Dynamique du phosphore dans les sols périodiquement inondés en région humide en Colombie Britannique

Autor: Rupngam, Thidarat
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2024
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Druh dokumentu: Texte::Thèse::Thèse de doctorat
Popis: Titre de l'écran-titre (visionné le 29 février 2024)
Dans la vallée du Fraser en Colombie-Britannique, l'élevage intensif de vaches laitières produit d'importantes quantités de fumier. Le maïs ensilage (*Zea mays* L.), cultivé en rotation avec d'autres plantes fourragères telles que le ray-grass (*Lolium perenne* L.), représente la principale source d'aliments pour cet élevage intensif. Cet agroécosystème permet de recycler le fumier riche en nutriments comme le phosphore (P). Cependant, la culture du maïs ensilage dans la vallée du Fraser implique d'importantes applications de fumier et d'engrais de démarrage. Ceci entraine une accumulation de P dans les sols, augmentant le risque de perte de P vers les sources d'eau. De plus, le risque de mobilisation et de transport de P peut aussi être accéléré par les conditions hydriques des sols, notamment l'engorgement en eau, du fait des fortes précipitations qui s'accumulent dans les parcelles agricoles à cause du mauvais drainage des sols. Cette thèse, qui se déroule sur un sol riche en P dans la zone humide de la vallée du Fraser en Colombie Britannique, a pour objectif d'évaluer l'impact de régime d'humidité du sol, de la fertilisant en P sous forme de lisier de vache laitière, et de l'ajout de nitrate de fer sur (i) les rendements du raygrass et les exportations de P, (ii) la réduction de Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$ et la solubilité et la mobilité du P, (iii) les activités microbiennes et les émissions de gaz à effet de serre, (iv) les activités enzymatiques, et (v) les pertes de P par lessivage. Dans les sols engorgés, le rendement en matière sèche du raygrass et l'exportation du P étaient inférieurs par rapport aux sols à capacité au champ. Une baisse du potentiel redox dans les sols engorgés a réduit le Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$, entrainant une augmentation du pH du sol en 120 jours. Cette augmentation du pH est due à la consommation des ions H$^\textup{+}$ pendant la réduction microbienne des cations métalliques. Cette réduction de Fe$^\textup{3+}$ en Fe$^\textup{2+}$ dans les sols engorgés a libéré du P, du carbone organique dissous et de l'azote total dissous, reflétée par la diminution du P extractible à l'eau (Pw), du P extractible à la solution Mehlich-3 (P$_\textup{M3}$) et de l'indice de saturation en phosphore, mais une augmentation de la biomasse microbienne du C, du N (avant 120 jours) et des émissions de CO₂ et N₂O. L'ajout de nitrate de Fe$^\textup{3+}$ a inhibé la réduction de fer tout en stimulant les émissions de N₂O, indiquant la préférence du NO₃$^\textup{-}$ sur le Fe$^\textup{3+}$ comme accepteur d'électrons en conditions inondées. La réduction du fer et la libération des éléments tels que le P et le Fe dans les sols engorgés étaient plus marquées à la surface du sol qu'en profondeur. La libération accrue de carbone organique dissous et d'ions phosphatés dans les sols engorgés a diminué la demande en enzymes de 399 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ pour la β-glucosidase et de 1646 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ pour la phosphomonoestérase acide à la surface du sol (0-5 cm). Les conditions de l'engorgement ont cependant augmenté l'activité de la N-acétyl-β-glucosaminidase de 50.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ et accru l'azote total dissous de 9.1 mg kg$^\textup{-1}$ à travers toutes les profondeurs. L'apport de lisier au sol engorgé a diminué les activités enzymatiques extracellulaires, suggérant un apport suffisant en C, N, et P. Les activités enzymatiques et la biomasse microbienne étaient principalement confinées dans la couche superficielle du sol qui a été plus affectée par l'engorgement par rapport à la couche profonde. En conclusion, les conditions d'engorgement dans les sols entraînent des changements significatifs dans la chimie du P dans le sol et l'activité microbienne, conduisant à une diminution du rendement des cultures, à une modification de la dynamique des nutriments, et à une augmentation des pertes de nutriments et des émissions de gaz à effet de serre. La diminution des activités enzymatiques dans les sols engorgés et lors de l'application de lisier souligne la nécessité d'une gestion intégrée des nutriments et de l'eau dans les pratiques agricoles.
In the Fraser Valley of British Columbia (BC), intensive dairy farming produces large amount of manure. Silage corn (*Zea mays* L.), grown in rotation with other forage plants such as ryegrass (*Lolium perenne* L.), is the primary feed source for this intensive farming. This agroecosystem allows the recycling of nutrient-rich manure, like phosphorus (P). However, growing silage corn in the Fraser Valley involves significant applications of manure and starter fertilizers. This results in a buildup of P in the soils, increasing the risk of P loss to water sources. Additionally, the risk of mobilization and transport of P might be accelerated by soil water conditions, especially waterlogging, due to heavy rainfall accumulating in farmland because of poor soil drainage. This thesis, conducted on a P-rich soil in the humid area of the Fraser Valley, BC, aims to evaluate the impacts of soil moisture regime, P fertilizer levels in the form of dairy slurry, and iron nitrate addition on (i) ryegrass yields and P uptake, (ii) reduction of Fe$^\textup{3+}$to Fe$^\textup{2+}$and P solubility and mobility, (iii) microbial activities and greenhouse gas emissions, (iv) soil enzyme activities, and (v) P leaching. In waterlogged soils, ryegrass dry matter yield and exportation of P were lower compared to field capacity soils. A decrease in redox potential in the waterlogged soils reduced Fe$^\textup{3+}$ to Fe$^\textup{2+}$, leading to an increase in soil pH in 120 days. This increase in soil pH is due to the consumption of H$^\textup{+}$ ions during microbial reduction of metallic cations. This reduction of Fe$^\textup{3+}$ to Fe$^\textup{2+}$ in waterlogged soils released P, dissolved organic carbon (DOC), and total dissolved nitrogen (TDN), reflected by a decrease in water-extractable P (Pw), Mehlich-3 extractable P (P$_\textup{M3}$), and P saturation index (PSI) but an increase in microbial biomass C, N (before 120 days), and CO₂ and N₂O emissions. The addition of Fe$^\textup{3+}$ nitrate inhibited iron reduction while stimulating N₂O emissions, indicating the preference of NO₃$^\textup{-}$ over Fe$^\textup{3+}$ as an electron acceptor under waterlogged conditions. Iron reduction and the release of elements such as P and Fe in waterlogged soils were more pronounced at the topsoil than subsoil. The increased release of dissolved organic carbon and phosphate ions in waterlogged soils decreased the enzyme demand by 398.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ for β-glucosidase and by 1646.1 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ for acid phosphomonoesterase at the topsoil (0-5 cm). Waterlogged conditions on the other hand increased the activity of N-acetyl-β-glucosaminidase by 50.5 nmol MUF g$^\textup{-1}$ soil h$^\textup{-1}$ and raised the total dissolved nitrogen by 9.1 mg kg$^\textup{-1}$ across all depths. The application of slurry to waterlogged soil decreased extracellular enzymatic activities, suggesting a sufficient supply of C, N, and P. The activities of soil enzyme and microbial biomass were primarily confined to the topsoil, which was more affected by waterlogging compared to the subsoil. In conclusion, waterlogged conditions in soils lead to significant shifts in soil P chemistry and microbial activity, resulting in decreased crop yield, altered nutrient dynamics, and increased nutrient losses and greenhouse gas emissions. The decreased enzymatic activities under waterlogged soils and upon slurry application emphasize the need for integrated nutrient and water management in agricultural practices.
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