1 Biodiversité et fonctionnement des sols IRD, UMR 137 S. Barot

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Biodiversité et fonctionnement des sols

IRD, UMR 137 S. Barothttp://millsonia.free.fr/

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ESOL, Biodiversité, Barot

Une très grande diversité

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Ordre de grandeur sur une parcelle

Une grande diversité à l’intérieur des grands groupes

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Intérêt mondial pour la biodiversité ‘‘aérienne’’

+ Diminution violente de la biodiversité du fait des activités humaines

Pourquoi se préoccuper de la biodiversité?

Pourquoi?

+ La biodiversité est encore très mal connue+ La biodiversité comme source de services écosystémiques

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La biodiversité des sols est encore moins bien connue

Pourquoi se préoccuper de la biodiversité des sols?

La biodiversité des sols est modifiée (négativement?) par les changements d’usage des sols, et l’intensification de l’agriculture

Importance des interaction sol-plante- organismes du sols pour l’agriculture?

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Crise de l’agriculture?

Utilisation d’une bonne partie des terres cultivables, sauf forêts tropicales… 50 % de l’azote fixé sur la planète l’est industriellement (2 à 3 t de pétrole / t N)

Pertes de fertilité (MO)

Effets collatéraux: pollutions, consommation d’énergie ..

Réserve minérales de P et K

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Crise de l’agriculture?

8


Crise de l’agriculture?Population mondiale!!!

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060

Années

Mil

lia

rds

d'h

ab

ita

nts

9

Diversité horizontale et verticale

Duffy et al. 2007 Ecol. Lett.


La biodiversité comme source de services écosystémiques

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Biodiversité horizontale et fonctionnement

L’effet de la biodiversité horizontale a surtout été étudié pour les plantes

Que se passe-t-il quand la biodiversité des producteurs primaires augmente?

Nb d’espèce de plantes

Pro

duct

ion

prim

aire

?


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Biodiversité horizontale et fonctionnementComplémentarité

Niche trophique ou écologique Niche trophique ou écologique

Pro

duct

ion

prim

aire

Pro

duct

ion

prim

aire

NB espèce de plantes +

Plus il y a d’espèces plus elles occupent toutes les niches disponibles (occupation de l’espace et du temps)

Plus il y a d’espèces plus elles utilisent toute la ressource disponible (eau, lumière, nutriments)


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Biodiversité horizontale et fonctionnementEffet d’échantillonnage

Différentes espèces potentiellement présentes localement

Biomasse potentielle à t et en monoculture

Sélection locale d’espèces

Avec peu d’espèces on a peut de chance de rencontrer les espèces les plus productives : faible production primaire


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Biodiversité horizontale et fonctionnementEffet d’échantillonnage

Forte diversité

Quelle est l’hypothèse conduisant à cette conclusion?

Faible diversité

Forte productivité de la communauté Faible productivité

Surface occupée ou densité Surface occupée ou densité


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La coexistence (donc la biodiversité) ne va pas

de soi!


Les modèles prédisent que seulement n espèces peuvent coexister sur n ressources

La majorité des espèces du sol sont détritivores Comment coexistent les espèces du sol?

+ Différentiation de différents pools de MO

+ Autres facteurs de coexistence?

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Une classification des théories de la

coexistence

ESOL, Biodiversité, Barot Barot et al. 2004 Oikos

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Boucles de rétroactionDes interactions complexes

Fonctionnement aérien (PP, cycle des

nutriments)

Biodiversité des sols


Fonctionnement des sols (décomposition, cycle des

nutriments)

Biodiversité végétale

Effets directes de la biodiversité?

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Effets de la diversité des plantes + sur la biodiversité des sols + sur le fonctionnement des sols

Facteurs de la biodiversité des sols

Conclusion

Plan

Effets de la diversité des organismes du sol + sur la biodiversité aérienne + sur le fonctionnement des plantes

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Facteurs de la biodiversité des sols


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Ressource = MO

Climat

Couvert végétal

Des facteurs emboîtés

Substrat minéral Type de sol

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Très grande mobilité des organismes microbiens : cosmopolites ?

Rien de très clair, étude à faire

Diminution du nb d’espèces de vers de terre, protozoaires et nématodes diminue vers les pôles

Existence de gradients latitudinaux?

Augmentation du nb d’espèces de termites en s’approchant de l’équateur

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Forêt > prairie ?

Sous mull plus que sous moder et mor Acidité et décomposabilité!

Sous les plantes ayant la meilleure litière/ sous les îlots de végétation dans les écosystèmes à végétation discontinue

Echelle du paysage

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Dans les sol?

Modèle théorique

Effet de la quantité de ressource

Ressource

Div

ersi

té

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Dans les sol?

Modèle théorique

Effet des perturbations

Fréquence des perturbations

Div

ersi

té

Intensité des perturbations

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Effet négatif des pesticides

Effets négatifs des pertes de MO

Usage des sols et pratiques agricoles

Effets négatifs des labours

Effets négatifs du sol nu une partie de l’année

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Effet de la diversité des plantes


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Expérience dans les pâturages amazoniens Laossi et al Pedobiologia 2008

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Facteurs de la dégradation des pâturages

Dégradation physique des sols : compactation?

Dégradation chimique des sols : perte de MO, perte des nutriments?

Mauvaises pratiques: charge en bétail trop faible ou trop forte, feu, condition d'ensemencement du pâturage?

Perte de la biodiversité des sols, rôle de la macrofaune?


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Rôle de la macrofaune des sols?

Maintien une structure du sol "équilibrée"

Rôle dans le recyclage de la MO

Gérer la biodiversité des sols?

Gérer la biodiversité des sols en gérant la biodiversité végétale?


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Hypothèses testées

La diversité végétale influence la diversité de la macrofaune du sol par l’intermédiaire de la qualité de la matière organique disponible

La biomasse végétale influence la diversité et la densité de la macrofaune du sol

La végétation entraîne indirectement une modification des propriétés physiques du sol

par son effet sur la macrofaune du sol


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Traitements

S: Solanum rugosum

A: Arachis pintoi

L : Leucaena leucocephala

B: Brachiaria brizantha

BLAS

TB A LAS BA

BLA B LA

BASSBLLS

L AS BS BLS

T

X 3 pâturages

Trois pâturages = trois blocs

16 traitements combinant les 4 espèces + un vrai témoin

2 prélèvements par parcelle de 10 X 10m

Sans bétail

Té

mo

in

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Données Biomasse végétale aérienne et racinaire

Nombres d’individus de la macrofaune par grand groupe (vers de terre, termites, fourmis, isopodes, diplopodes, chilopodes, coléoptères, arachnides, orthoptères)

Structure physique du sol mesurée par pénétrométrie et torcométrie

Physico-chimie du sol (à venir)


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Végétation

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Biomassetotale

Biomasseaériennetotale

Biomasseracinaire 0-10cm

ddl

traitement <0.01 <.001 <.001 16

pâturages 0.36 0.96 0.47 2

Trt x pât. 0.39 0.17 0.52 32

R² 0.73 0.75 0.72

modèle 0.0003 <0.001 0.0004 50

Résidus 101

Effet des traitements sur la biomasse végétale (p<0,001)

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Biomasse aérienne totale Effet des traitements sur la biomasse végétale

(p<0,001)

Effet positif significatif d’Arachis sur la biomasse végétale aérienne

Pas d'effet de la biodiversité sur la biomasse totale

Biomasse foliaire

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

A AS LA BLA LAS T B

BLAS BL BS

BAS BABLS TB LS L S Traitements

g/m

2

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Biomasses végétales spécifiques

Effet négatif de la diversité végétale sur la biomasse aérienne de 3 espèces végétales (A. pintoi, L. leucocephala, B. brizantha)

Effet négatif de la présence de B. brizantha sur la biomasse des autres espèces végétales

Suggère un effet dominant de la compétition entre espèces végétales


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Macrofaune

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Nombre d’individus par groupes de la macrofaune du sol

Effet des traitements (p=0,001)

Nombre de vers de terre en fonction des traitements

0

5

10

15

20

25

30

35

BL BS LS T BLS S B BA TB BAS A L LA BLA BLAS LAS AS

Traitements

vers

/m2

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Effet des biomasses spécifiques sur les densités

Effet positif de la biomasse et de la présence réelle d’A. pintoi (p<0,05) – vers de terre

vers de terre termites fourmis diplopodes ddl

Biomasse Arachis

0.03 0.90 0.18 0.05 1

BiomasseSolanum

0.31 0.75 0.63 0.14 1

BiomasseLeucaena

0.71 0.21 0.70 0.46 1

BiomasseBrachiaria

0.64 0.71 0.14 0.99 1

R² 0.38 0.18 0.21 0.31

modèle <0.001 0.35 0.22 0.08 14

résidus 100

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Effet des biomasses sur la diversité de la faune

Effet positif de la biomasse des 4 espèces végétales (p<0,05)

Arachis Leucaena

Probabilités des tests

Biomasse Arachis < 0,01

Biomasse Brachiaria 0,02

Biomasse Solanum < 0,01

Biomasse Leucaena 0,01

R² 0,41

40

Pas d’effet de la diversité végétale sur la densité et la diversité de la faune du sol (p>0,05)

Vers de terre

termites fourmis diplopodes Biodiv de la faune

ddl

diversité 0.14 0.83 0.86 0.13 0,65 2

pâturage <.001 <0.01 0.57 0.43 0,60 2

Pâturage x diversité

0.09 0.21 0.80 0.74 0,95 4

R² 0.27 0.16 0.05 0.08

P modèle 0.0002 0.06 0.88 0.47 8

résidus 100

Densité

41

Structure du sol

42

Compacité du solEffet significatif des traitements (p<0,001)

Sol moins compact en présence d’A. pintoi (p<0,05)

Mesure de compacité par torcométrie

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

A BL LS AS LAS LA S BLA L BLAS BLS BA BAS B TB BS TTraitements

compacité en Kpa

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Discussion, déterminants de la faune du sol

Effet primordial d'Arachis

+ Cela suggère un effet "groupe fonctionnel"

+ Bonne litière + Plante couvrante : habitat

Effet des biomasses végétales mais pas de la diversité sur la diversité de la faune

+ Effet de la quantité de nourriture plus que de la diversité /pas de complémentarité

+ L’augmentation de la qut de ressource augmente la possibilité de coexistence?


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Discussion, déterminants des propriétés physiques du sol

Effet décompactant d'Arachis

Or Arachis augmente la densité de vers de terre qui participent à la structuration du sol

Suggère un effet indirect par contrôle de la macrofaune


Propriétés du sol

Biodiversité des solsDensités

Biodiversité végétalePP

X

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Exemple d’une prairie tempérée

Programme BIODEPTH, site allemand


Parcelle de 2X2 m

Gastine A. et al. (2003) No consistent effects of plants diversity on root biomass, soil biota and soil abiotic conditions in temperate grassland communities. Appl. Soil Ecol., 24, 101-111

Expérience maintenue 2 ans

31 espèces de 3 groupes fonctionnels

30x2 parcelles

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31 espèces et 3 groupes fonctionnelsLégumineuses, Graminées, Autres dicot ..


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30 traitements


Manipulation de la richesse fonctionnelle et de la richesse spécifique

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Résultats 1


Peu de différences nettes

Pas d’effet du nombre de groupes fonctionnels

Effet des légumineuses (seules) sur l’azote minéral

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Résultats 2 : modèle complet


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Discussion

Peu ou pas d’effet de la diversité spécifique / effet de la diversité fonctionnelle / effet aussi important des légumineuses


Même pas d’effet des plus faibles richesses spécifiques

Causes?

+ Expérience trop courte par rapport à la dynamique de la MO

+ Effet négatif des légumineuses sur les biomasses racinaires qui empêcherait un effet positif de la richesse spécifique sur la biomasse racinaire totale+ Omnivorie de bcp de détritivores

+ Effet dominant de certains groupes trophiques

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Effet de la diversité génétique des plantes Schweitzer, J. A., Bailey, J. A., Bailey, J. K., Fischer, D. G., LeRoy, C. J.,

Lonsdorf, E. V., Whitham, T. G. and Hart, S. C. 2008. Plant-soil-microorganism interactions: heritable relationship between plant genotype and associated soil microorganisms. Ecology 89: 773-781.


Etude sur l’effet de différents clones de peuplier sur les communautés microbiennes

Courant actuel de recherche qui vise à étudier les effets de la diversité génétique plus que les effets de la diversité spécifique

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Effet de la diversité génétique des plantes


Effet sur le C et N microbien

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Effet de la diversité génétique des plantes


Effet sur la structure de

la communauté microbienne

‘‘Héritabilité’’ de la communauté microbienne

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Quels est l’effet de la diversité génétique végétale sur le fonctionnement du sol?


Peu d’études pour le moment….

Effet positif sur la diversité microbienne?

Quels est l’effet de la diversité microbienne sur le fonctionnement du sol?

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Effet de la diversité des organismes du sol


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Manipulation de la diversité microbienne

4 niveaux de diversité microbienne obtenus par différentes méthodes d’extraction puis inoculation


Bonkowski, M., and J. Roy. 2005. Soil microbial diversity and soil functionning affect competition among grasses inexperimental microcosms. Oecologia 143:232-240.

Monoculture ou communauté de 6 espèces de graminée

4 réplicats pour les monocultures, 6 pour les communautés

180 microcosmes en tout

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Buts de l’expérience

Quel est l’effet de la diversité microbienne sur le fonctionnement du sol?


Quel est l’effet de la diversité microbienne sur la croissance de 6 graminées?

Quel est l’effet de la diversité microbienne sur la compétitivité des 6 graminées?

Quelle analyse?Un seul modèle avec l’interaction diversité des plantes x diversité microbienne

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Effets sur le fonctionnement du sol


La respiration et la biomasse microbienne augmentent avec la diversité microbienne

La respiration spécifique diminue avec la diversité microbienne

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Les capacités cataboliques augmentent avec la diversité microbienne

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La disponibilité de l’ammonium diminue avec la diversité microbienne

La disponibilité du nitrate augmente avec la diversité microbienne

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Hiérarchie compétitive


La compétition modifie la hiérarchie compétitive

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La diversité microbienne change la hiérarchie compétitive des plantes en compétition

ANCOVA:Interaction entre espèce de plante et diversité microbienne

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Deux plantes réagissent à la diversités microbienne

(biomasses aériennes)

Deux plantes réagissent à l’interaction compétition X diversité microbienne

Test des effets sur la hiérarchie compétitive?

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Interprétation


Accroissement de la biomasse et de la respiration

Accroissement de la capacité catabolique

Effets de la diversité microbienne sur le fonctionnement du sol

Accroissement (diminution) de la disponibilité des nitrate (ammonium)

Utilisation de plus de niche? Hétérogénéité spatiale et temporelle?

Complémentarité?

Facilitation?

Augmentation de la décomposition? Augmentation de la nitrification?

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Interprétation


Par l’intermédiaire du fonctionnement du sol? Les plantes ayant des optimums différents

Par l’intermédiaire des relations plantes-microbes?

Effets de la diversité microbienne sur le compétitivité

Critique de l’expérience

La biodiversité est elle vraiment contrôlée?

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Manipulation de la diversité des mycorhizes


van der Heijden, M. G. A. et al. 1998. Mycorrhizal fungaldiversity determines plant biodiversity, ecosystem variabilityand productivity. Nature 396:69-72.

En augmentant la diversité des symbiontes du sol on devrait pouvoir augmenter la diversité végétale

Rôle des relations plantes-symbiontes du sol pour la diversité végétales?

Pourquoi?

Effets de la diversité des mycorhizes sur le fonctionnement du sol?

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Expérience 1 : 11 herbacées avec 1 mycorhize parmi 4 espèces ou les 4

2 expériences en microcosmes

Expérience 2 : de 1 à 14 espèces de mycorhize tirées au hasard parmi 23 + des graines de 15 espèces

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Effet sur le composition en biomasse de la communauté

Espèce tjs dominante

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Effet positif de la diversité de mycorhizes sur la diversité végétale

Effet positif sur le fonctionnement de la communauté végétale

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Interprétation


Complémentarité entre les mycorhizes Mécanismes?

Plus grande efficacité pour la communauté végétale pour exploiter les ressources minérales

Effet sur le fonctionnement de la communauté végétale

Niche écologique temporelle et spatiale

Degrés divers d’association aux différentes plantes

Plus grande biomasse totale pour la communauté végétale

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Interprétation


Pourquoi effet sur les biomasses relatives dans la communauté?

Pourquoi effet positif sur la biodiversité?

Effet sur la composition de la communauté végétale

Degrés divers d’association aux différentes plantes

Limitation des différentes plantes par différentes ressources

Association privilégiée de chaque plante avec une espèces de mycorhize

Augmentation de la ressource minérale exploitable totale

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Conclusion


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Peu d’effets de la diversité végétale sur le sol

Des effets de la diversité du sol sur le fonctionnement et les plantes

La diversité végétale augmente la diversité des molécules organique apportées au solDégradation plus difficile

Complémentarité entre organismes du solPour la décomposition de différents composés

Facilitation entre organismes pour la décomposition (succession)

Différentes niches spatiales et temporelles

Pourquoi?

Modèle de Loreau 2001

Blocage par les stades plus évolués de la MO?

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Un grand potentiel pour la complémentarité


Une très grande quantité de molécules à décomposer

Une très grande quantité de niches spatiales et temporelles

La plupart des bactéries sont au repos à un instant donné

Complémentarité des relations hotes-symbiontes

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Questions ouvertes


Nécessité de plus d’études sur la biologie des organismes impliqués

Peu de prédictions sur les implications des relations plantes-microorganismes (bactéries, mycorhizes) Doit on s’attendre à une augmentation de la diversité de symbiontes (bactérie? mycorhizes) quand la diversité des hôtes augmente

Rétroaction de l’effet de la biodiversité végétale par l’intermédiaire du fonctionnement?

Biodiversité des sols

Biodiversité végétale

Production végétale

Fonctionnement du sol

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Applications?


Ingénierie écologique jouant sur la diversité du sol ou des plantes

Agronomie Quels effets de la réduction de la diversité spécifique et génétique végétale? Quels effets de l’agriculture sur la biodiversité du sol?

Effets sur la durabilité de la ferilité?

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ESOL, Interactions Biotiques, Barot

Bibliographie

De Deyn, G. B. et al. 2005. Linking aboveground and belowground diversity. Trends Ecol. Evol. 20:625-632.

Hooper, D. U. et al. 2000. Interactions between aboveground and belowground biodiversity in terretrial ecosystems: patterns, mechanisms, and feedbacks. BioScience 50:1049-1061.

1 Biodiversité et fonctionnement des sols IRD, UMR 137 S. Barot

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