Rôles fonctionnels des racines fines profondes en plantation d’eucalyptus au Brésil sur sols pauvres en nutriments et en situation hydrique limitante. Réponse à une situation hydrique limitante

Functional roles of deep fine roots in brazilian eucalypt plantations on nutrient-poor soils and under water deficiency

• Auteur / Autrice : Céline Pradier
• Direction : Christophe Jourdan, Philippe Hinsinger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : EFSA - Écologie Fonctionnelle et Sciences Agronomiques
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie fonctionnelle et biogéochimie des sols et agrosystèmes (Montpellier)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Barré, Catherine Keller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Ranger, Mark Bakker

Mots clés

Mots clés libres

Eucalyptus grandis

Plantation forestière

Rhizosphère

Réduction des précipitations

Ph

Carbone

Eucalyptus grandis

Forest plantation

Rhizosphere

Rainfall reduction

Ph

Carbon

Résumé

Face à une demande mondiale en bois en constante augmentation, les forêts plantées sont en rapide expansion, notamment au Brésil où les plantations d'eucalyptus pourraient couvrir 10 millions d'hectares d'ici 2020. Ces plantations hautement productives soulèvent des questions importantes au niveau (i) de leur durabilité dans un contexte de changement climatique et (i) de leur impact sur l’environnement, en particulier sur les cycles de l'eau, du carbone et des nutriments. La capacité des eucalyptus à développer un système racinaire très profond (<15 m) pour atteindre la nappe phréatique, pourrait jouer un rôle clé dans l’adaptation à des disponibilités plus faible en eau. Cependant, le rôle de ces racines fines profondes dans la nutrition des plantes a jusque-là été extrêmement peu documenté.Dans ce contexte, l'objectif général de cette thèse était d'évaluer l'influence de la profondeur et de la disponibilité de l’eau sur le fonctionnement des racines fines à travers l’étude de la rhizosphère. Pour cela, une plantation clonale d’Eucalyptus grandis de 5 ans a été étudiée au Brésil sous deux régimes hydriques contrastés : un traitement + W, recevant une pluviométrie normale a été comparé à un traitement –W dans lequel 37% des pluviolessivats sont exclus. Des essais ont été réalisés dans le but d'appliquer une technologie de laboratoire innovante au champ : les optodes, permettant la cartographie du pH rhizosphérique notamment. Les rhizodepôts libérés par les racines fines d’eucalyptus interférant avec le signal du capteur optique, nous n’avons pas pu obtenir de résultats interprétables. Cependant, des tests réalisés sur le pin nous laissent confiants quant à la possibilité d'utiliser ce système, en suivant quelques recommandations. Des analyses destructives ont été réalisées sur du sol rhizosphérique et non-rhizosphérique échantillonnés le long d'un profil de 4 m. Au niveau de la nutrition : une accumulation de potassium et de protons au sein de la rhizosphère a été observée, en particulier en dessous d’1 m (x3,0 et x1,1 pour K et H3O+ en + W, resp.) et en condition de réduction des précipitations (x7,0 et x1,4 pour K et H3O+ en –W, resp.). La répétition de ces mesures pendant la saison des pluies a confirmé l'enrichissement de protons et de K dans la rhizosphère, ce qui suggère que ces processus se produisent tout au long de l'année. Cependant, l’absence d’effet traitement durant la saison des pluies laisse suggérer une bonne résilience potentielle du système. La quantité de K amenée à la surface des racines fines par flux de masse, estimée à 2 kg de K ha-1 an-1, ne permet pas d’expliquer la quantité de potassium absorbé par les arbres, estimée à 17,5 kg de K ha-1 an-1, ni l'accumulation observée dans la rhizosphère. Une explication plus probable est l'altération des minéraux potassiques induite par le fonctionnement racinaire, et notamment l’acidification. La preuve de la possibilité d’association ectomycorhiziennes jusqu'à 4 m de profondeur renforce l'hypothèse d'un rôle clé des racines fines profondes dans la nutrition des plantes. Une concentration élevée en Al3+ a aussi été mesurée au sein de la rhizosphère (jusqu'à 12 mg kg-1). Au niveau du stockage du carbone : malgré la diminution exponentielle attendue de la concentration en C et N avec la profondeur (de 0,72 à 0,12 ‰ entre 0 et 4 m), nos résultats ont montré que plus de la moitié du stock de carbone contenu dans le sol non rhizosphérique était situé en dessous d’1 m. Une accumulation de C dans la rhizosphère a été mesurée, en particulier en profondeur (x1,4 en dessous d’1 m en + W) et en condition de réduction des pluies (x3,0 à 4 m en –W). Les mêmes tendances ont été observées pour N. L’effet rhizosphérique a été conservé pendant la saison des pluies, mais pas l'effet du traitement. Ce travail a confirmé que les racines fines profondes jouent un rôle clé, pour la nutrition des plantes et le stockage de carbone, en contexte de changement climatique particulièrement.

Due to the constant increase of the world demand for wood, the planted forests are in fast expansion notably in tropical countries such as Brazil where plantations of eucalypts, the most productive and spread out planted species, may reach 10 million ha by 2020. The expansion of these plantations on less fertile sites, combined with the context of climate change lead to important issues about (i) the sustainability of these plantations under more frequent and intense drought events and (i) the impact on the environment of these highly productive plantations with very short rotations (6 yr), particularly for nutrient, water and carbon cycles. Eucalypt trees are able to develop very deep root system (<15 m) to reach the water table, and this may play a key role to cope with decreasing soil water availability. However, the role of these deep fine roots in plant nutrition is dramatically under-documented. In this context, the general objective of this study was to evaluate the influence of soil depth combined with water availability on fine root functioning through characterization of the rhizosphere properties. For this purpose, a 5-yr-old clonal Eucalyptus grandis plantation was studied in Brazil in two contrasted water regimes: the +W treatment, receiving normal rainfall was compared with the –W treatment where 37% of the throughfall were excluded in order to mimick the future climate forecasted in the region. Exploratory tests were carried out for the introduction of an innovative lab technology under field conditions: the optodes, which allow mapping rhizosphere pH. The rhizodeposition of eucalypt fine roots interfered with the optical sensor signal and prevented us to get interpretable results. However, some tests on pine trees let us confident of the possibility of using our system for field studies at depth, using some recommendations. Destructive analyses of rhizosphere and bulk soil samples collected along a 4-m deep soil profile showed an effect of depth and rainfall reduction on rhizosphere pH, potassium concentration, rhizodeposition pattern and carbon storage capacity. Concerning nutrition issues, we found an accumulation of potassium and protons within the rhizosphere, especially below 1-m depth (x3.0 and x1.1 for K and H3O+ in +W, respectively) and in reduced rainfall conditions (x7.0 and x1.4 for K and H3O+ in –W, respectively). Repeating these measurements during rainy season confirmed the enrichment of protons and potassium within the rhizosphere, suggesting that these processes may occur all along the year but no treatment effect was observed anymore, pointing to a potential good resilience of the system. The amount of K brought to fine roots by mass flow was estimated to 2.0 kg K ha-1 yr-1 and could not explain the amount of potassium taken up by trees estimated to 17.5 kg K ha-1 yr-1 and the observed accumulation in the rhizosphere. A more likely explanation was the root-induced weathering of K-bearing minerals, partly related to rhizosphere acidification. Proof of ectomycorrhizal association down to 4-m depth further supported the hypothesis of a key role of deep fine roots in plant nutrition. High exchangeable Al3+ concentration was found within the rhizosphere (up to 12.0 mg kg-1). Concerning the carbon storage issue, despite an expected exponential decrease of C and N concentrations within the bulk soil with depth (0.72‰ to 0.12‰ from top soil to 4-m depth), our results showed that more than half of soil C stock within the bulk soil occurred below the first meter. An accumulation of C within the rhizosphere was found, especially at depth (x1.4 below 1 m in +W) and in reduced rainfall conditions (x3.0 at 4-m depth in –W). The same trends were found for N. The rhizosphere effect was conserved during rainy season but not the treatment effect. This work confirmed that deep fine roots play a key role, especially in the context of climate change, for plant nutrition and carbon storage.