Thèse soutenue

Effet de la sécheresse sur les cycles biogéochimiques des nutriments dans une hêtraie en climat tempéré

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Auteur / Autrice : Jeanne Touche
Direction : Marie-Pierre TurpaultPhilippe De Donato
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Géosciences
Date : Soutenance le 30/11/2023
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 : Laurent Augusto
Examinateurs / Examinatrices : Marie-Pierre Turpault, Philippe De Donato, Jean-Paul Laclau, Myriam Legay, Jean-Marc Limousin, Sophie Rihs
Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Augusto, Jean-Paul Laclau

Résumé

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Dans les prochaines décennies, les écosystèmes forestiers en climat tempéré devront faire face à des évènements de sécheresses plus intenses et plus fréquents. Afin d'assurer le maintien des peuplements en place qui fournissent de nombreux services environnementaux et socio-économiques, il est nécessaire de définir l'ensemble des impacts générés par les sécheresses. De nombreuses études sur l'impact des sécheresses sur les forêts existent, mais un manque d'informations persiste sur leurs effets sur les cycles biogéochimiques des nutriments et les conséquences sur la nutrition de l'arbre. Le but de ce travail de thèse est de déterminer l'impact des sécheresses sur le fonctionnement biogéochimique et les conséquences sur la nutrition des arbres. Pour répondre à cet objectif, des suivis in situ des cycles biogéochimiques ont été menés sur le site expérimental de Montiers-sur-Saulx, (Meuse, France). L'essence majoritaire est le hêtre commun (Fagus sylvatica), l'un des feuillus les plus abondants dans les forêts tempérées européennes et dont la pérennité pourrait être menacée par les sécheresses futures. Les impacts de plusieurs degrés de sécheresses (Faible - F, Moyen - M et Elevé - H) sur les cycles biogéochimiques des nutriments ont été étudiés via l'observation de sécheresses naturelles (F) ou via deux expérimentations d'exclusion totale des pluies pendant 2.5 (M) et 3.5 (H) mois en période de végétation et sur des durées de 3 et 5 années consécutives, respectivement. Les effets directement liés au manque d'eau, observables sur les flux en solution après 3 ans de sécheresse (M) sont limités. Les flux diminuent, voir s'interrompent, pendant les périodes de sécheresse, sans que cela ne se répercute nécessairement à l'échelle annuelle, grâce à un effet compensatoire du retour des précipitations post-sécheresses. En effet, la libération des nutriments par la couche holorganique est stimulée par ce retour des précipitations. Ces travaux montrent que la perturbation des cycles biogéochimiques par les sécheresses se fait essentiellement de façon indirecte via l'évolution de la production annuelle de biomasse des arbres. L'accroissement annuelle de biomasse pérenne aérienne ralentit (entre -35% et -65% pour les degrés M et H respectivement). La production foliaire baisse pour le degré M (-26%) entraînant une baisse de l'indice de surface des feuilles (LAI). À l'inverse, la production de racines fines est fortement augmentée (entre 35% et 115% pour les degrés M et H respectivement). Ces réponses pourraient en partie correspondre à une acclimatation du peuplement face au manque d'eau (i.e. limiter le besoin et optimiser le prélèvement) et assurer sa résilience. Cependant, ces changements de biomasse ne s'accompagnent pas d'une diminution du prélèvement des nutriments suggérant ainsi des besoins nutritifs constants. Pourtant, la baisse de production de feuilles induit de plus faibles flux de résorption. De plus, l'efficience de résorption du potassium (K) diminue fortement avec le degré de sécheresse. Le degré H induit d'ailleurs une carence en K pour le peuplement, une baisse du K dans l'humus et le sol de surface, ainsi qu'un taux de mortalité de 33% des arbres. La carence en K serait alors la conséquence directe d'un maintien du besoin en K pour la production de biomasse associée à une résorption insuffisante, et à un milieu plus restrictif en potassium. Le fort taux de mortalité à la fin de l'expérience de degré H pourrait donc être la conséquence d'un double stress hydrique et nutritif induit par 5 années de sécheresses successives. Cette thèse, pionnière dans l'étude des conséquences des sécheresses sur les cycles et la nutrition de l'arbre, apporte des premiers éléments de réponse. Ces conclusions devront être confirmées et enrichies en poursuivant les expériences d'exclusion de pluie sur Montiers mais aussi à plus grande échelle, en prenant en compte la diversité des écosystèmes forestiers en France et en Europe.