Sélection et dispersion des nutriments et des communautés microbiennes par l'érosion éolienne des sols dans les paysages du sahel. // selection and dispersal of nutrients and microbial communities by wind erosion of soils in sahel landscapes

Topic description

Au Sahel, – la région semi-aride au sud du Sahara - l'ampleur de la dégradation des terres qui y est induite par l'érosion du sol sous l'effet du vent est largement méconnue. A l'échelle locale (champs cultivés, zones de pâture), l'essentiel de la masse de sédiments ainsi transportés est redistribué au sein du paysage. Les zones de dépôt sont alors enrichies en nutriments conduisant à la formation d'îlots de fertilités.
Les quelques travaux existants montrent que le flux horizontal de sédiments éoliens (constitué de particules relativement grossières, se déplaçant près de la surface) est enrichi en nutriments par rapport au sol superficiel mais à ce jour aucune paramétrisation générique n'a pu être développée faute de jeux de mesures suffisamment complets. De plus, les informations sur les communautés microbiennes que contient ce flux horizontal sont presque inexistantes. Or, les micro-organismes contenus dans ces flux éoliens jouent un rôle dans le cycle biogéochimique des nutriments et la dynamique du carbone, impactant potentiellement la fertilité des sols et la dispersion de gènes d'intérêt (pathogènes et résistants).
Dans l'état de l'art actuel, les modèles globaux (type Earth System Models) ont besoin de développements afin d'intégrer ces transferts de fertilité ainsi que la dispersion de communautés microbiennes à grande échelle spatiale. A terme, le travail de cette thèse pourra contribuer à de tels développements.
L'objectif général de la thèse est de comprendre comment l'érosion éolienne sélectionne et disperse les nutriments (azote et phosphore notamment), le carbone organique (Corg), et les communautés microbiennes du sol à l'échelle de la parcelle agricole et du paysage, en région sahélienne. Les principaux objectifs sont les suivants :
(i) Quantifier le fractionnement des teneurs en nutriments/Corg, entre le sol source et le flux horizontal de sédiments éoliens, et caractériser la possible sélection des communautés microbiennes qu'il engendre, en considérant l'habitat et la structure des communautés microbiennes,
(ii) Etablir des relations entre ce fractionnement en nutriments/Corg et en communautés microbiennes et les caractéristiques météorologiques des évènements érosifs et pédologiques des sols sources,
(iii) Déterminer s'il y a colonisation effective du sol par certaines populations microbiennes transportées au sein du paysage, dans les zones de dépôts des sédiments transportés par le flux horizontal.
Le travail sera organisé en trois temps, en caractérisant de façon la plus exhaustive possible (physique, chimique, biologique) les types de sédiments suivants :
(i) le sol source (parcelles cultivées, parcelles pastorales, éventuellement jachères),
(ii) le flux horizontal,
(iii) les sédiments éoliens redéposés localement.
On pourra ainsi:
- quantifier le fractionnement des nutriments et explorer les relations statistiques entre d'une part les teneurs en nutriments et d'autre part les caractéristiques météorologiques des évènements érosifs et pédologiques des sols sources (vitesse de vent, durée de l'évènement, teneur en argile et sable, tailles des grains…),
- décrire la sélection des communautés microbiennes (bactéries, champignons, éventuellement archées), leur dispersion, leur possible colonisation et les phénomènes de coalescences microbiennes au sein du paysage, en se focalisant sur celles ayant un rôle primordial sur les cycles biogéochimiques (cycles de l'azote, du phosphore…)
- détecter de possibles liens entre la présence et la dynamique (au cours des saisons) de ces communautés microbiennes et des teneurs en nutriments.
Les analyses élémentaires et isotopiques (XRF, EA-IRMS), ainsi que les analyses physiques (DRX, MEB, granulométrie) et microbiologiques (qPCR, metabarcoding, profils métaboliques) seront effectuées en interne (à iEES-Paris) et sur les plateformes disponibles à l'UPEC et SU (OSU EFLUVE, OSU ECETERRA). Ces analyses seront effectuées en grande partie par le/la doctorant.e.
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In the Sahel—the semi-arid region south of the Sahara—the extent of land degradation caused by wind erosion is largely unknown. At the local scale (cultivated fields, grazing areas), most of the transported sediment is redistributed across the landscape. The depositional zones are then enriched with nutrients, leading to the formation of fertile islands.
The few existing studies show that the horizontal flux of aeolian sediments (composed of relatively coarse particles moving near the surface) is enriched in nutrients compared to the topsoil, but to date, no generic parameterization has been developed due to a lack of sufficiently comprehensive datasets. Furthermore, information on the microbial communities contained within this horizontal flux is almost nonexistent. However, the microorganisms contained in these aeolian sediments play a role in the biogeochemical cycle of nutrients and carbon dynamics, potentially impacting soil fertility and the dispersal of genes of interest (pathogens and resistant ones).
In the current state of the art, global models (such as Earth System Models) require further development to integrate these fertility transfers and the dispersal of microbial communities on a large spatial scale. Ultimately, the work presented in this PhD project can contribute to such developments.
The overall objective of this PhD project is to understand how wind erosion selects and disperses nutrients (particularly nitrogen and phosphorus), organic carbon (Corg), and soil microbial communities at the scale of the agricultural plot and the landscape in the Sahel region. The main objectives are as follows:
(i) To quantify the enrichment ratio of nutrient (N, P, ...) and Corg content between the source soil and the horizontal flux of aeolian sediments, and to characterize the potential selection of microbial communities that it generates, considering the habitat and structure of these communities;
(ii) To establish relationships between this nutrient/Corg and microbial community enrichment ratio and the meteorological characteristics of erosive events and pedological characteristics of the source soil;
(iii) To determine whether there is an effective colonization of the soil by certain microbial communities within the landscape, in nearby areas where sediment displaced by the horizontal flux are deposited.
The work will be organized in three steps, involving the most comprehensive possible characterization (physical, chemical, biological) of the following sediment types:
(i) the source soil (cultivated plots, pastoral plots, possibly fallow lands),
(ii) the horizontal flux of aeolilan sediments,
(iii) locally redeposited aeolian sediments.
This approach will make it possible to:
- quantify nutrient enrichment ratio and explore the statistical relationships between, on the one hand, nutrient contents and, on the other hand, the meteorological characteristics of erosive and events and pedological characteristics of the source soils (wind speed, event duration, clay and sand content, grain size, etc.).
- describe the selection of microbial communities (bacteria, fungi, and possibly archaea), their dispersal, their possible colonization, and microbial coalescence processes within the landscape, with a focus on communities playing a key role in biogeochemical cycles (nitrogen, phosphorus, etc.).
- identify potential links between the presence and seasonal dynamics of these microbial communities and nutrient contents, and possibly develop parameterizations.
Elemental and isotopic analyses (XRF, EA-IRMS), as well as physical (XRD, SEM, particle size analysis) and microbiological (qPCR, metabarcoding, metabolic profiles) analyses, will be carried out internally (at iEES-Paris) and on available platforms at UPEC and Sorbonne Université (OSU EFLUVE, OSU ECETERRA). These analyses will be largely performed by the PhD candidate.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral - SU