Étude multi-sites de la réponse de la fertilité chimique des écosystèmes forestiers dans un contexte de changements (dépôts atmosphériques et substitution d’essences)

Multi-site study of the response of the chemical fertility of forest ecosystems in a context of change (atmospheric deposition and tree species substitution)

• Auteur / Autrice : Margaux Clesse
• Direction : Bernhard Zeller, Gregory Van der Heijden, Arnaud Legout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie et écologie des forêts et des agrosystèmes
• Date : Soutenance le 28/02/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biogéochimie des Écosystèmes Forestiers (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Étienne Dambrine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernhard Zeller, Gregory Van der Heijden, Quentin Ponette, Anne-Désirée Schmitt, Anne Poszwa, Sophie Cornu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Quentin Ponette, Anne-Désirée Schmitt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fertilité des sols

Cycles biogéochimiques

Nutriments

Sols -- Acidification

Effets des dépôts atmosphériques

Écologie des forêts

Mots clés libres

Ecosystèmes forestiers

Nutriments

Fertilité chimique

Dépôts atmosphériques

Effet essence

Acidification

Forest ecosystems

Nutrients

Chemical fertility

Atmospheric deposition

Tree species effect

Acidification

Résumé

Les écosystèmes forestiers se développent souvent sur des sols acides et pauvres en nutriments. Dans de nombreuses régions, les dépôts atmosphériques acides élevés (acides sulfurique et nitrique) ont considérablement accéléré l'acidification des sols et des eaux de surface au cours de la seconde moitié du XXe siècle, entraînant fréquemment une dégradation de la fertilité des sols et le déclin des forêts. En sus, la sélection et/ou la substitution d'essences par la gestion forestière peuvent également avoir un effet important sur le fonctionnement biogéochimique des sols et des écosystèmes forestiers. Dans ce contexte, leur durabilité est remise en question et il est nécessaire de quantifier l'évolution de la fertilité chimique des écosystèmes forestiers face à ces pressions et de mieux comprendre leur fonctionnement biogéochimique, afin d'assurer une gestion durable des forêts. Les objectifs principaux de cette thèse sont de i) quantifier l'évolution de la fertilité chimique d'écosystèmes forestiers en utilisant quatre méthodes de diagnostic : ré-échantillonnage du sol, suivi des solutions de sol, des concentrations foliaires et calcul du bilan « entrées-sorties », ii) comprendre les mécanismes sous-jacents à cette évolution et iii) comparer les diagnostics obtenus par les différentes méthodes, en prenant en compte l'incertitude autour du bilan. Pour cela, nous avons quantifié l'évolution de la fertilité sur une période de 20 à 30 ans par ces 4 méthodes, sur des placettes monospécifiques du site de Breuil-Chenue et sur 8 placettes de niveau III du réseau RENECOFOR. Les résultats ont souligné que l'essence avait un effet sur l'acidification des sols et sur les réserves de cations nutritifs échangeables du sol. Les feuillus semblent acidifier moins intensément les sols que les résineux. Une restauration du pH est observée sous le chêne et le hêtre alors que l'acidification semble se poursuivre sous les résineux, notamment sous le Douglas et le pin et encore plus sous le sapin et l'épicéa. Une acidification des sols et les pertes de nutriments associés ont aussi été mises en évidence sur certains sites RENECOFOR. Le nitrate et le sulfate semblent être les principaux moteurs de l'acidification. Leur origine dépend cependant du site étudié : ils sont parfois issus des dépôts atmosphériques actuels mais des sources internes à l'écosystème peuvent également intervenir via une nitrification excédentaire (surtout sous le Douglas, le pin, le chêne à Breuil et CPS 77) ou une désorption de S dans le sol (surtout sur les sites RENECOFOR). La lixiviation du S et du N et celle des cations associés a tendance à acidifier les sols. Toutefois, la réponse des sites face à l'acidification peut varier, notamment en fonction de la prédominance soit du cycle biologique soit du cycle géochimique. Les sites identifiés avec un cycle géochimique prépondérant (CHS 41, CPS 77, HET 30 et SP 38) ont des réserves en nutriments soutenues davantage par les flux d'altération et de dépôts atmosphériques, alors que ceux dominés par le cycle biologique (EPC 08, EPC 87, PS 67a, SP 57) ont des pools de nutriments renouvelés surtout par les flux de recyclage. Enfin, les résultats ont montré que la comparaison entre les différentes méthodes de diagnostic de fertilité n'est pas aisée. Des écarts dans les diagnostics ont été mis en évidence, avec des résultats parfois contradictoires. La prise en compte de l'incertitude autour du bilan n'explique pas à elle seule les écarts observés avec l'approche par ré-échantillonnage du sol. L'incertitude de choix de modèle pourrait peut-être en partie expliquer l'origine des divergences. Ces travaux mettent en évidence l'importance de continuer les recherches engagées sur i) la compréhension de la réponse des écosystèmes forestiers face aux changements de dépôts atmosphériques et de substitution d'essences et ii) l'évaluation des incertitudes autour des différentes approches de diagnostic de fertilité.

Forest ecosystems often grow on acidic, nutrient-poor soils. In many places, high acidic atmospheric deposition (sulfuric and nitric acids) has significantly accelerated the acidification of soils and surface waters during the second half of the 20th century, frequently leading to soil fertility degradation and forest decline. In addition, species selection and/or substitution by forest management can also have a significant effect on the biogeochemical functioning of soils and forest ecosystems. In this context, their sustainability is questioned and it is necessary to quantify the evolution of the chemical fertility of forest ecosystems in the face of these pressures and to better understand their biogeochemical functioning, in order to ensure sustainable forest management. The main objectives of this thesis are i) to quantify the evolution of chemical fertility of forest ecosystems using four diagnosis methods: soil resampling, monitoring of soil solutions, foliar concentrations and calculation of the ''input-output'' budget, ii) to understand the mechanisms underlying this evolution and iii) to compare the results obtained by the different methods, taking into account the uncertainty surrounding the budget. To do this, we quantified the evolution of fertility over a period of 20 to 30 years by these 4 methods, on monospecific plots of the Breuil-Chenue site and on 8 level III plots of the RENECOFOR network. The results showed that the species had an effect on soil acidification and on the pools of exchangeable nutritive cations in the soil. Hardwoods appear to acidify soils less intensely than coniferous. A restoration of pH is observed under oak and beech, whereas acidification seems to continue under coniferous, especially under Douglas fir and pine, and even more under Nordmann fir and spruce. Soil acidification and associated nutrient losses have also been demonstrated on some RENECOFOR sites. Nitrate and sulphate seem to be the main drivers of acidification. However, their origin depends on the site studied: they are sometimes derived from current atmospheric deposition, but internal sources to the ecosystem may also intervene via excess nitrification (especially under Douglas fir, pine, oak at Breuil and CPS 77) or desorption of S into the soil (especially on RENECOFOR sites). Leaching of S and N and associated cations tends to acidify soils. However, the response of sites to acidification can vary, depending on the predominance of either biological or geochemical cycling. Sites identified with predominant geochemical cycling (CHS 41, CPS 77, HET 30, and SP 38) have nutrient pools supported more by weathering and atmospheric deposition fluxes, whereas the sites dominated by biological cycling (EPC 08, EPC 87, PS 67a, SP 57) have nutrient pools supported primarily by recycling fluxes. Finally, the results showed that the comparison between the different fertility diagnosis methods is not easy. Differences were highlighted, with sometimes contradictory results. Taking into account the uncertainty around the budget does not alone explain the differences observed by the soil resampling approach. Uncertainty in the choice of model could perhaps partly explain the origin of the discrepancies. This work highlights the importance of continuing research on i) understanding the response of forest ecosystems to changes in atmospheric deposition and species substitution and ii) assessing the uncertainties surrounding the different approaches to fertility diagnosis.