Modelling Lumbricus terrestris population dynamics in agricultural fields.
Contribution to the study of cropping system impacts on earthworm communities.
Modélisation de la dynamique d'une population de vers de terre Lumbricus terrestris au champ.
Contribution à l'étude de l'impact des systèmes de culture sur les communautés lombriciennes
Résumé
Earthworms, which represent a major component of soil macrofauna, are often presented as biodiversity and soil quality indicators. Moreover, they are deemed to be ecosystem engineers since they directly or indirectly impact the availability of resources to other species as plants and microorganisms. Earthworms play a central role in the ecological functioning of agroecosystems thanks to their contribution to processes influencing physical, chemical and biological soil components.
This work is aimed at understanding and modelling earthworm population dynamics in cultivated fields and to study the impact of cropping systems on earthworm communities. Our model, WORMDYN, is a stochastic stage-based Lefkovitch matrix model which accounts for vertical migrations and predicts Lumbricus terrestris dynamics in ploughed and superficially tilled plots (Grignon, France). In the model, the earthworm population is divided into four developmental stages (cocoons, juveniles, sub-adults, and adults) and life cycle parameters depend on soil temperature and water content which are the main factors influencing L. terrestris short-term dynamics. The model parameters were estimated from the available literature.
This study of L. terrestris population dynamics entailed many samplings in cultivated fields. However, various methods are classically used for earthworm samplings. We thus wanted to determine the most suitable earthworm sampling method, combining efficiency and manipulator safety. The first part of this work thus presents the comparison of three chemical expellants for earthworm sampling.
Then, WORMDYN structure is presented, as well as the comparison between model outputs and experimental data. A sensitivity analysis was carried out to identify the parameters which should be estimated with a higher precision in order to improve the predictive capabilities of the model.
Finally, to assess the impact of cropping systems on earthworm communities, data were collected in a long-term trial including three cropping systems: a conventional system, a "Direct seeding living Mulch-based Cropping system" and an organic system without fertilisation. Results were used to study WORMDYN behaviour in these situations and to get information to improve model performance.
This work is aimed at understanding and modelling earthworm population dynamics in cultivated fields and to study the impact of cropping systems on earthworm communities. Our model, WORMDYN, is a stochastic stage-based Lefkovitch matrix model which accounts for vertical migrations and predicts Lumbricus terrestris dynamics in ploughed and superficially tilled plots (Grignon, France). In the model, the earthworm population is divided into four developmental stages (cocoons, juveniles, sub-adults, and adults) and life cycle parameters depend on soil temperature and water content which are the main factors influencing L. terrestris short-term dynamics. The model parameters were estimated from the available literature.
This study of L. terrestris population dynamics entailed many samplings in cultivated fields. However, various methods are classically used for earthworm samplings. We thus wanted to determine the most suitable earthworm sampling method, combining efficiency and manipulator safety. The first part of this work thus presents the comparison of three chemical expellants for earthworm sampling.
Then, WORMDYN structure is presented, as well as the comparison between model outputs and experimental data. A sensitivity analysis was carried out to identify the parameters which should be estimated with a higher precision in order to improve the predictive capabilities of the model.
Finally, to assess the impact of cropping systems on earthworm communities, data were collected in a long-term trial including three cropping systems: a conventional system, a "Direct seeding living Mulch-based Cropping system" and an organic system without fertilisation. Results were used to study WORMDYN behaviour in these situations and to get information to improve model performance.
Les lombriciens représentent une composante majeure de la macrofaune du sol et sont souvent présentés comme bioindicateurs de la biodiversité et de la qualité du sol. Par ailleurs, ils sont des ingénieurs de l'écosystème car ils modifient directement ou indirectement la disponibilité des ressources pour d'autres organismes tels que les plantes et les microorganismes. Ils ont un rôle important dans les agrosystèmes car ils participent aux processus qui influencent les composantes physique, chimique et biologique du sol.
L'enjeu majeur de ce travail est de comprendre et de modéliser l'évolution des populations de lombriciens dans un champ cultivé et d'étudier l'impact de certains systèmes de culture sur les communautés lombriciennes. L'outil que nous avons mis en place, WORMDYN est un modèle stochastique de dynamique des populations basé sur un modèle matriciel et structuré en classes de stades de développement (cocons, juvéniles, sub-adultes et adultes). Il prédit l'évolution des populations du ver L. terrestris dans des parcelles labourées et dans des parcelles travaillées superficiellement. Les paramètres de ce modèle, estimés en partie grâce à des données issues de la littérature, dépendent de la température et de l'humidité du sol qui sont les facteurs clés influençant la dynamique à court terme de cette espèce de vers de terre.
Ce travail de thèse comporte une première partie méthodologique. L'étude de la dynamique des populations lombriciennes a nécessité un nombre important de prélèvements en champ cultivé. Or, diverses méthodes sont classiquement utilisées pour l'échantillonnage des lombriciens. Nous avons donc cherché à déterminer la méthode de prélèvement la plus adéquate, c'est-à-dire alliant efficacité et sécurité du manipulateur. Une première partie est donc consacrée à l'étude et à la comparaison de trois produits chimiques utilisés pour le prélèvement des lombriciens.
Dans un deuxième temps, la thèse présente la structure du modèle WORMDYN. La capacité du modèle à représenter la réalité est testée en confrontant les sorties aux mesures faites en parcelles expérimentales. Une analyse de sensibilité désigne les paramètres influençant fortement les sorties du modèle et met ainsi en évidence des pistes d'amélioration possibles.
Enfin, dans le but de discuter des impacts de systèmes de culture sur les communautés lombriciennes, nous avons récolté des données sur un essai de longue durée comprenant trois systèmes : biologique, conventionnel et un système sous couvert végétal permanent. Par ailleurs, les résultats nous permettent d'étudier le comportement de WORMDYN dans d'autres situations et de dégager des pistes d'amélioration du modèle.
L'enjeu majeur de ce travail est de comprendre et de modéliser l'évolution des populations de lombriciens dans un champ cultivé et d'étudier l'impact de certains systèmes de culture sur les communautés lombriciennes. L'outil que nous avons mis en place, WORMDYN est un modèle stochastique de dynamique des populations basé sur un modèle matriciel et structuré en classes de stades de développement (cocons, juvéniles, sub-adultes et adultes). Il prédit l'évolution des populations du ver L. terrestris dans des parcelles labourées et dans des parcelles travaillées superficiellement. Les paramètres de ce modèle, estimés en partie grâce à des données issues de la littérature, dépendent de la température et de l'humidité du sol qui sont les facteurs clés influençant la dynamique à court terme de cette espèce de vers de terre.
Ce travail de thèse comporte une première partie méthodologique. L'étude de la dynamique des populations lombriciennes a nécessité un nombre important de prélèvements en champ cultivé. Or, diverses méthodes sont classiquement utilisées pour l'échantillonnage des lombriciens. Nous avons donc cherché à déterminer la méthode de prélèvement la plus adéquate, c'est-à-dire alliant efficacité et sécurité du manipulateur. Une première partie est donc consacrée à l'étude et à la comparaison de trois produits chimiques utilisés pour le prélèvement des lombriciens.
Dans un deuxième temps, la thèse présente la structure du modèle WORMDYN. La capacité du modèle à représenter la réalité est testée en confrontant les sorties aux mesures faites en parcelles expérimentales. Une analyse de sensibilité désigne les paramètres influençant fortement les sorties du modèle et met ainsi en évidence des pistes d'amélioration possibles.
Enfin, dans le but de discuter des impacts de systèmes de culture sur les communautés lombriciennes, nous avons récolté des données sur un essai de longue durée comprenant trois systèmes : biologique, conventionnel et un système sous couvert végétal permanent. Par ailleurs, les résultats nous permettent d'étudier le comportement de WORMDYN dans d'autres situations et de dégager des pistes d'amélioration du modèle.
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