Peut-on changer les trajectoires de croissance du chêne sessile et du sapin de Douglas suite à une sécheresse en modulant la fertilité du sol ?

Can we modify growth trajectories of sessile oak and Douglas fir following drought by changing the soil fertility?

• Auteur / Autrice : Yoran Bornot
• Direction : Nathalie Bréda, Stéphane Ponton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie végétale et forestière
• Date : Soutenance le 22/12/2017
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie et écophysiologie forestières (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Amiaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Augusto, Caroline Vincke, Juliette Boiffin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Augusto, Caroline Vincke

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bilan hydrologique

Bioclimatologie

Engrais et amendements

Sols -- Fertilité

Arbres

Arbres

Écologie des forêts

Mots clés libres

Fertilisation et amendement

Croissance radiale

Modèle bioclimatique

Résilience

Bilan hydrique

Δ13C

Quercus petraea (Matt.) Liebl.

Pseutotsuga menziesii (Mirb.) Franco

Fertilization and liming

Radial growth

Bioclimatic model

Resilience

Water balance

Δ13C

Quercus petraea (Matt.) Liebl.

Pseutotsuga menziesii (Mirb.) Franco

Résumé

La fertilisation et les amendements sont des pratiques courantes en agronomie dont l’intérêt a été prospecté dans le domaine forestier. Des dispositifs expérimentaux de fertilisation ont été mis en place et étudiés par le passé. Le but de ces dispositifs était de déterminer si l’apport d’éléments nutritifs dans des milieux forestiers initialement pauvres ou acides pouvait augmenter la croissance voire restaurer l’état des cimes des arbres en situation de dépérissement. Par ailleurs, des études physiologiques ont montré l’implication de l’eau dans l’absorption des éléments nutritifs du sol et leur transport par la sève brute mais aussi via des effets combinés dans divers processus tels que la croissance cellulaire ou la régulation stomatique. Récemment, des épisodes de sécheresse extrême, responsables de vagues de dépérissement sur de nombreuses essences forestières, ont suscité l’inquiétude des gestionnaires. De plus, les modèles climatiques prédisent une augmentation de fréquence et d’intensité de l’aléa sécheresse dans un futur proche et la gestion forestière doit être adaptée pour y faire face. Dans ce contexte et grâce aux connaissances déjà acquises sur les interactions entre nutrition minérale et hydrique, nous cherchons à savoir si l’apport d’éléments nutritionnels pourrait atténuer les effets négatifs des déficits hydriques en agissant à la fois sur les capacités à supporter les sécheresses et à retrouver des niveaux de croissance optimale après l’aléa, c’est-à-dire améliorer la résilience des arbres. A l’inverse, la vulnérabilité des arbres aux déficits hydriques se trouverait-elle augmentée ? Pour répondre à cette problématique, nous avons exploité des dispositifs expérimentaux de fertilisation situés dans trois forêts en France sur deux essences forestières, le chêne sessile et le sapin de Douglas. Sur chacun de ces sites, des arbres sélectionnés ont été carottés à cœur afin de tracer les variations annuelles de croissance radiale à partir de mesures des largeurs de cernes. Ces courbes de croissance ont servi de base au calcul des indices de résistance, récupération et résilience de la croissance à des déficits hydriques du sol, calculés quant à eux à l'aide du modèle de bilan hydrique BILJOU©. Sur le site de Bercé, l’efficience d’utilisation de l’eau a de plus été appréhendée à partir du δ13C contenu dans le bois final des cernes. La croissance radiale des chênes de Bercé et de Tronçais a significativement été augmentée par la fertilisation et les variations interannuelles de croissance ont été modélisées par le climat et le déficit hydrique du sol. La croissance du sapin de Douglas quant à elle n’a que très peu été augmentée par l’apport en nutriments en forêt des Potées. Par ailleurs, cette analyse montre que la stimulation de croissance par la fertilisation est transitoire : moins de 10 ans après l’apport d’éléments nutritifs à Bercé et 20 ans à Tronçais, plus aucun effet sur la croissance ne subsiste. Malgré cet effet positif transitoire sur les croissances radiales du chêne, aucune différence entre les traitements sur les capacités des arbres à résister et récupérer après des épisodes de sécheresse. Les résistance et récupération de la croissance sont dépendantes de l’intensité et de la durée du déficit hydrique, donc de la sévérité de l’aléa et non de l’apport de nutriments. Ces résultats corroborent les analyses du δ13C dans les cernes des chênes qui, là encore, ne sont significativement corrélées qu’avec le climat et sont indépendantes du traitement. L’absence de modification de la résilience entre les traitements, quel que soit le site et l’essence étudiés, est discutée. Plus largement, ces travaux interrogent le concept de résilience et son utilisation en dendroécologie

Fertilization and liming are usual practices in agronomy but uncommon in forestry. Experimental liming or fertilization in forest were tested in the 1970’s. The initial aim of these experimentations was to determine if the addition of nutrients on poor or acidic forest soil could increase tree growth or even restore crown condition in case of decline. Physiological studies have established the implication of water availability in soil nutrients uptake and their transport in the sap and also via combined effects in various processes such as cell growth or stomatal control. Recently, extreme drought events responsible of many forest species diebacks have aroused the concern of forest managers. In addition, climate models predict an increase in the frequency and intensity of drought hazards in the future and forest management must be adapted to face them. In this context, and thanks to the current knowledge on the interactions between mineral and water alimentation, we investigate whether nutrient supply could mitigate the negative effects of water deficits by increasing the capacity 1/ to withstand droughts and 2/ to recover optimum growth after the drought induced crisis, i.e. to improve the resilience of trees. Conversely, would the vulnerability of trees to water deficits be increased? To answer this question, we investigated fertilization experiments located in three forests in France and applied on two species, sessile oak and Douglas fir. On each of these sites, selected trees were cored to the pith to determine the annual variations of radial growth from measurements of the tree-rings widths. These growth variations were used as a basis to the calculation of resistance, recovery and resilience indices to drought events, which were quantified using a soil water deficit index computed by the water balance model BILJOU©. On the site of Bercé, the water-use efficiency was estimated from the δ13C of the latewood. Retrospective analyses shown that the radial growth of oak trees in Bercé and Tronçais was significantly increased after the fertilization. Radial growth was then modelled from climate and soil water deficit. Douglas fir radial growth was slightly impacted by the nutrient supply in the Potées site. This analysis highlights the time-limited effect of this nutrient supply on the growth stimulation: no effect subsists more than 10 years after nutrient supply in Bercé and more than 20 years in Tronçais. Despite this transient effect on oak growth, no differences between treatments on the capacity of trees to resist and to recover after drought events was observed. The main factors influencing resistance and recovery of growth were the soil water deficit intensity and duration. These results corroborate δ13C analyzes in oak rings, which, again, were only significantly correlated with climate and were independent of treatment. The lack of modification of the resilience between the treatments, whatever the site and the species studied, is discussed. More broadly, the concept of resilience and its use in dendroecology are questioned