Conséquences de la coupe rase sur la production de racines fines, CO2, CH4 et N2O jusqu'à la nappe phréatique dans une plantation d'Eucalyptus grandis menée en taillis sur un dispositif d'exclusion de pluie.

Consequences of clear-cutting on the production of fine roots, CO2, CH4 and N2O down to the water table in Eucalyptus grandis stands conducted in coppice in a throughfall-exclusion experiment.

• Auteur / Autrice : Amandine Germon
• Direction : Christophe Jourdan, Jean-Paul Laclau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie fonctionnelle
• Date : Soutenance le 21/06/2019
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro en cotutelle avec Universidade estadual paulista (São Paulo, Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie fonctionnelle et biogéochimie des sols et agrosystèmes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Domec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Jourdan, Jean-Paul Laclau, Jean-Christophe Domec, Daniel Epron, Alain Pierret, José Leonardo Goncalves
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daniel Epron, Alain Pierret

Mots clés

Mots clés libres

Eucalyptus

Racine fine profonde

Gaz à effet de serre

Minirhizotron

Taillis

Coupe rase

Eucalyptus

Deep fine root

Greenhouse gas

Minirhizotron

Coppice

Clear-Cutting

Résumé

Améliorer notre compréhension de la dynamique spatio-temporelle des racines fines et des gaz à effet de serre dans les couches profondes du sol est un élément clé pour identifier des pratiques sylvicoles plus durables pour les forêts plantées dans un contexte de changement climatique et pour améliorer les modèles biogéochimiques actuels. Notre étude visait à évaluer l’effet de la coupe des arbres et de la sécheresse sur la production de racines fines et les émissions et production de CO2, N2O et CH4 sur un profil de sol profond jusqu’à la nappe phréatique, dans des plantations d’Eucalyptus menées en taillis au Brésil. Les racines fines, d’un diamètre inférieur à 2 millimètres, ont été échantillonnées jusqu’à une profondeur de 17 m sur un dispositif d’exclusion de pluie comparant des peuplements soumis à une exclusion de 37% des pluviolessivats (-W) et des peuplements sans exclusion (+ W). La dynamique des racines a été étudiée à l’aide de minirhizotrons installés dans deux fosses permanentes d’une profondeur de 17 m dans les traitement -W et + W, pendant un an avant la coupe des arbres, puis pendant deux ans en taillis, et jusqu’à 4 m de profondeur dans un peuplement non récolté (NH) servant de témoin. Les efflux de CO2, de CH4 et de N2O à la surface du sol ont été mesurés durant trois ans en utilisant la méthode des chambres manuelles dans les traitements -W, + W et NH. Les concentrations de CO2, de CH4 et de N2O dans le sol ont été mesurées à partir des fosses jusqu'à une profondeur de 15.5 m dans les traitements -W, + W et NH durant 3 mois avant la coupe des arbres et 1.5 ans après, en taillis. Après la coupe, nous avons observé une croissance spectaculaire des racines fines en grande profondeur (> 13 m) chez les arbres menés en taillis et, étonnamment, une mortalité extrêmement faible des racines quelle que soit la profondeur et le traitement. La biomasse totale des racines fines jusqu’à 17 m de profondeur dans les traitements menés en taillis était de 1266 et 1017 g m-2 dans + W et -W, respectivement, 1.5 an après la coupe des arbres et de 1078 g m-2 dans le traitement NH, 7.5 ans après la plantation. La longueur spécifique et la surface spécifique des racines étaient environ 15% plus élevées dans -W que dans + W. Les efflux de CO2, de CH4 et de N2O ne différaient pas significativement entre -W et + W et ne changeaient pas après la coupe des arbres dans les peuplements menés en taillis par rapport aux peuplements non exploités. Les concentrations de CO2 et de CH4 augmentaient fortement avec la profondeur et les concentrations de N2O restaient à peu près constantes de la surface du sol jusqu'à une profondeur de 15.5 m. Les concentrations moyennes de CO2 et de N2O dans -W étaient respectivement inférieures de 20.7% et 7.6% à celles de + W et celles de CH4 dans -W de 44.4% supérieures à celles de + W sur tout le profil de sol. Un modèle de diffusivité a montré que la production et la consommation de CO2, de N2O et de CH4 se produisaient à de grandes profondeurs et étaient similaires dans les traitements + W, -W et NH. La coupe des arbres n'a pas augmenté les efflux et les productions de CO2, de CH4 et de N2O, quel que soit le régime hydrique. Notre étude suggère que la gestion en taillis permet de conserver et de réexploiter le système racinaire mis en place par les Eucalyptus lors de la rotation précédente. Cette gestion est une solution pour l’atténuation des changements climatiques car elle pourrait aussi être une option intéressante d’adaptation des plantations tropicales aux changements climatiques car elle permet d’améliorer la tolérance des arbres à la sécheresse et de stocker du carbone en plus grande profondeur dans le sol.

Tree growth is highly dependent on the absorptive function of fine roots for water and nutrients. Fine roots also play a major role in the global carbon (C) cycle, mainly through production, respiration, exudation and decomposition processes. Improving our understanding of the spatiotemporal dynamics of fine roots and greenhouse gases in deep soil layers is a key component to identify more sustainable silvicultural practices for planted forests in a context of climate change and to improve the current biogeochemical models. Our study aimed to assess the effect of clear-cutting and drought on fine-root production, soil CO2, CH4 and N2O effluxes and production throughout deep soil profiles down to the water table in Brazilian coppice-managed Eucalyptus plantations. Fine roots (i.e. diameter < 2 mm) were sampled down to a depth of 17 m in a throughfall exclusion experiment comparing stands with 37% of throughfall excluded by plastic sheets (-W) and stands without rain exclusion (+W). Root dynamics were studied using minirhizotron in two permanent pits down to a depth of 17 m in treatments -W and +W, over 1 year before clear-cutting, then over 2 years in coppice, as well as down to a depth of 4 m in a non-harvested plot (NH) serving as a control. CO2, CH4 and N2O surface effluxes were measured over three years using the closed-chamber method in treatments -W, +W and NH. CO2, CH4 and N2O concentrations in the soil were measured from the pits down to a depth of 15.5 m in treatments -W, +W and NH over 3 months before the clear-cut and 1.5 years after in coppice.After harvesting, spectacular fine root growth of trees conducted in coppice occurred in very deep soil layers (> 13 m) and, surprisingly, root mortality remained extremely low whatever the depth and the treatment. Total fine-root biomass in coppice down to a depth of 17 m was 1266 and 1017 g m-2 in treatments +W and -W, respectively, at 1.5 years after the clear-cut and was 1078 g m-2 in NH 7.5 years after planting. Specific root length and specific root area were about 15% higher in -W than in +W. CO2, CH4, and N2O effluxes were not significantly different between treatments -W and +W and did not change after clear-cutting in the coppice-managed stands compared to non-harvested stand. CO2 and CH4 concentrations greatly increased with depth and N2O concentrations remained roughly constant from the soil surface down to a depth of 15.5 m. Mean CO2 and N2O concentrations in -W were 20.7% and 7.6% lower than in +W, respectively, and CH4 concentrations in -W were 44.4% higher than in +W throughout the soil profiles. A diffusivity model showed that CO2, N2O and CH4 production and consumption occurred at great depths and were similar in treatments +W, -W and NH. Clear-cutting did not increase CO2, CH4 and N2O effluxes and productions, whatever the water supply regime.Establishing deep root systems in tropical planted forests could help trees withstand the long drought periods expected under climate change in many tropical regions. Our study suggested that coppice management might be an interesting option in tropical Eucalyptus plantations, both to improve tree tolerance to drought and store carbon at great depth in the soil. Consequences of climate changes on greenhouse gas emissions could be minor when tropical Eucalyptus plantations are coppice-managed.