(Effacer ci-dessous les financements qui ne vous concernent pas) ABIES Proposition de labellisation d un projet de thèse pour une Allocation de Recherche 2013 (5 pages maximum) 1. Titre de la thèse Evaluation du risque lié à l usage des pesticides sur la biodiversité du sol par méta-analyse Risk assessment of pesticide use on soil biodiversity using meta-analysis. 2. Direction de thèse (en cas de co-direction de thèse, merci de bien vouloir renseigner les champs suivants pour les deux codirecteurs) Nom : Makowski Prénom : David Adresse : UMR 211 INRA AgroParisTech - 78850 Thiverval-Grignon Téléphone : +33 (0)1 30 81 59 92 Mail : david.makowski@grignon.inra.fr Doctorat (année obtention): 2001 HDR (année obtention) : 2007 Si non HDR, un dossier de demande de dérogation doit être instruit par le Conseil de l ED Doctorale. Merci de contacter la Direction de l ED. Organisme ou établissement de rattachement : INRA (Thiverval-Grignon) Nombre de thèses en cours encadrées par le(s) directeur(s) de thèse (au moment de la demande) : 0 Nom : Pelosi Prénom : Céline Adresse : UR INRA Pessac Versailles Téléphone : 33(0)1.30.83.36.07 Mail : celine.pelosi@versailles.inra.fr Doctorat (année obtention): 2008 Organisme ou établissement de rattachement : INRA (Versailles) Nombre de thèses en cours encadrées par le(s) directeur(s) de thèse (au moment de la demande) : 0 3. Nom de l Unité Laboratoire d accueil : - - 1
(Préciser la structuration de l unité en équipes avec intitulé des différentes équipes. Indiquer à quelle équipe le directeur de thèse est rattaché. En cas de co-direction de thèse, merci de renseigner les champs pour les deux directeurs de thèse). UMR 211 INRA AgroParisTech - 78850 Thiverval-Grignon Coordonnées du responsable d unité : Marie-Hélène Jeuffroy Marie-Helene.Jeuffroy@grignon.inra.fr Téléphone +33 (0) 1 30 81 52 19 INRA UR 251 PESSAC, F-78026 Versailles cedex, France Coordonnées du responsable d unité : Christian Mougin mougin@versailles.inra.fr Téléphone +33 (0) 1 30 83 37 58 4. Les cinq dernières publications du (des) directeur(s) de thèse Philibert A., Loyce C., Makowski D. Prediction of N2O emission from local information with Random Forest. Environmental Pollution, in press Gouache D, Bensadoum A, Brun F, Pagé C., Makowski D, Wallach D. 2013. Modelling climate change impact on Septoria tritici blotch in France: accounting for climate model and disease model uncertainty. Agricultural and Forest Meteorology, 170, 242-252. Pelosi C., Joimel S., Makowski, D. 2013. Searching for a more sensitive earthworm species to be used in pesticide homologation tests - a meta-analysis. Chemosphere. 90, 895 900. Philibert A., Loyce C., Makowski D. 2012. Assessment of the quality of the metaanalysis in agronomy. Agriculture, Ecosystem and Environment 148, 72-82. Philibert A., Loyce C., Makowski D. 2012. Quantifying uncertainties in N2O emission due to N fertilizer application in cultivated areas. Plos One 7(11): e50950. doi:10.1371/journal.pone.0050950. 5. Résumé de la proposition obligatoire dans les deux langues (10 à 15 lignes maximum destiné à être publié sur le site pour l appel à candidatures) : Français Les organismes du sol jouent un rôle prépondérant dans le fonctionnement des agrosystèmes et dans la fourniture de services écosystémiques. Les pesticides appliqués au champ peuvent avoir des conséquences négatives sur ces organismes. Il est important de quantifier et de pouvoir prédire l effet de telles applications sur la biodiversité du sol. L objectif du projet est de réaliser des synthèses quantitatives (méta-analyses) des études expérimentales existantes (en conditions contrôlées et au champ) afin i) de quantifier l effet des pesticides sur différentes espèces d intérêt écologique et ii) d établir des relations statistiques entre indicateurs de pression et indicateurs d impact sur la faune du sol à diverses échelles (régionales et globales). Ces relations pourront ensuite être utilisées pour estimer 1) les valeurs seuils des indicateurs de pression qui conduisent à des impacts significatifs sur la faune du sol et 2) les effets d une réduction de l usage des pesticides sur la biodiversité du sol à différentes échelles. Les résultats attendus de cette thèse ont donc des applications directes en évaluation des risques liés à l usage des pesticides. Anglais Soil organisms play a key role in the functioning of agroecosystems and the provision of ecosystem services. Pesticides applied in the cultivated fields can have negative impacts - - 2
on these organisms. It is thus important to quantify and to predict the effect of such applications on soil biodiversity. The aim of this project is to achieve quantitative synthesis (meta-analysis) of existing experimental studies (under controlled and field conditions) to i) quantify the effect of pesticides on key-natural species and ii) establish statistical relationships between pressure indicators and impact indicators on soil fauna at different scales (regional and global). These relationships will then be used to estimate 1) the thresholds of the pressure indicators that lead to significant impacts on soil fauna and 2) the effects of reducing the use of pesticides on soil biodiversity at different scales. The expected results of this thesis have therefore direct applications in risk assessment of the use of pesticides. 6. Champs disciplinaires de la thèse et mots-clés (Français et anglais) Français Agro-écologie, biologie, statistique Sol, biodiversité, pesticides, agro-écosystèmes, évaluation du risque Anglais Agro-ecology, biology, statistic Soil, biodiversity, pesticides, agro-ecosystems, risk assessment 7. Introduction et contexte permettant de cadrer le sujet (Préciser la valeur ajoutée du sujet sur le plan scientifique et l intérêt économique ou sociétal ainsi que sa place au regard des autres sujets du laboratoire). Le sol constitue un milieu vivant et une ressource naturelle difficilement renouvelable. Il fournit de nombreux services eco-systémiques. Parmi les organismes du sol, plusieurs taxons (e.g.,vers de terre, carabes) sont proposés comme bioindicateurs de la qualité des sols et de l effet des systèmes de culture (Cortet et al., 1999 ; Paoletti, 1999). Les pressions exercées par les activités humaines et notamment par l intensification des pratiques agricoles menacent directement la biodiversité et le bon fonctionnement des sols (Bengtsson et al., 2005; Hubbard et al., 1999; Doran and Zeiss, 2000). Il existe un intérêt croissant pour la mise en place de nouveaux systèmes de culture qui soient moins dépendants de la protection chimique et qui valorisent la composante biologique des sols d agrosystèmes (Altieri, 1983). Un des enjeux associés à ce changement de paradigme est de comprendre et de pouvoir prédire l impact des pesticides sur les communautés vivantes du sol. Avant leur mise sur le marché, les pesticides sont testés sur différents organismes du sol, mais la pertinence écologique de certaines des espèces utilisées dans ces tests sont remises en question (Pelosi et al., 2013). Un des objectifs de cette thèse sera de réaliser une métaanalyse à partir d'essais expérimentaux réalisés en situation contrôlée pour étudier l effet des pesticides sur différentes espèces d intérêt écologique, notamment celles utilisées pour l'homologation des pesticides. Au champ, les effets des pesticides sont souvent difficiles à évaluer en raison des effets confondants (travail du sol, etc.). Nous proposons dans cette thèse d établir des relations statistiques entre des indicateurs de pression (e.g. Indice de Fréquence de Traitements phytosanitaires) et des indicateurs d impact sur la faune du sol (e.g. densité de vers de terre). Nous développerons ces relations à l échelle régionale mais aussi à des échelles plus globales en nous appuyant sur des indicateurs de biodiversité et des indicateurs d usage des pesticides utilisés à l échelle continentale et mondiale. Les résultats de ces analyses quantitatives seront utilisés pour évaluer les risques liés à l usage des pesticides. La comparaison de la sensibilité des espèces permettra une hiérarchisation des niveaux de sensibilité des espèces d un même taxon. Les relations «indicateur de pression - indicateur d impact» seront utilisées pour évaluer les conséquences d une réduction des applications de pesticides sur la faune du sol. Des valeurs seuils - - 3
opérationnelles seront proposées à l issue du projet. Ces relations pourront ensuite être utilisées pour estimer les valeurs seuils des indicateurs de pression qui conduisent à des impacts significatifs sur la faune du sol. Nous pourrons également estimer les effets d une diminution des valeurs des indicateurs de pression sur la faune du sol. Ce projet s inscrit dans les thèmes «régulations biologiques» et «agronomie globale» de l unité d accueil (UMR agronomie). 8. Méthodologie (Présenter et justifier le choix des méthodes utilisées) Au niveau méthodologique, ce projet consiste à effectuer une revue quantifiée d articles scientifiques et des bases de données disponibles, à synthétiser les résultats expérimentaux recueillis dans ces différentes sources dans une base de données commune, et, finalement, à analyser cette base de données avec des techniques statistiques adaptées (régression classique, modèles à effets mixtes ou méthodes bayésiennes) (Philibert et al., 2012). Un comité de pilotage se réunira chaque année et ce, dès le début de la thèse, afin de définir clairement les objectifs et le calendrier détaillé pour le candidat. Certaines questions clés de la thèse seront discutées lors des réunions de ce comité, notamment le choix des espèces, des organismes indicateurs et des indicateurs de pression liés à l usage des pesticides. Une partie importante du travail sera consacrée à la constitution des bases de données qui permettront de répondre aux questions de recherche du projet. Il sera nécessaire d avoir une réflexion poussée sur les données à extraire des corpus bibliographiques afin de faciliter l exploitation des bases de données pour réaliser les méta-analyses. Ces bases de données pourront être également alimentées par des mesures réalisées lors de suivis de parcelles au champ auxquels le candidat participera de manière ponctuelle. Le candidat réalisera les analyses statistiques des bases de données créées pour satisfaire les objectifs fixés. Il s attachera à valoriser les résultats tout au long de sa thèse par des participations à des colloques et la rédaction d articles scientifiques. 9. Résultats attendus et perspectives (Préciser l originalité et situation par rapport à l état de l art) Les résultats attendus sont : - Une base de données incluant des mesures de sensibilité de différentes espèces aux pesticides et métabolites (type DL50 = dose nécessaire pour tuer 50% des individus testés). - Une base de données incluant des mesures d indicateurs de pression (type IFT) et des mesures d indicateurs d impact sur la faune (type densité d organismes du sol) - Une hiérarchisation des niveaux de sensibilité des espèces d un même taxon. - Des relations statistiques entre des indicateurs de pression et d impact. - Des valeurs seuils pour les indicateurs de pression pouvant être utilisées pour détecter des impacts significatifs sur la faune du sol. - Une quantification des effets d une réduction de la pression de produits phytosanitaires sur les organismes du sol. Publications envisageables : Article 1 : Revue des recherches réalisées sur les effets des pesticides sur la biodiversité des sols. Article 2 : Résultats de la méta-analyse sur la sensibilité relative des espèces à différentes échelles. Article 3 : Relations statistiques simples et opérationnelles entre indicateurs de pression et d impact de l usage des pesticides sur la faune du sol aux échelles régionales et globales. Article 4 : Seuils opérationnels d indicateurs de pression au-delà desquels il y a un impact négatif sur la biodiversité des sols. Estimation des conséquences d une réduction des apports de pesticides. - - 4
10. Calendrier prévu Les méta-analyses seront effectuées en utilisant les critères de qualité présentés par Philibert et al. (2012). 0-4 mois : Acquisition d informations et de compétences techniques pour les méta-analyses (recherche bibliographique systématique, gestion de bases de données, méthodes statistiques). Choix d organismes indicateurs en tenant compte des fonctions agroécologiques qu ils remplissent et des services écosystémiques qui leur sont associés. Identification des indicateurs de pression liés à l usage des pesticides (ex : IFT). 4-12 mois : Définition de mots-clés, recherches bibliographiques systématiques des articles scientifiques incluant 1) des résultats expérimentaux acquis en laboratoire sur plusieurs espèces d un même taxon, 2) des résultats expérimentaux acquis au champ sur les effets des pesticides sur la biodiversité des sols, et 3) des résultats publiés de valeurs d indicateurs de biodiversité et de niveaux d usage de pesticides dans le monde. Extraction des données et construction des deux bases de données pour les méta-analyses. 12-24 mois : Analyses statistiques des deux bases de données créées pour, d une part, estimer les différences de sensibilité entre espèces d un même taxon (objectif 1) et, d autre part, définir des relations statistiques entre «indicateur de pression - indicateur d impact» (objectif 2). 24-36 mois : Hiérarchisation des niveaux de sensibilité des espèces. Estimation de seuils opérationnels et utilisation des relations statistiques «indicateur de pression indicateur d impact». Préparation de la soutenance. 11. Collaborations nécessaires pour le sujet L encadrement sera assuré par D. Makowski pour l aspect statistique et modélisation, et par C. Pelosi (UR INRA Pessac Versailles) pour les aspects écologiques et éco-toxicologiques. 12. Conditions de réalisation de la thèse (moyens financiers ou techniques ou humains) et Opportunités de professionnalisation pour le doctorant (débouchés professionnels prévisibles). Moyens : Cette thèse ne nécessite pas d expérimentation spécifique ; le candidat sera certainement amené à participer à des campagnes de terrain (menées par les unités encadrantes ou via des collaborations) qui lui permettront de récupérer des données supplémentaires qu il pourra inclure dans la base de données sur les relations «indicateur de pression - indicateur d impact». La thèse mobilisera essentiellement des données publiées dans des articles scientifiques et dans des rapports. L étudiant recevra une formation à R et à WinBUGS (logiciels d analyse statistique) ainsi qu à des outils informatiques de gestion de bases de données au cours de sa thèse. Débouchés : recherche (en agro-écologie), bureaux d étude en évaluation du risque et en agro-écologie, ANSES, EFSA, gestion de bases de données et méta-analyse (ex : dans le domaine de l analyse des risques). 13. (CJS INRA uniquement) Quelle valeur ajoutée aura le contrat CJS par rapport à un contrat classique de thèse? (attentes : ouverture pluridisciplinaire et internationale, formation à de nouvelles carrières répondant aux besoins de compétences pour le futur de la recherche en alimentation, agriculture et environnement, constitution d un réseau autour du jeune chercheur)? 14. (CJS INRA uniquement) Quels sont les grands objectifs du parcours de formation qui sera proposé? Décrire les compétences et les connaissances qui seront séquentiellement acquises au cours du projet, y inclus à travers une approche internationale et les orientations professionnelles attendues pour le jeune chercheur? - - 5
15. Avis circonstancié du Directeur d Unité et/ou du Chef d équipe d Accueil La thèse proposée par David Makowski et Céline Pelosi couvre un domaine important, des relations entre l usage des pesticides et les impacts environnementaux engendrés. La méthode d approche proposée, par méta-analyse, permet de valoriser une grande partie des résultats expérimentaux déjà acquis antérieurement, tout en tenant compte des spécificités des conditions expérimentales, susceptibles d expliquer la variabilité des résultats. En ce sens, la méta-analyse permet de fournir un résultat global, tout en identifiant les spécificités. David Makowski a déjà une grande expérience de cette méthode (déjà appliquée sur différents objets de recherche), et il a contribué à écrire un article proposant une démarche rigoureuse pour réaliser ces méta-analyses, qui servira de base pour la thèse. Le sujet proposé rentre tout à fait dans le projet de l UMR d Agronomie, se situant à l interface entre deux de nos thèmes d animation scientifique «analyse et prévision des régulations biologiques dans les agro-écosystèmes» et «agronomie globale». Il permet justement de faire un lien entre ces deux thèmes, peu existant jusqu à maintenant, et que nous souhaitons développer. La collaboration entre David Makowski et Céline Pelosi a déjà été éprouvée et couronnée de succès (par un article préparant ce sujet de thèse). Par ailleurs, du point de vue de l UMR d Agronomie, cette collaboration est encouragée pour mieux prendre en compte des impacts écotoxicologiques dans nos évaluations de systèmes de culture innovants. Enfin, David a déjà l habitude de l encadrement de thèses (il en a déjà plusieurs à son actif) et je lui fais tout à fait confiance pour initier Céline à cette activité, qui sera nouvelle pour elle. En tant que DU de l UMR d Agronomie, je soutiens donc tout à fait ce sujet de thèse. Marie-Hélène Jeuffroy 16. Bibliographie annexe (1 page maxi) - Altieri, M.A., 1995. Agroecology:The scientific basis of alternative agriculture, 2nd Ed. Westview Press, Boulder, CO. - Bengtsson, J., Ahnstrom, J., Weibull, A.C., 2005. The effects of organic agriculture on biodiversity and abundance: a meta-analysis. Journal of Applied Ecology 42, 261-269. - Cortet, J., Gomot-De Vauflery, A., Poinsot-Balaguer, N., Gomot, L., Texier, C., Cluzeau, D., 1999. The use of invertebrate soil fauna in monitoring pollutant effects. European Journal of Soil Biology 35, 115-134. - Doran, J.W., Zeiss, M.R., 2000. Soil health and sustainability: managing the biotic component of soil quality. Applied Soil Ecology 15, 3-11. - Hubbard, V.C., Jordan, D., Stecker, J.A., 1999. Earthworm response to rotation and tillage in a Missouri claypan soil. Biology and Fertility of Soils 29, 343-347. - Paoletti M.G. (1999) The role of earthworms for assessment of sustainability and as bioindicators, Agriculture, Ecosystem and Environment 74, 137 155. - Pelosi C., Joimel S., Makowski, D. 2012. Searching for a more sensitive earthworm species to be used in pesticide homologation tests - a meta-analysis. Chemosphere, 90, 895 900. - Philibert A., Loyce C., Makowski D. 2012. Assessment of the quality of the meta-analysis in agronomy. Agriculture, Ecosystem and Environment 148, 72-82. - - 6