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Champs de colza sur la commune de Villamblain dans le Loiret. © Inra, AgroParisTech, Emmanuel Vaudour

Présentation générale du département EA

Les champs thématiques

Le département EA présente ses activités de recherche en quatre « champs thématiques » (CT) à caractère disciplinaire marqué.

Rampe d' IRRIGATION  sur parcelle de tournesol. © CATTIAU Gilles
Mis à jour le 05/07/2014
Publié le 05/07/2014

Ces CT permettent de structurer les bases disciplinaires qui font la spécificité du département EA dans l’Inra autour du fonctionnement des milieux, de la réponse des plantes aux contraintes environnementales et de la conception de systèmes de culture et de paysages.

CT1 : Agronomie systémique et ingénierie agroécologique

Le CT1 traite de l’analyse et de l’évaluation multicritère des systèmes de culture et des paysages (performances agronomiques, impacts environnementaux et socio-économiques), ainsi que de la conception et de l’évaluation de systèmes innovants répondant aux nouveaux enjeux de l’agriculture, à des échelles locales, supra-parcellaires et globales. Le système analysé (champ cultivé, mosaïque paysagère) est appréhendé ici sous le double point de vue (i) de l’écosystème cultivé dont on cherche à comprendre le fonctionnement (intégrant l’environnement des parcelles dans le raisonnement agronomique), et (ii) des pratiques de l’ensemble des acteurs qui ont une influence, directe ou indirecte, sur ce système, notamment au travers des pratiques culturales. Ces recherches appellent une double évolution dans les échelles d’espace et de temps : analyser les systèmes de culture en relation avec une organisation de l’espace (rôle des interfaces, connectivité du parcellaire, flux entre parcelles) et intégrer les successions de culture et leurs effets cumulatifs sur des temps longs. Les principaux champs disciplinaires nécessaires sont l’agronomie et l’écologie pour contribuer significativement à l’émergence de l’agroécologie en tant que discipline et à l’ingénierie agroécologique.

Ce champ thématique a pour ambition de renforcer ses recherches sur des systèmes faiblement artificialisés et visant des productions de nature variée (alimentaire et non alimentaire, écologique) nécessitant une prise en compte plus importante et explicite de la composante biologique. Evaluation (P1) et conception (P2) impliquent un recours fort à la modélisation, l’utilisation de méthodes d’optimisation multi-objectifs, l’intégration des savoirs des différents acteurs et la mise au point d’indicateurs de pilotage. La construction de scénarios (P3), à différentes échelles (du local au global) et prenant en compte les stratégies et moyens des acteurs, sera également une priorité des travaux (avec les départements SAD et SAE2). La forte variabilité du contexte (climatique et économique notamment) implique d’inclure davantage les questions d’incertitude dans ces analyses prospectives.

Considérant les interfaces entre champs thématiques, le CT1 a un rôle intégrateur marqué pour la conception des modèles les plus systémiques : intégration des travaux conduits dans les CT 2 et 3 pour les modèles de systèmes de culture et ceux du CT 4 pour les modèles de mosaïques paysagères, et pour la production de l’ensemble des indicateurs nécessaires à l’évaluation et au pilotage des agroécosystèmes.

CT2 : Écophysiologie végétale

Le CT2 traite de l’analyse du comportement de génotypes en fonction des conditions environnementales (avec les départements GAP, BV et SPE), du développement de méthodes de modélisation de plantes permettant les changements d'échelle organe - plante - m2 de peuplement. Les principaux champs disciplinaires sont l'écophysiologie, la bioclimatologie et la physique des transferts et grâce à la place centrale accordée à la modélisation en parallèle de l’acquisition de données phénotypiques et environnementales à haut débit ce champ thématique doit être un contributeur important de l’émergence de la biologie prédictive.

Ce champ de recherches devrait consolider sa stratégie générale fondée sur l’analyse de l’interaction «génotype x environnement» en intégrant les contraintes agronomiques et environnementales liées aux nouveaux agroécosystèmes (systèmes à faibles intrants, nouvelles cultures pour de nouveaux usages) et aux changements climatiques. D’une part, il s’agit de maintenir l’investissement dans les approches de biologie intégrative en élucidant à l’aide d’une démarche systémique la réponse des plantes aux contraintes et signaux de l’environnement en élargissant : (i) les critères de qualité (valeur santé, bioénergie, recyclage), (ii) les contraintes biotiques et abiotiques, à considérer conjointement : complexe ou cortège de bioagresseurs, raréfaction de la ressource en eau, événements climatiques extrêmes (P1). D’autre part, il s’agit d’investir sur les interactions biotiques, en particulier interspécifiques, « positives » du point de vue de la plante cultivée (symbiose) ou « négatives » (parasitisme) et capables de moduler ou d’être modulées par des états de la plante physiques ou chimiques, liés aux métabolismes primaire et secondaire (P2). Cela concerne les interactions fonctionnelles entre plantes cultivées d’une espèce et divers organismes telluriques ou aériens, dont d’autres espèces de plantes, adventices, de service ou à vocation productive comme dans les communautés prairiales. Les acquis des priorités P1 et P2 doivent être articulés et reconsidérés en tenant compte des interfaces avec l’atmosphère et le sol, en lien avec le champ thématique 3, de manière à nourrir des modèles de plantes capables de simuler des réponses émergentes à des combinaisons de facteurs génétiques et environnementaux, biotiques et abiotiques, à l’échelle de la plante et du peuplement (P3). Par un rapprochement avec l’écologie fonctionnelle, nous développerons des approches d’écophysiologie comparée sur les réponses multi-spécifiques des processus biologiques aux contraintes environnementales. L’objectif de ce développement est d’être en mesure de fournir des éléments pour intégrer plus largement la diversité des espèces dans la conception de nouveaux systèmes de culture (P4).

CT3 : Biogéochimie, physique et écologie des sols

Le CT3 traite (i) du cycle biogéochimique des éléments minéraux et de leur biodisponibilité pour les couverts végétaux, (ii) de la dynamique des matières organiques du sol et de ses conséquences vis-à-vis de fonctions agro-environnementales majeures, (iii) du devenir des micropolluants minéraux ou organiques d'origine exogène apportés aux sols, (iv) des relations réciproques entre modes de gestion des sols et activité biologique et (v) des stratégies de conservation des sols, d'optimisation de leurs usage ou de remédiation. Le sol est considéré sous le triple point de vue d'un support pour une production en quantité et en qualité, d'un compartiment clé des grands cycles biogéochimiques interférant avec des problématiques environnementales ou de santé (C, N, P, micropolluants…) et d'une ressource à préserver pour une agriculture durable. Les compétences sont relatives à la biogéochimie, à la physique, à la physico-chimie, à la biologie et à l'écologie des sols, à l'écotoxicologie et plus généralement aux disciplines rattachées à la science du sol. Le dispositif bénéficie de sites, observatoires et réseaux de mesures et de l'avancement de la mission nationale d'acquisition de données géo-référencées sur le sol.

 Un enjeu d'avenir est de satisfaire la demande alimentaire mondiale, dans un contexte de raréfaction des ressources nécessaires à la production de fertilisants et d'exigence croissante des consommateurs en termes de sécurité sanitaire des aliments, tout en limitant les émissions de polluants vers les eaux et l'atmosphère et en préservant durablement la ressource en sols. Le contexte est également caractérisé par des interrogations persistantes sur (1) la contribution des sols agricoles aux émissions directes et indirectes de gaz à effet de serre et, à l'inverse, sur les possibilités de stockage de carbone, (2) l’éventuelle accélération de la dégradation des sols en lien avec les changements globaux. Les priorités pour le CT3 visent à (i) améliorer l'efficience de prélèvement et d'utilisation des éléments minéraux par les plantes, en valorisant notamment les processus biologiques (symbiose) (P1), (ii) identifier et mieux maîtriser les segments des cycles biogéochimiques générateurs de fuites ou, à l'inverse, offrant des opportunités de recyclage, par une connaissance de ces cycles à plusieurs échelles (P1), (iii) évaluer les conséquences écotoxicologiques et sur la qualité des produits récoltés de la contamination des sols par les micropolluants, en vue d'élaborer des stratégies de protection et de restauration (P2), (iv) modéliser l’évolution du statut organique du sol et le bilan des émissions de gaz à effet de serre (CO2, N2O et CH4) en fonction des pratiques (espèces, rotation, exportation…) (P3). Deux priorités transversales portent sur (i) le compartiment biologique (microflore et faune), ses fonctions vis-à-vis des processus précédents (nutrition, contrôle des processus générateurs de fuites), ses propriétés bio-indicatrices (P4) et (ii) l'intégration des processus physiques, chimiques et biologiques au sein de volumes hétérogènes pour la prévision de l'évolution des sols sous l'effet des changements globaux et de pratiques, notamment le système de travail du sol (P5). Ces intégratifs doivent aboutir à des stratégies de préservation et de restauration des fonctions des sols (support, réservoir, filtre, réacteur), applicables aux sols cultivés et à ceux devenus impropres à la culture, et accompagner le projet de directive européenne sur les sols.

CT4 : Physique et écologie des paysages

Le Champ Thématique 4 traite (i) des déterminismes relatifs aux transports et échanges de masse (matière en phase solide, liquide et gazeuse), d’énergie (transferts radiatifs et énergétiques) et de quantité de mouvement des flux d’éléments dans et entre les différents compartiments des paysages ruraux, sol, couverts végétaux et atmosphère, (ii) de l’identification et de la caractérisation des propriétés de transfert de ces compartiments, (iii) de l’intégration et du couplage spatio-temporel des processus de transfert et des cycles biogéochimiques à l’échelle du paysage. L’acquisition de ces connaissances s’inscrit dans une finalité de meilleure gestion agronomique et environnementale des ressources. Le paysage est considéré ici comme une échelle privilégiée d’appréhension des interactions et échanges entre les différentes composantes spatiales des agroécosystèmes (champs cultivés, espace naturels, singularités du milieu telles que haies, ripisylves, aménagements hydrauliques...).

Ce champ thématique vise ainsi à fournir les bases pour une analyse systémique du fonctionnement du paysage cultivé. Il enrichit les approches spatialisées simplifiées de type multi-local par la prise en compte de la connectivité du paysage et les flux latéraux qu’elle permet et favorise. Les compétences sont relatives à la physique des transferts, l’hydrologie, la micro-météorologie, aux méthodes d’observation de la terre (techniques géophysiques dont télédétection, techniques cartographiques dont cartographie pédologique), aux outils et méthodes de modélisation (analyse numérique, approches stochastiques, assimilation de données) et techniques informatiques associées (bases de données, calcul intensif, plates-formes informatiques de modélisation).

La maîtrise des flux dans les paysages est un enjeu essentiel tant pour des objectifs de production agricole (gestion des ressources eau et sol, surveillance ou limitation de la dispersion des bioagresseurs) qu’environnementaux (dispersion de contaminants, de pathogènes et de gènes, production de gaz à effet de serre, érosion des sols) et s’inscrit dans une logique de développement d’une ingénierie agroécologique des paysages, rendue nécessaire par la multiplicité des acteurs intervenant à différentes échelles spatiales et temporelles sur la gestion et l’exploitation des ressources naturelles. Le développement des connaissances et outils de modélisation relatifs aux différents types de flux concernés par le champ thématique (P1 et P2) permet d’intensifier ou d’envisager à présent (i) l’étude des flux dans des paysages plus complexes et plus proches des paysages réels, (ii) un élargissement des éléments étudiés (COV, pathogènes, contaminants, bioagresseurs et auxiliaires) en relation avec l’approfondissement des problématiques agro-environnementales, (iii) des couplages plus intimes entre processus de transfert et cycles biogéochimiques notamment dans les zones tampons et/ou filtrantes du paysage (haies, bandes enherbées, ripisylves, zones humides), (iv) la prise en compte du fonctionnement physique du paysage sur la biodiversité (notamment bioagresseurs et auxiliaires), (v) le développement d’une vison systémique du fonctionnement du paysage rural (P3) et de ses scénarios d’évolution dans un contexte de changement global en liaison avec les autres CT et les autres départements de l’Inra, notamment EFPA, SPE, SAD, SAE2. Pour répondre à ces priorités, le développement conjoint des moyens d’observation des processus (ORE, réseaux de mesures, sites expérimentaux) et de plates-formes intégrées de modélisation des flux sera favorisé.