 et que la concentration du N2 atmosphérique est très élevée, il est difficile (voire impossible) de détecter le N2 produit par la dénitrification. On se sert donc d’un blocage à l’acétylène (C2H2) pour mesurer la dénitrification. Puisque la concentration atmosphérique du N2O est faible, il est possible de mesurer son accumulation lorsqu'on place un sol dans une atmosphère enrichie de C2H2.
57
Protocole de la méthode de l’activité enzymatique de la dénitrification (DEA – Denitrification Enzyme Activity) Anderson& Domsch( 1978)
1. Ajouter une source de C labile (glucose) et de NO3- (KNO3) à notre échantillon de sol 2. Fermer le pot hermétiquement 3. Faire le vide dans le vial (retirer l’air) 4. Remplacer l’air par un gaz inerte (e.g Hélium [He]) 5. Ajouter l’acétylène (C2H2) 6. Prendre un échantillon du ‘headspace’ 7. Quanmtification du N2O
58
Biais de la méthode de l’activité enzymatique de la dénitrification
* L’acétylène bloque aussi la nitrification chimiolithotrophe. Puisque l’essai peut durer plusieurs heures jours, la diminution du NO3- ne sera pas compensée et pourrait nous faire sous-estimer la dénitrification. * Certains chimiolithotrophes (e.g AOB) sont également capables de dénitrifier. L’acétylène inhibe ces populations.
59
Impacts environnementaux de la dénitrification
* Processus principal par lequel l’oxyde nitreux (N2O) est produit * Près de 70% des émissions d’oxyde nitreux (N2O) proviennent des sols, principalement des sols agricoles
60
Caractéristique de l'oxyde nitreux
* « Gaz hilarant » (‘laughing gas’) * Gaz à effet de serre (GES) 298 fois plus puissant que le CO2 * Destructeur d’ozone stratosphérique * Longue durée de vie : ~120 ans pour un « pliage-e » (retrait de 63.2% des émissions initiales)
61
But de la méthode colorimétrique de quantificatioon de la disponibilité de N de la plante
Quantifier les montants de NH4+ et NO3- contenus dans un échantillon de sol
62
Protocole de la méthode colorimétrique de quantificatioon de la disponibilité de N de la plante
a. Extraction au KCl (1 N) b. Dosage colorimétrique du NH4-N ou du NO3-N (spectrophotométrie)
63
Problème de la méthode colorimétrique de quantificatioon de la disponibilité de N de la plante
(1) Les pools de N-minéral sont petits par rapport à ce que les plantes absorbent en une saison de croissance; (2) Les pools de N-minéral sont dynamiques, donc le temps de retournement est rapide. Les montants de NH4+ ou de NO3- quantifiés dans l’échantillon de sol témoignent seulement des concentrations de NH4+ ou de NO3- dans le sol au moment de l’échantillonnage.
64
Comment mesurer la disponibilité du N pour la plante?
1. Méthode colorimétrique 2. Incubations in situ (sur le terrain) 3. Incubations ex situ (au laboratoire) 4. Résines échangeuses d’ions 5. Dilution d’isotopes (15NH4+ ou 15NO3-)
65
But de l'incubations in situ (sur le terrain)
Quantifier les montants de NH4+ et NO3- contenus dans cet échantillon de sol incubé in situ (sur le terrain).
66
Protocole de l'incubations in situ (sur le terrain)
a) Isoler le sol des racines pour laisser l’azote s’accumuler b) Laisser l’échantillon incuber plusieurs jours/semaines c) Revenir sur le terrain pour récupérer l’échantillon incubé, puis recommencer a) avec un nouvel échantillon d) Doser le NH4-N ou du NO3-N des échantillons récoltés selon la méthode colorimétrique
67
Avantage/ désavantage de l'incubations in situ (sur le terrain)
Avantages * Mesure la variabilité spatiale et temporelle * Considère les facteurs climatiques Désavantages * Temps ++ et effort ++ * L’effet des traitements dépendent
68
Caractéristique de l'incubations ex situ (au laboratoire)
Même chose que les incubations in situ, mais faites au laboratoire * Température et humidité constante, donc les sols sont comparés uniquement en fonction de leur qualité chimique (et de leurs communautés microbiennes). * Avantages – ne confond pas les facteurs climatiques – accélère la minéralisation du N (Q10) * Désavantages – Les conditions artificielles rendent l’interprétation un peu plus difficile.
69
Principe des résines échangeuses d'ions
les ions en solution du sol peuvent être adsorbés par des résines artificielles
70
Désavantages des résines échangeuses d'ions
– Dépend de la teneur en eau (surtout les anions) – Coefficient d’affinité de la résine pour chaque ion diffère de celle du sol. – Saturation éventuelle des résines
71
Principe des dilutions d'isotopes
connaître les taux bruts de production et de consommation des ions
72
Avantages des dilutions d'isotopes
– Comprendre les facteurs qui contrôlent les taux nets de transformation du N
73
Désavantages des dilutions d'isotopes
– L’échelle temporelle trop courte pour permettre une interprétation adéquate ; l'essai dure 24 heures alors que la dynamique du N-minéral varie tout au long d'une saison de croissance.
74
Sur quoi de base les approches traditionnelles pour mesurer la minéralisation de l'azote
Les approches traditionnelles pour mesurer la minéralisation du N se basent sur les taux nets de minéralisation de l’azote, par exemple : * Incubation in situ * Incubation ex situ * Résine échangeuse d’ions
75
Taux nets vs taux bruts
Taux net: Bilan : taux bruts de production – taux bruts de consommation Taux brut: Séparation de la consommation et la production
76
Que doit-t-on connaitre pour calculer les taux brut de production et de consommation de NH4 ou NO3
(1) la grosseur initiale du pool de NH4+ ou NO3- (2) la grosseur finale du pool de NH4+ ou NO3- (3) la concentration initiale en isotope 15NH4+ ou 15NO3- (4) la concentration finale en isotope 15NH4+ ou 15NO3-
77
Application de la dilution d'isotope
a) Tester la corrélation entre NH4+ et NO3- b) Comprendre l’effet du NH4+ sur le taux brut de consommation du NO3- c) Corrélation des taux bruts avec l’activité microbienne d) Contribution de divers types de microorganismes

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