Thèse Interactions Entre les Cycles du Carbone et du Phosphore dans les Sols Agricoles Sous Fertilisation Organique à Long Terme H/F - 33

Établissement : Université de Bordeaux
École doctorale : Sciences et environnements
Laboratoire de recherche : ISPA - Interaction Sol-Plante-Atmosphère
Direction de la thèse : Alain MOLLIER ORCID 0000000262615284
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-27T23:59:59

Bien que le couplage entre les cycles du carbone (C) et du phosphore (P) soit de plus en plus reconnus, ces deux cycles sont encore majoritairement étudiés séparément dans les agroécosystèmes. Or, sous fertilisation organique, les cycles du C et du P sont fortement interdépendants. Les apports de carbone organique (CO) influencent les transformations du P par les processus microbiens de minéralisation et d'immobilisation, tout en modifiant la capacité d'adsorption du sol. Inversement, la disponibilité du P contrôle le recyclage et la stabilisation du carbone par les microorganismes, en controlant leur efficacité métabolique et leurs voies de décomposition. L'absence d'une compréhension intégrée de ce couplage C-P limite la capacité à prédire la fertilité des sols, l'efficacité d'utilisation des nutriments et le potentiel de séquestration du carbone dans les systèmes agricoles notamment avec une fertilisation organique.
À l'échelle minérale, la fraction colloïdale - composée d'oxydes de Fe/Al, d'argiles et de complexes organo-minéraux - constitue l'interface la plus réactive où interagissent les cycles du C et du P. Ces colloïdes offrent de nombreuses surfaces et groupes fonctionnels capables de fixer simultanément le CO et le P, régulant leur co-sorption, leur mobilité et leur stabilisation à long terme. Les processus d'adsorption-désorption déterminent ainsi les relations entre carbone organique du sol (COS) et disponibilité du P.
À l'échelle microbienne, la disponibilité en P influence directement le métabolisme, l'activité enzymatique et l'allocation du carbone microbien. Le P contrôle la production et la décomposition de la biomasse et de la nécromasse microbiennes, précurseurs essentiels de la matière organique associée aux minéraux (MAOM). En condition de limitation en P, l'efficacité d'utilisation du carbone diminue, favorisant la production de phosphatases et la décomposition de la matière organique. À l'inverse, un apport suffisant en P stimule la croissance microbienne et la formation de nécromasse, favorisant l'accumulation du carbone organique.
Le projet vise à combler ces lacunes de connaissance à travers trois axes de recherche (WP) combinant observations de terrain, expériences contrôlées et modélisation.
WP1 : analyser des sols issus d'essais de longue durée pour évaluer l'effet des différents amendements organiques sur les stocks et les rapports C/P.
WP2 : mener des expériences en laboratoire et en pot, utilisant des traceurs isotopiques (¹³C, ³²P ou ¹O-P) afin de suivre le devenir du C et du P dans les fractions dissoutes, colloïdales et minérales, et de caractériser les rétroactions microbiennes.
WP3 : intégrer ces mécanismes dans un modèle sol-culture (p. ex. STICS) pour améliorer la représentation des interactions C-P et des rétroactions minérales et microbiennes.
Les résultats attendus permettront d'améliorer la précision des modèles prédictifs sol-culture et de concevoir des stratégies de fertilisation organique optimisant l'efficacité du phosphore tout en favorisant la séquestration du carbone dans les sols.

This project aims to unravel the mechanisms underlying C-P coupling under different types of organic fertilization. Specifically, we will address the following scientific questions: How do different organic fertilizers influence the dynamics and availability of soil P through interactions with organic C inputs and microbial activity? What are the key physicochemical and biological mechanisms driving these C-P coupling processes at the soil-microbe-mineral interface? How can these mechanisms be better integrated into fertilization strategies and soil-crop modelling frameworks to improve nutrient use efficiency and soil C sequestration?

The project combines field investigations, controlled laboratory experiments, and process-based modelling to unravel the mechanisms of C-P coupling under organic fertilization.
In WP1, soil samples from long-term fertilization trials will be analyzed to determine how different organic amendments affect the size, composition, and stoichiometric relationships of soil C and P pools. Sequential extraction, enzyme assays, and solid-state ³¹P NMR will be combined with advanced characterization of colloidal fractions using AF4 coupled with OCD and ICP-MS to quantify colloid-associated organic carbon and phosphorus. These analyses will identify empirical patterns linking organic inputs, soil mineral reactivity, and C-P coupling at the field scale.
In WP2, controlled laboratory and pot experiments will investigate the physicochemical and microbial mechanisms regulating C-P interactions. Stable and radioactive isotope tracers (¹³C, ³²P, or ¹O-labelled phosphate) will be applied to trace the fate of carbon and phosphorus across dissolved, colloidal, and mineral-associated pools. Adsorption-desorption kinetics and spectroscopic and microscopic analyses (FTIR, XPS, SEM, TEM) will be used to elucidate mineral-organic associations and surface bonding mechanisms. Microcosm experiments will assess microbial responses to contrasting P availabilities, including changes in CUE, phosphatase activity, ligand production, and necromass formation, coupled with isotopic tracing to quantify microbial feedbacks on C and P cycling.
In WP3, experimental results will be synthesized and integrated into a process-based crop model (e.g., STICS). Newly developed functions representing mineral-microbial feedbacks, colloid-mediated P dynamics, and C-P coupling will be implemented to improve predictions of nutrient use efficiency, soil carbon persistence, and P loss risks under organic management.
Altogether, this multi-scale methodological framework-combining isotope tracing, colloidal characterization (AF4-OCD-ICPMS), microbial assays, and modelling-will provide a mechanistic and predictive understanding of how organic fertilization governs C-P coupling, nutrient availability, and carbon stabilization in soils.