Long-term mineralization of organic phosphorus in agricultural soils : evaluation and control factors | Minéralisation à long-terme du phosphore organique dans les sols cultivés : évaluation et facteurs de contrôle

anglais. Total phosphorus (P) in the plough layer of cropped soils is at 30-40% in the form of organic compounds (SOP). Little is known about SOP mineralization, even though this process may significantly contribute to the soil plant-available P and therefore to the P nutrition of cropped plants.The objective of this thesis is to quantify the long-term mineralization of SOP under field conditions and to identify its driving factors (SOP speciation, soil properties, climatic conditions).To answer these questions, four long-term field experiment (LTFE) were selected, two belonging to the INRAE LTFE network on mineral fertilization and the other two to the Observatory of Environmental Research on Organic Waste Products, i.e. OWP (SOERE-PRO). They were selected to cover a diversity of agropedoclimatic situations. The underlying hypothesis is that the nature (superphosphate, urban composts, urban sewage sludge, cattle manure) and the fertilization P dose (between 0 and 112 kg P ha-1 yr-1), crop residue management, soil classification, climatic conditions, and crop succession, affect the SOP mineralization rate. In addition, the time-series databases of crop and soil measurements from these trials are complete, and the soil were regularly sampled and stored. This allowed determining changes in soil SOP and inorganic P (SIP) levels over several decades, as well as the plot cumulative P budget (Bcum = ∑(P supplied − P exported in crops)). The SOP mineralization rate was calculated using the bi-compartmental model of Hénin and Dupuis (1945). This model describes the annual evolution of the SOP stock as a function of its mineralization and the incorporation of P into the SOP through the decomposition of crop residues and OWP. In two of the four LTFE, the speciation of SOP and SIP was determined by nuclear magnetic resonance of P in NaOH-EDTA solutions (P-NMR).The initial SOP stock varied considerably among the trials from 368 to 1145 kg ha-1. On average across trials and treatments, 3.2 kg P ha-1 year-1 of post-harvest aerial and root residues were incorporated into the SOP stock for 10.9 kg P ha-1 year-1 released into the soil solution. For OWP, P input varied considerably from 24 to 112 kg P ha-1 yr-1 (mean 32.4) depending on the reasoning (i.e. 2 t C-OWP ha-1 yr-1 or 170 kg N-OWP ha-1 every two years) and the C/P and N/P ratio. On average, 5.5 kg P ha-1 year-1 was incorporated into the SOP and 26.9 kg P ha-1 year-1 was released into the soil solution.The SOP mineralization rates ranged from 1.7 to 11.2 kg P ha-1 yr-1 (5.1 on average or 0.8% of the SOP stock) with a residence time ranging from 56 to 227 yrs. The P-NMR results indicate that the SOP is predominantly in the form of orthophosphate monoesters, in which inositolhexakisphosphates (IHP) are the main compounds. The low SOP mineralization values could be explained by the presence of IHP, which are known strongly interact with the soil solid phase, and by a high concentration of phosphate ions in soil solution, which could inhibit the enzymatic catalysis of IHP. Despite very different Bcum values (between -724 and +1830 kg P ha-1 for one of the trials), the SOP stock is constant in all LTFE while, on the contrary, the SIP stock changes strictly according to Bcum values.In conclusion, this thesis indicates that SOP mineralization is low, although variable among the four LTFE. It varies proportionally to the SOP stock but the drivers of this stock and of the mineralization coefficient could not be clearly identified, probably due to the scarcity of analyzed situations. This mineralization flux contributes marginally to the soil plant-available P, compared to the diffusion mechanism of phosphate ions at the solid-to-solution interface.

français. La disponibilité du phosphore (P) du sol pour les plantes cultivées (phytodisponibilité) est au centre d’enjeux agronomiques (production agricole, raisonnement de la fertilisation) et environnementaux (eutrophisation, pénurie des réserves mondiales) importants. Le phosphore (P) total du sol est à 30-40% sous forme de composés organiques (POS) dans la couche labourée. La minéralisation du POS est peu connue, alors même que ce processus pourrait contribuer à la phytodisponibilité du P du sol et à la nutrition phosphatée des plantes cultivées.L’objectif de cette thèse est de chiffrer la minéralisation à long-terme du POS dans les conditions du champ et d’en identifier les facteurs de contrôle (e.g. spéciation du POS, propriétés du sol, conditions climatiques). Pour répondre à ces questions, quatre dispositifs expérimentaux de longue durée (LTFE) ont été utilisés, deux appartenant au réseau des LTFE de l’INRAE sur la fertilisation minérale et les deux autres à l’observatoire de recherche en environnement sur les produits résiduaires organiques. Ils ont été sélectionnés pour couvrir une diversité de situations agropédoclimatiques. L’hypothèse est que la nature (superphosphate, produits organiques) et la dose (de 0 à 112 kg P ha-1an-1) des apports, la gestion des cultures, le type de sols, et les conditions climatiques pourraient affecter la vitesse de minéralisation du POS (Vm-POS). Les bases de données des séries chronologiques sur les cultures et les sols sont complètes, et les échantillons de terre régulièrement prélevés ont été stockés. Cela a permis de déterminer les évolutions des teneurs en POS et en P inorganique du sol (PIS) pendant plusieurs décennies, ainsi que le cumul du budget phosphaté des parcelles (Bcum). Vm-POS a été calculée à l’aide du modèle de Hénin and Dupuis (1945). Ce modèle décrit l’évolution annuelle du stock de POS en fonction de sa minéralisation et de l’incorporation de P au POS par la décomposition des résidus de culture et des PRO. Dans deux des quatre LTFE, la spéciation du POS et du PIS a été déterminée par résonance magnétique nucléaire du P (RMN-P).Le stock initial de POS varie considérablement entre les essais de 368 à 1145 kg ha-1 . En moyenne des essais et traitements, 3.2 kg P ha-1an-1 de résidus aériens et racinaires post-récolte ont été incorporés au stock de POS pour 10.9 kg P ha-1an-1 libérés dans la solution du sol. Pour les PRO, l’apport de P varie considérablement de 24 à 112 kg P ha-1an-1 (moyenne 32.4) selon le mode de raisonnement (soit 2 t C ha-1an-1, soit 170 kg N ha-1 tous les deux ans) et du rapport C/P et N/P. En moyenne, 5.5 kg P ha-1an-1 ont été incorporés au POS et 26.9 kg P ha-1an-1 libérés dans la solution de sol.Vm-POS est comprise entre 1.7 et 11.2 kg P ha-1an-1 (5.1 en moyenne soit 0.8% du stock de POS) avec un temps de résidence compris entre 56 et 227 ans. Les résultats de RMN-P indique que le POS est majoritairement sous forme d’orthophosphate monoesters, les inositolhexakisphosphates (IHP) y étant prédominants. Les faibles valeurs de Vm-POS pourraient être expliquées par la présence des IHP, connus pour s’associer fortement avec la phase solide du sol, et par une concentration élevée d’ions phosphates en solution, qui pourrait inhiber la catalyse enzymatique des IHP. Malgré des valeurs de Bcum très différentes (de -724 à +1830 kg P ha-1 pour l’un des essais), le stock de POS est invariant, alors que, au contraire, le stock de PIS change strictement en fonction des valeurs de Bcum.En conclusion, ce travail de thèse indique que Vm-POS est faible, bien que variable entre les quatre LTFE. Elle varie proportionnellement au stock de POS mais les déterminants de ce stock et du coefficient de minéralisation n’ont pu être clairement identifiés, probablement par manque de situations analysées. Ce flux contribue à alimenter marginalement le compartiment de P phytodisponible du sol, par rapport au processus de diffusion des ions phosphate à l’interface solide-solution.