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

Effect of drought on the biogeochemical cycles of nutrients in a temperate beech forest

• Auteur / Autrice : Jeanne Touche
• Direction : Marie-Pierre Turpault, Philippe De Donato
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : BEF - Biogéochimie des Écosystèmes Forestiers
• Jury : Président / Présidente : Laurent Augusto
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-Pierre Turpault, Jean-Paul Laclau, Myriam Legay, Jean-Marc Limousin, Sophie Rihs, Philippe De donato
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Augusto, Jean-Paul Laclau

Mots clés

Mots clés libres

Cycles biogéochimiques

Sécheresses naturelles et expérimentales

Carence nutritive

Ecosystème forestier

Biomasse aérienne et souterraine

Résorption

Biogeochemical cycles

Natural and experimental droughts

Nutrient deficiency

Forest ecosystem

Above-ground and below-ground biomass

Resorption

Résumé

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.

Ln the coming decades, temperate forest ecosystems will face more intense and frequent drought events. ln order to ensure the maintenance of existing forest stands and the numerous environmental and socio-economic services they provide, it is necessary to identify all of the impacts induced by drought events. Numerous studies on the impact of droughts on forests exist, but a lack of information persists regarding their effects on biogeochemical nutrient cycles and the consequences on tree nutrition. The aim of this thesis work is to determine the impact of drought events on the biogeochemical functioning of forest and the consequences on tree nutrition. To answer this objective, in situ monitoring of biogeochemical cycles was carried out on the experimental site of Montiers-sur- Saulx, (Meuse, France). The dominant species is the European beech (Fagus sylvatica), one of the most abundant deciduous trees in European temperate forests and whose sustainability could be threatened in the future climate. The impact of various degrees of drought (Low - L, Medium - M and High - H) on the biogeochemical cycles of nutrients was studied via the observation of natural droughts (F) or via two experiments of total exclusion of rainfall for 2.5 (M) and 3.5 (H) months during the growing season and over 3 and 5 consecutive years, respectively. The effects directly linked to the water deficit, measured in solution fluxes after 3 years of drought (M) are limited. The fluxes decrease, or even stop, during periods of drought, without necessarily having repercussions on the total annual fluxes, thanks to a compensatory effect of the post-drought precipitations. lndeed, the release of nutrients by the holorganic layer is stimulated by the return of precipitation. This work shows that the disruption of biogeochemical cycles by droughts is essentially indirectly induced via the evolution of the biomass production. The annual increment of the perennial aboveground biomass decreases (between -35% and -65% for degrees M and H respectively). Leaf production decreases for degree M (-26%) leading to a drop in the leaf area index (LAl). Conversely, the production of fine roots greatly increased (between 35% and 115% for degrees M and H respectively). These responses could partly correspond to an adaptation of the stand to mitigate the water stress and ensure its resilience. However, these changes in biomass are achieved without a reduction in nutrient uptake, thus suggesting constant nutrient needs while a decrease in leaf biomass production induces lower resorption fluxes. ln addition, the resorption efficiency of potassium (K) sharply decreases with the degree of drought. Degree H also induces a K deficiency in the green leaves of the trees. A decrease of K in the humus layer and the superficial soil is also measured as well as a mortality rate of 33% of the trees. Potassium deficiency would then be the direct consequence of maintaining the K need for biomass production associated with insufficient resorption efficiency and low-K availability. The high mortality rate at the end of the degree H experiment could therefore be the consequence of a double water and nutrient stress induced by 5 years of successive droughts. This thesis work, pioneer in the study of the consequences of droughts on tree cycles and nutrition, provides preliminary elements of responses. These conclusions must be confirmed and enriched by continuing the rain exclusion experiments in Montiers, but also on a larger scale, by taking into account the diversity of forest ecosystems in France and Europe.