Étude des cycles du Ca et Mg dans cinq hêtraies du nord de la France et des modifications induites par un amendement calco-magnésien : utilisation combinée des approches élémentaires et isotopiques (δ26/24Mg, δ44/40Ca et 87Sr/86Sr) - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2018

Study of Ca and Mg cycles in five beech forests in the northern France and modifications induced by liming : combined use of elementary and isotopic approaches (δ26/24Mg, δ44/40Ca et 87Sr/86Sr)

Étude des cycles du Ca et Mg dans cinq hêtraies du nord de la France et des modifications induites par un amendement calco-magnésien : utilisation combinée des approches élémentaires et isotopiques (δ26/24Mg, δ44/40Ca et 87Sr/86Sr)

Abstract

In France, many forest ecosystems grow on acidic and nutrient poor soils. In numerous cases, the chemical fertility of forest soils is slowly degrading due to increasing external pressures (e.g. decreasing atmospheric inputs, increasing biomass exportations) and is a growing concern in the international forest community. Forest management often must resort to restauration/remediation practices to ensure the sustainability of the ecosystem. Forest liming with a carbonate product is a known practice to reduce soil acidity, globally improve the ecosystem functioning and compensate nutrient losses caused by biomass harvest and exportation. However, our understanding of the effects of liming on magnesium and calcium biogeochemical processes and cycling in forest ecosystems is still incomplete. This study focuses on the fate of magnesium and calcium originating from the dissolution of liming products in the soils and trees of five beech forests located in Northern France over a period up to 45 years. In order to do so, “conventional” total-element approaches were combined with a multi-isotopic approach (26/24Mg, 44/40Ca et 87/86Sr). At all five sites, the data measured in control plots throughout the study period suggest that the exchangeable pools of nutrient cations in the soil has decreased over the last several decades and that this trend, together with the low chemical fertility level of the soil, was reflected in foliar nutrition (Ca, Mg, K, P). Compared to the control plots, soil exchangeable pools of Mg and Ca in the 0-40cm layer in the limed plots increased during the first decade after liming but differences were no longer observable in soil pools after 20 to 30 years. However, the effect of liming on tree nutrition was still observed after 40 years, most probably because the biological cycling of these elements was enhanced by the lime input. The ecosystem response to the lime input varied between sites depending on the nature of the liming product (CaCO3 or Ca-MgCO3) and the initial chemical fertility level of the soil, the poorest sites showing the strongest responses. The natural variations of Mg, Ca and Sr isotopic ratios combined with conventional approaches highlight the importance of the BIO component of the biogeochemical cycling of Mg and Ca in the studied low chemical fertility beech forests. These isotopic tools also enabled to show the long-lasting incorporation of the Mg and Ca released from the liming product in the biological cycle and highlight the changes in the biogeochemical functioning of these forest ecosystems after the liming operation
De nombreux écosystèmes forestiers français sont développés sur des sols acides et pauvres en éléments nutritifs. Dans de nombreux contextes, la fertilité minérale de ces sols forestiers se dégrade lentement, en lien notamment avec des pressions extérieures passées ou actuelles (e.g. diminution des apports atmosphériques de nutriments, augmentation des exportations de biomasse). Ce constat préoccupe la communauté forestière et des solutions de restauration/remédiation sont souvent envisagées. L’amendement avec un produit carbonaté est une pratique connue pour réduire l'acidité du sol, améliorer le fonctionnement global de l'écosystème et compenser les pertes de nutriments causées par la récolte de biomasse. Cependant, les effets de l’amendement sur les processus et le cycle biogéochimique du calcium et magnésium dans les écosystèmes forestiers sont peu connus à ce jour. Cette étude se focalise sur le devenir du magnésium et du calcium provenant de la dissolution des produits d’amendement dans cinq hêtraies situées dans le nord de la France sur une période allant jusqu’à 45 ans après l’apport. Pour cela, les approches élémentaires « conventionnelles » ont été combinées avec une approche multi-isotopique (26/24Mg, 44/40Ca et 87/86Sr). Les données provenant des parcelles témoins mesurées tout au long de la période d'étude suggèrent, quel que soit le site considéré, que les pools échangeables de cations nutritifs dans le sol ont diminué sur les dernières décennies et que cette tendance, associée à la faible richesse chimique du sol, se reflète dans la nutrition foliaire (Ca, Mg, K, P). En comparaison des placettes témoins, les pools échangeables de Mg et de Ca dans l’horizon 0-40 cm du sol ont augmenté dans les placettes amendées durant la première décennie après l’amendement, mais les différences s’estompent après 20 à 30 ans. Cependant, l'effet de l’amendement sur la nutrition des arbres est encore observé 40 ans après l’apport, très probablement parce que le cycle biologique de ces éléments a été dynamisé par l’amendement. La réponse des écosystèmes à l’amendement varie d'un site à l'autre, en fonction de la nature du produit (CaCO3 ou Ca-MgCO3) et du niveau de richesse chimique initial du sol, les sites les plus pauvres chimiquement enregistrant les réponses les plus marquées. Les variations naturelles des rapports isotopiques du Mg, Ca et Sr, en complément des approches conventionnelles, mettent en évidence l’importance de la composante Bio des cycles biogéochimiques du Ca et Mg dans ces hêtraies à faible fertilité minérale. Ces outils isotopiques ont également permis de démontrer l'incorporation durable de Ca et Mg issus des produits d’amendement dans leur cycle biologique respectif et de mettre en évidence des modifications de fonctionnement biogéochimique des écosystèmes suite à l’amendement
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Mélanie Court. Étude des cycles du Ca et Mg dans cinq hêtraies du nord de la France et des modifications induites par un amendement calco-magnésien : utilisation combinée des approches élémentaires et isotopiques (δ26/24Mg, δ44/40Ca et 87Sr/86Sr). Agronomie. Université de Lorraine, 2018. Français. ⟨NNT : 2018LORR0248⟩. ⟨tel-02103514⟩
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