Effet du type de sol sur le fonctionnement biogéochimique des écosystèmes forestiers

par Gil Kirchen

Thèse de doctorat en Écotoxicologie, biodiversité, écosystèmes

Sous la direction de Marie-Pierre Turpault.

Le président du jury était Guillaume Echevarria.

Le jury était composé de François Courchesne, Jean-Paul Laclau, Sophie Rihs, Christophe Hissler.

Les rapporteurs étaient François Courchesne, Jean-Paul Laclau.


  • Résumé

    Cette thèse porte sur l’impact du type de sol sur le fonctionnement biogéochimique d’un écosystème forestier typique d’Europe centrale et occidentale. Pour cette étude, un dispositif expérimental a été mis en place par l’INRA et l’ANDRA au sein d’une hêtraie (Fagus sylvatica) dans la forêt de Montiers-sur-Saulx (Meuse, France) afin de suivre les cycles biogéochimiques entre les différents compartiments de l’écosystème (l’atmosphère, la canopée, la litière et le sol). L’intérêt particulier du site expérimental de Montiers vient du contraste important entre les types de sols pour un même peuplement : rendisol, calci-brunisol et alocrisol/brunisol. Pour la première fois, les stocks et les flux de l’eau et des éléments ont été mesurés et comparés in situ et sur le long terme (entre janvier 2012 et décembre 2015) sur des sols forestiers différents, toutes les autres conditions du site égales par ailleurs (climat, apports atmosphériques, âge et structure du peuplement). Les stocks totaux et échangeables dans le sol et les stocks dans les différents compartiments de la biomasse végétale (branches, tronc, racines grosses et fines) ont été déterminés par le biais d’analyses chimiques et de modélisations. Les flux élémentaires ont été calculés à partir des prélèvements mensuels des solutions de l’écosystème (dépôt atmosphérique, pluviolessivat, écoulement de tronc, solutions libres et liées du sol) et des chutes de litière. Le modèle hydrique BILJOU© a été utilisé pour estimer les composantes du bilan hydrique de l’écosystème. Les résultats montrent que la réserve utile du sol, les stocks des éléments dans le sol, les compositions chimiques des solutions du sol, la stratégie de colonisation racinaire et la production de biomasse pérenne diffèrent fortement en fonction du type de sol. Contrairement à ce que l’on pouvait supposer compte tenu des différences marquées entre les signatures chimiques des solutions des trois sols, les compositions foliaires du peuplement et les flux des éléments hors sol en solution (échange de la canopée, apport au sol) et sous forme solide (chute de litière) ne diffèrent pas ou peu entre les trois stations expérimentales pour la majorité des éléments. La part biologique des cycles minéraux est globalement prédominante et le renouvellement des racines fines représente un flux de recyclage généralement supérieur à la chute de litière aérienne. Nous montrons également que la quantité d’eau transpirée par la canopée, directement liée à la taille de la réserve utile du sol, est le facteur de contrôle principal de la productivité du peuplement à l’échelle annuelle. Des processus d’adaptation du peuplement aux conditions physico-chimiques du sol semblent réduire, voire compenser entièrement, les facteurs secondaires de contrôle de la productivité du peuplement (notamment la disponibilité des nutriments dans le sol). Ainsi un enjeu significatif pour les gestionnaires forestiers pourrait être l’adaptation des pratiques sylvicoles à des parcelles de gestion davantage basées sur les propriétés physiques des sols, et en particulier les profondeurs d’apparition de la roche-mère et de colonisation racinaire

  • Titre traduit

    Influence of soil type on the biogeochemical functioning of forest ecosystems


  • Résumé

    This thesis deals with the impact of soil type on the biogeochemical functioning of a typical forest ecosystem of Central and Western Europe. For this study, a strongly instrumented experimental site was implemented in a beech stand (Fagus sylvatica) within the state forest of Montiers-sur-Saulx (Meuse, France), in order to monitor the biogeochemical cycling between the different compartments of the ecosystem (the atmosphere, the canopy, the forest floor and the soil). The particular value of the Montiers experimental site resides in the strong contrast between soil types under the same beech stand: Rendzic Leptosol, Eutric Cambisol and Dystric Cambisol. For the first time, stocks and fluxes of water and elements were measured and compared in situ and over the long term (from January 2012 to December 2015) on different forest soil types, all other site conditions being equal (climate, atmospheric inputs, stand age and structure). Total and exchangeable pools in the soil and stocks in the different compartments of the vegetation (branches, trunk, fine and coarse roots) were determined via chemical analysis and modelisation. Fluxes of elements were calculated from monthly sampling of the ecosystem’s solutions (atmospheric deposition, throughfall, stemflow, gravitational and bound soil solutions) and of litter fall. The water balance model BILJOU© was used to estimate the different components of the water budget. The results show that the soil water holding capacity, the stocks of elements in the soil, the chemical composition of soil solutions, the rooting strategy and the perennial biomass production differ strongly between soil types. Contrary to what might have been expected in regard to the marked differences between the chemical signatures of the soils solutions in the three soils, the foliar elemental composition of the beech stand and the aboveground fluxes of elements in solution (canopy exchange, stand deposition) and in solid state (litter fall) do not differ significantly between the three experimental stations for the majority of the studied elements. The biological part of the mineral cycles is overall predominant and the recycling through fine roots turnover is generally higher than litter fall. We also show that the quantity of water transpired by the forest canopy, directly linked to the soil water holding capacity, is the primary control factor of the annual stand productivity. Stand adaptation mechanisms to physico-chemical soil properties seemed to reduce, or even entirely compensate for, secondary factors controlling the stand productivity (in particular nutrient availability in the soil). Thus a significant issue for forest managers might be to further adapt forestry practices to management units based on soil physical properties, especially depth to the bedrock and rooting depth


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