Priming Effect dans les sols : mécanismes et conséquences

Le Priming Effect dans les sols : mécanismes et conséquences sur les services écosystémiques en conditions de changement climatique

Dans cette nouvelle publication, découvrez les mécanismes du Priming Effect dans les sols et ses conséquences sur les services écosystémiques. Les sols renferment la plus importante réserve de carbone de notre planète, environ trois fois plus que l’atmosphère. La matière organique (MO) stock alors la plupart de ce carbone (C). Le priming effect correspond à une modification du taux de minéralisation des matières organiques du sol par les microorganismes du sol suite à un apport en matière organique fraîche. Il regroupe en fait différents mécanismes : décomposition stœchiométrique, nutrient-mining ou encore abiotically-mediated. Les plantes jouent un rôle central dans ce phénomène. Comprendre comment piloter l’équilibre entre ces mécanismes à travers les pratiques agricoles permettrait d’améliorer durablement la fertilité des sols cultivés dans un contexte de changement climatique.

Trois mécanismes derrière le terme de « Priming effect »

Le Priming Effect (PE) implique différents processus microbiens parfois modulés de manière opposée par des paramètres environnementaux. Généralement, sa mesure correspond à la différence entre le carbone du CO2 libéré par un sol amendé en matières organiques fraîches (MOF) et celui d’un sol témoin non amendé sur une certaines période.

Le Priming Effect des sols négatif

Le Priming Effect négatif est attribué à l’utilisation préférentielle du substrat frais par les décomposeurs réguliers des matières organiques du sol. Cela aboutit à réduire la décomposition et la minéralisation des matières organiques au fil du temps.

Le Priming Effect des sols positif

Le processus de Priming Effect positif est quant à lui attribué à trois mécanismes :

  1. La « décomposition stœchiométrique » est une accélération de la décomposition des matières organiques générée par l’augmentation des enzymes extracellulaires produites par les décomposeurs des MOF. Seules les MOF type résidus, litières ou racines mortes peut provoquer cette augmentation de production d’enzymes.
  2. Le « nutrient-mining » correspond à l’apport d’énergie, par les catabolites issus de la MOF. Il va aider les décomposeurs à casser certains composés chimiquement récalcitrants pour récupérer des nutriments.
  3. Le « abiotically-mediated process » correspond à une remobilisation de composés organiques protégés car associés aux minéraux du sol grâce aux acides organiques des exsudats racinaires.
Schéma du Priming Effect dans les sols
Schéma du Priming Effect dans les sols (d’après Kuzyakov, 2000)
(a) Priming Effect positif : accélération de la décomposition du la MOS après l’apport de substrat ;
(b) Priming Effect négatif : ralentissement de la décomposition de la MOS après l’apport de substrat

Les paramètres du Priming Effect des sols

Deux paramètres importants régissent donc l’impact des différents mécanismes sur la dynamique et le devenir du carbone surminéralisé :

  • le type de matières organiques : les matières organiques ont des taux de renouvellement différents en fonction de leur nature biochimique et de leur accessibilité aux enzymes.
  • le taux d’incorporation de carbone dans la biomasse cellulaire appelé aussi efficacité d’utilisation du carbone (CUE en anglais). La CUE des cellules peut varier de 0 à 0,85 en fonction de leur physiologie et de leur stratégie de vie. Les matières organiques sur-assimilisées lors du priming effect par les populations à CUE élevée seront converties en biomasse microbienne plutôt que minéralisées en CO2. Les populations à CUE élevée augmentent donc les chances de faire passer le carbone d’un réservoir de matières organiques à temps de résidence rapide ou moyen à un réservoir à temps de résidence long.

Lorsque de la matière organique fraîche pénètre dans le sol, sa teneur en azote (N) aide les cellules microbiennes à synthétiser de nouvelles enzymes pour une dégradation des matières organiques. Si la taille de la part labile, c’est-à-dire facilement dégradable, dépasse la biomasse microbienne totale et sous une teneur en N assimilable non limitante, les décomposeurs préfèreront le substrat frais (priming effect négatif). Ce qui va diminiuer le flux régulier de carbone issu des matières organiques vers l’atmosphère.

Focus sur le mécanisme de Priming Effect des sols : « abiotically-mediated »

La matière organique associée aux minéraux (MAOM) est historiquement considérée comme un réservoir relativement passif de matières organiques stables. La MAOM est enrichie en composés végétaux de faible poids moléculaire et en sous produits microbiens. Les associations organo-minérales reposent alors sur trois types de réactions :

  1. l’adsorption dans le cas de minéraux présentant des sites réactifs comme les argiles minéralogiques,
  2. la co-précipitation dans le cas de minéraux mal cristallisés,
  3. la complexation avec l’aluminium et le fer dans de sols plutôt acides ou le pontage cationique avec le calcium dans des sols à pH plus élevé.

Ces liaisons entre molécules organiques et phases inorganiques ont la propriété de ralentir la minéralisation de la matière organique. Les facteurs contrôlant la déstabilisation des MAOM sont multiples. De plus, ils dépendent des plantes, directement ou indirectement, par une stimulation de l’activité microbienne grâce aux exsudats racinaires. Deux types de réaction abiotique libèrent le carbone lié aux minéraux :

  • La dissolution des minéraux. Son amélioraion se fait par les exsudats via des mécanismes favorisés par :
    • des ligands ou des protons,
    • et/ou par des mécanismes d’oxydoréduction.
  • Le remplacement. Les ligands forts, comme les acides organiques, le favorisent. Ces derniers s’adsorbent sur les surfaces minérales. De plus, ils sont capables de déplacer et de libérer des composés organiques précédemment adsorbés sur ces mêmes minéraux.
MAOM et Priming Effect conceptuel de génération du "abiotically-mediated"
MAOM et Priming Effect conceptuel de génération du « abiotically-mediated »
Source : Bernard et al., 2022 Functional Ecology

Le « abiotically-mediated Priming effect » améliore l’accès microbien à la matière organique auparavant protégée par les minéraux. Il accélère alors la perte de carbone.

Conséquence du Priming Effect sur les services écosystémiques en conditions de changement climatique

Le Priming Effect induit par les plantes : PIPE

Les plantes peuvent induire des changements massifs dans les taux de décomposition des matières organiques des sols. On parle alors de priming effect induit par les plantes (PIPE). Le schéma ci-dessous illustre les mécanismes par lesquels les plantes peuvent moduler la dynamique de la SOM, afin d’ajuster l’apport microbien de nutriments solubles à la demande des plantes.

Les mécanismes par lesquels les plantes peuvent moduler la dynamique de la SOM afin d’ajuster l’apport microbien de nutriments solubles à la demande des plantes
Mécanismes par lesquels les plantes peuvent moduler la dynamique de la SOM afin d’ajuster l’apport microbien de nutriments solubles à la demande des plantes

La demande en nutriments des plantes correspond à la quantité de nutriments nécessaire pour convertir les glucides produits par la photosynthèse en biomasse végétale. L’apport en nutriments correspond à la libération de nutriments solubles par la communauté microbienne à faible CUE. Les apports de carbone végétal (phénomène PIPE) stimulent ce communauté. La plante fournit également du carbone à la communauté microbienne à CUE élevée. Cette communauté construit la matière organique des sols (stockage des nutriments et du carbone) lorsque la demande en nutriments des plantes est faible ou inexistante. L’abondance relative ainsi que l’activité des communautés à faible et forte CUE sont déterminées par :

  • l’absorption par les plantes de nutriments solubles
  • l’apports en carbone (quantité et qualité).

Les services écosystémiques impactés par le Priming Effect des Plantes

Tous les services écosystémiques et dis-services liés à la dynamique des matières organiques sont impactés par le PIPE. Par exemple, le PIPE intensifie les dis-services tels que la perte de carbone du sol et le lessivage des nitrates. A l’inverse, il permet un meilleur approvisionnement des plantes en nutriments solubles. Ce qui permet de soutenir une plus grande production végétale et une plus grande fixation de CO2.

Le réchauffement climatique peut avoir un impact sur l’intensité du PIPE, de différentes façon :

  • par ses effets sur l’activité enzymatique du sol et les populations microbiennes,
  • sur les communautés végétales. Celles-ci, à leur tour, vont déterminer la quantité et la qualité du carbone végétal apporté au sol.

Il est de plus en plus reconnu que les plantes peuvent moduler la dynamique des matières organiques du sol à travers le PIPE pour ajuster à leurs besoins l’apport en nutriments solubles provenant des microorganismes. Une augmentation du CO2 entrainera dans un premier temps une augmentation de la photosynthèse des plantes et donc des besoins en nutriments et par conséquence une augmentation du PIPE. Ainsi, lorsque la biomasse végétale est fortement stimulée par un CO2 élevé, le stockage du carbone organique des sols diminue.

Il est donc nécessaire d’accroître les connaissances sur les flux de carbone entrainés par les différents processus de Priming Effect. L’objectif est donc de mieux appréhender son comportement, ainsi que l’impact sur la production agricole en réponse au changement climatique.

Source :

Bernard L., Basile-Doeschl I., Derrien D., Fanin N., Fontaine S., Gunet B., Karima B. et Maron P-A., 2022. Le Priming Effect dans le sols : mécanismes, acteurs et conséquences sur les services écosystémiques dans un contexte de changment global. Etude et Gestion des Sols, 29, 239-274

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