EVOLUTION DE LA COMPOSITION ARBOREE DE LA FORET FRANÇAISE

EVOLUTION DE LA COMPOSITION ARBOREE DE LA FORET FRANÇAISE

EFFETS DES ESSENCES SUR LES PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES et CHIMIQUES DE LA TERRE FINE

Effets des essences sur les propriétés physico-chimiques et chimiques de la terre fine 

Objectifs

Le sol intègre les multiples modifications du fonctionnement des écosystèmes forestiers liés à la gestion forestière et en particulier les bouleversements consécutifs aux substitutions d’essences. Les paramètres physiques (méso et pédo-climat), le prélèvement d’eau et d’éléments nutritifs, la restitution par les litières, la dégradation des matières organiques, le contrôle et la régulation de l’activité biologique sont affectés. En fonction de ces variations, le sol est susceptible d’évoluer plus ou moins rapidement. Ce chapitre a pour objectif d’identifier les modifications de propriétés de la terre fine consécutives aux substitutions d’essences sur le site de Breuil.

Résultats

Variabilité inter blocs

La variabilité entre les 2 blocs a été appréhendée par analyse en composante principale et par analyse de variance. Deux types de variables ont été prises en compte dans ces analyses : celles non influencées par les essences comme la granulométrie et d’autres variables potentiellement influencées par les peuplements comme la garniture cationique. Ces comparaisons prennent en compte les peuplements identiques dans les 2 blocs c’est-à-dire, le TsF, le hêtre, le Douglas, le pin et l’épicéa.

Granulométrie

L’ACP présentée par la figure V.1 montre une opposition marquée entre les 2 blocs (représentés par les barycentres des nuages de points, tous niveaux confondus). La composante 1 est la seule significative et explique 67% de la variance avec une contribution négative des sables grossiers (score = -0,53) et positive des autres fractions (scores compris entre 0,31 et 0.47). L’axe 2 non significatif explique 18% de la variance avec une forte contribution négative des argiles (score = -0.86).
L’analyse des données et les comparaisons de moyennes montrent que le Bloc 2 se distingue par des teneurs significativement plus importantes en argiles (+17% en moyenne sur les profils) en limons fins et grossiers (+5 et 10% respectivement) et en sables fins (+28%). A l’inverse les teneurs en sables grossiers sont significativement plus faibles (-13%) (figure V.2). Pour la lisibilité des graphiques, les barres d’erreurs n’ont pas été indiquées mais les différents peuplements ont été distingués pour donner une idée de la variabilité inter peuplements.
Ces variations, bien représentées en ACP, sont toujours significatives pour les argiles, les sables fins et les sables grossiers quel que soit la profondeur étudiée. Seuls les limons présentent une tendance non significative pour certains niveaux mais avec des valeurs toujours supérieures dans le bloc 2.

Eléments libres

L’ACP (figure V.3) montre, comme pour la granulométrie, une opposition entre les 2 blocs. Les 4 premiers niveaux sont confondus dans cette analyse. Seules les 2 premières composantes sont significatives et explique respectivement 49 et 19% de la variance. Le Fed, le Feo ainsi que l’Alc et l’Alo contribuent positivement à l’axe 1. La Sic y contribue négativement (valeur propre = -0.26). L’Alc-o contribue négativement à l’axe 2 et Fed-o, Fed et Alo positivement.
Les teneurs en éléments extractibles sont significativement plus fortes dans le bloc 2 avec en moyenne sur les profils + 17% de Fed, +16% d’Alc. Ces variations de teneur sont significatives à tous niveaux. Le Feo présente des teneurs elles aussi plus élevées mais la différence n’est pas significative (+8%). Seul l’Alo montre des teneurs plus faible dans le bloc 2 mais la encore, sans significativité statistique (-7%). La teneur en Sic est identique entre les 2 blocs (+0,7% dans le bloc 2).Le fer, l’aluminium (bien que comportant des teneurs variables entre blocs) ainsi que la silice
libre présentent une même dynamique dans les 2 blocs traduisant des facteurs généraux de pédogenèse identiques (figures V.4).
Fe libre : La dynamique générale du fer est caractérisée par un léger enrichissement en fer total avec la profondeur du sol, traduisant une altération générale plus forte des minéraux vers la surface du sol. Une redistribution de surface est bien mise en évidence dans les 2 blocs avec Feo-ech caractérisant une complexation organique de surface et une stabilisation sous forme d’hydroxydes mal cristallisés (ventre d’accumulation vers -10 cm). Les données concernant Fed-ech sont très erratiques notamment dans le bloc 1 où l’horizon d’accumulation est difficilement localisable.
Al libre montre une redistribution affirmée vers -20 cm, soit quelques cm plus profondément que l’accumulation du fer libre. Ce ventre d’accumulation est légèrement plus profond dans le bloc 1 et peut être relié aux plus fortes teneurs en sables induisant une perméabilité et une migration d’éléments plus poussée. En surface, dans les 2 blocs, les différences de teneurs entre Alo-ech et Alc-ech sont relativement ténues (les valeurs absolues montrent que Al échangeable est un ordre de grandeur inférieur aux valeurs des oxy-hydroxydes). En profondeur, l’Alc-ech domine et traduit l’importance des formes plus résistantes d’oxydes minéraux. Altot varie dans le même sens que Fetot, confirmant l’altération de surface. Si libre : Sid et Sic montrent des profils verticaux de même allure (fortes valeurs en surface puis profil vertical en profondeur) mais avec des valeurs absolues nettement plus élevées pour Sic, qui pourraient indiquer une association préférentielle avec Al, ou un sensibilité plus forte à la complexation qu’à l’oxydo-réduction. Les 2 blocs montrent une même dynamique mais la dispersion est plus importante dans le bloc 1.
TRB (Réserve Totale en Base) Cet indice correspond à la somme de la réserve totale en cations alcalins et alcalino-terreux (K+ , Na+ , Ca2+, Mg2+) (Brahy, 2000).
Les analyses totales ont été réalisées sur seulement 2 profils complets par placette étant donné le coût de l’analyse. Les résultats montrent que la valeur TRB augmente avec la profondeur avec des valeurs moyennes par horizon de 129 cmolc.kg-1 en surface et 154 cmolc.kg-1 en profondeur, traduisant une altération plus forte en surface, mais des réserves moyennes par horizon encore significatives. Les valeurs moyennes de la TRB sur 70 cm sont significativement différentes entre les 2 blocs avec respectivement de 9809 kEq.ha-1 pour le bloc 1 et de 10614 kEq.ha-1 pour le bloc 2 (tableau V.1). Les quantités de Mg et Na ne sont pas différentes mais les quantités de K et Ca sont significativement plus importantes dans le bloc 2. Les variations au sein d’un bloc sont faibles. En moyenne Ca, Mg, Na et K représentent respectivement <1, 14, 22 et 62 % de la TRB concrétisant la signature acide de la roche mère et du sol (on notera le niveau extrêmement faible du calcium total le plus souvent en limite de détection analytique dans le bloc 1).

Table des matières

LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX 
CHAPITRE 1 INTRODUCTION GENERALE
1 EVOLUTION DE LA COMPOSITION ARBOREE DE LA FORET FRANÇAISE
2 CONSEQUENCES DES MODIFICATIONS DE LA COMPOSITION ARBOREE DE LA FORET
3 APPROCHE DE L’ETUDE : DES ESSENCES SUR UN MEME SOL
4 OBJECTIFS DE L’ETUDE
4.1 Etude de la roche mère et d’un profil de sol « climacique »
4.2 Effet du changement d’essence sur les propriétés physico-chimiques et chimiques de la terre fine
4.3 Caractériser les évolutions minéralogiques actuelles en fonction des essences
CHAPITRE 2 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
1 RAPPEL SUR LES FLUX D’ELEMENTS AU SEIN DE L’ECOSYSTEME FORESTIER
2 ALTERATION DES MINERAUX DU SOL
3 EFFET DES ESSENCES SUR LE CYCLE BIOGEOCHIMIQUE
3.1 Effet des essences sur les flux d’éléments entrants dans l’écosystème (figure II.1)
3.2 Effet des essences sur les flux d’éléments sortant de l’écosystème (figure II.1)
3.3 Impact des essences sur les flux internes
3.4 Effet des essences sur la microflore et pédofaune
3.5 Effet des essences sur la transmittance lumineuse et la température
CHAPITRE 3 MATERIEL ET METHODE
1 PRESENTATION DU SITE ATELIER
2 MATERIEL ETUDIE ET MOYEN ANALYTIQUE
2.1 Etude de la roche mère du site
2.2 Etude d’un profil de référence
2.3 Effet des essences
2.3.1. Effet des essences sur les propriétés de la terre fine
2.3.2. Effet des essences sur les propriétés de la fraction argileuses
2.3.3. Expérimentation de dissolution de vermiculite en milieu acide
2.3.4. Effet des essences sur la vermiculite test
2.3.5. Effet des essences sur le sol rhizosphérique
3 METHODE D’ANALYSES
3.1 Etude au microscope optique
3.2 Microanalyses : microsonde et microscope électronique à transmission (MET)
3.3 Observations et analyses au microscope électronique à balayage (MEB)
3.4 Analyse thermopondérale
3.5 Dissolutions sélectives
3.6 Séparation des fractions granulométriques
3.7 La diffraction de rayon X
3.8 Analyse chimique totale
3.9 Carbone et azote total
3.10 Phosphore extractible P (Duchaufour and Bonneau, 1959)
3.11 pH de la terre fine
3.12 Capacité d’échange cationique de la terre fine
3.13 Quantification de minéraux des fractions granulométriques
3.14 Traitement statistique des données
CHAPITRE 4 ETUDE DE LA ROCHE MERE ET D’UN PROFIL DE REFERENCE
1.ETUDE PETROGRAPHIQUE, MINERALOGIQUE ET CHIMIQUE DE LA ROCHE DU SITE DE BREUIL
1.1 Situation géologique
1.2 Connaissances générales du massif granitique
1.3 Résultats et interprétations.
1.3.1. Répartition des faciès sur le site de Breuil et description minéralogique
1.3.2. Teneur des différents minéraux dans la roche du site de Breuil
1.3.3. Analyses chimiques des minéraux de la roche du site de Breuil
1.3.3.1 La biotite
1.3.3.2 La muscovite
1.3.3.3 La chlorite
1.3.3.4 La perthite : feldspath potassique et albite
1.3.3.5 L’albite
1.3.4. Analyse chimique du granite du site de Breuil
2 ETUDE D’UN PROFIL DE REFERENCE
2.1 Description du profil
2.2 Squelette et densité
2.3 La terre fine
2.3.1. Distribution granulométrique et surface des particules
2.3.2. Propriétés physico-chimiques et analyses chimiques
2.3.2.1 pH, CEC et cations échangeables (tableau IV.19, figure IV.11)
2.3.2.2 Carbone, azote et phosphore
2.3.2.3 Teneurs en éléments totaux de la terre fine (tableau IV.20)
2.3.2.4 Dissolutions spécifiques et dynamique des sesquioxydes
2.4 Les fractions granulométriques de la terre fine
2.4.1. Capacité d’échange cationique (tableau IV.22 et IV.23)
2.4.2. Eléments totaux (tableau IV.23)
2.4.3. Dissolutions sélectives (figure IV.4)
2.4.4. Minéralogie qualitative
2.4.4.1 Fraction argileuse globale
2.4.4.2 Fraction argileuse fine 0 – 0,1 µm
2.4.4.3 Fraction des limons
2.4.4.4 Fraction des sables
2.4.5. Chimie des minéraux secondaires
2.4.6. Minéralogie quantitative des fractions granulométriques (figure IV.32)
2.4.6.1 Les minéraux primaires
2.4.6.2 Les minéraux secondaires
2.4.7. Localisation des cations nutritifs dans les minéraux porteurs des différentes fractions
2.5 Discussion
2.5.1. Processus d’altération des minéraux
2.5.2. Pédogénèse
2.5.3. Quantification des minéraux
CHAPITRE 5 EFFETS DES ESSENCES SUR LES PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES ET
CHIMIQUES DE LA TERRE FINE
1 OBJECTIFS
2 RESULTATS
2.1 Variabilité inter blocs
2.1.1. Granulométrie
2.1.2. Eléments libres
2.1.3. TRB (Réserve Totale en Base)
2.1.4. Carbone et azote
2.1.5. CEC et éléments échangeables
2.1.6. Conclusion sur la comparaison des blocs
2.2 Relations entre variables
2.3 Effet des essences sur les propriétés de la terre fine
2.3.1. Analyses multivariées
2.3.1.1 Approche générale
2.3.1.2 Eléments libres
2.3.2. Effet des essences sur la garniture cationique et le pH
2.3.2.2 pH des sols (tableau V.5)
2.3.2.3 Carbone, azote et phosphore (tableau V.6)
3 DISCUSSION
3.1 pH et acidité d’échange
3.2 Saturation cationique
3.3 Eléments libres
3.4 Stocks en éléments échangeables, C, N, P
3.5 Comparaisons des approches de l’étude de l’effet des essences
4 CONCLUSION
CHAPITRE 6 EFFET DES ESSENCES SUR L’ALTERATION DES MINERAUX DU SOL
1 INTRODUCTION
2 RESULTATS
2.1 Cortège minéralogique et variation avec la profondeur
2.2 Variation de la mesure par DRX
2.3 Variations intra peuplement
2.4 Variation inter-bloc
2.4.1. Minéralogie
2.4.2. Extractions sélectives
2.5 Effet des essences sur la minéralogie
2.5.1. DRX
2.5.1.1 Argiles <2µm
2.5.1.2 Argiles < 0,1 µm
2.5.2. Extractions sélectives
2.5.3. Analyses totales
2.5.4. Les limons fins
3 DISCUSSION
3.1 Influence des essences forestières sur les éléments extraits
3.2 Influence des essences forestières sur la minéralogie
3.2.1. Smectites hydroxy-alumineuses
3.2.2. La chlorite
3.3 Variation de l’effet essence entre les blocs
4 CONCLUSION
CHAPITRE 7 EVOLUTION D’UNE VERMICULITE EN MILIEU ACIDE : APPROCHE EXPERIMENTALE IN VITRO ET IN SITU 
1 CONTEXTE ET OBJECTIFS
2 APPROCHE IN VITRO : ARTICLE A
2.1 Introduction
2.2 Materials and Methods
2.2.1. Mineral Sample and Preparation
2.2.2. Experimental Procedure
2.2.3. Analytical Methods
2.2.3.1 Liquid Phase Analysis
2.2.3.2 Solid Phase Analysis
2.2.3.3 Calculations
2.3 Results
2.3.1. Solutions
2.3.1.1 Cumulated Release of Elements
2.3.1.2 Influence of Time on Element Release
2.3.2. Solid Phase Analysis
2.3.2.1 Sample Observations
2.3.2.2 Total Chemical Analysis
2.3.2.3 XRD Analysis
2.3.2.4 Cation Exchange Capacity
2.4 Discussion
2.4.1. Stoichiometry of Dissolution
2.4.2. Dynamics of the Aluminization Process
2.4.3. Calculations of Al and Fe Interlayer Quantities
2.4.4. Relationship Between CEC Changes and the Layer Charge
2.4.5. Particle Morphology
2.4.6. Comparison with Interlayer Aluminization in the Natural Environment
2.5 Summary and Conclusions
3 VERMICULITES TESTS
3.1 Résultats
3.1.1.1 Analyses des grandes tendances
3.1.2. Indicateurs d’altération
3.1.3. Evolution générale des minéraux et effet de la profondeur d’incubation
3.1.4. Effets essences
3.1.4.1 Variables physico-chimiques
3.1.4.2 Diffraction de rayons X
3.1.5. Effet de l’amendement
3.2 Discussion
3.2.1. Evolution des minéraux
3.2.2. Equilibre ionique solution du sol/vermiculites
3.2.3. Effet essence
3.2.3.1 Acidification des vermiculites
3.2.3.2 Altération des vermiculites test
3.2.4. Effet de l’amendement sur l’évolution des vermiculites
3.2.5. Analyse critique de la méthode
3.3 Conclusion
CHAPITRE 8 EFFET ESSENCE DANS UNE ZONE D’INTERACTION PRIVILEGIEE DU SOL : LA RHIZOSPHERE
1 CONTEXTE ET OBJECTIFS
2 RESULTATS ET DISCUSSION : ARTICLE B
2.1 Materials and methods
2.1.1. Study site
2.1.2. Sample collection and soil fractionation
2.1.3. Sample preparation
2.1.4. Mineralogical analyses
2.1.5. Chemical analyses
2.1.6. Statistical analyses
2.2 Results
2.2.1. Particle size distribution and soil pHwater
2.2.2. XRD analyses
2.2.3. Chemical analyses
2.3 Discussion
2.3.1. Clay mineral dissolution in the rhizosphere
2.3.2. Potassium fixation on the clay fraction in the rhizosphere
2.4 Conclusion
CHAPITRE 9 INTERPRETATION GENERALE
1 RESUME DES PRINCIPAUX RESULTATS
1.1 Roche et sol
1.2 Effet des essences
1.2.1. Modifications physico-chimiques de la terre fine
1.2.2. Minéralogie de la fraction fine
1.2.3. Les vermiculites test
1.2.4. La rhizosphère
2 INTERPRETATION DES RESULTATS
2.1 Impact des dépôts atmosphériques (figure XIX.3, fonction 1) sur le sol solide sous les différents peuplements
2.2 Qualité des restitutions solides et biodégradation (figure XIX.3, fonction 2)
2.2.1. Dynamique des humus et minéralisation : une source d’éléments nutritifs
2.2.2. DOC et aluminium complexé quel rôle dans l’altération ?
2.2.3. Minéralisation de l’azote et nitrification : conséquences sur la phase solide du sol
2.2.3.1 Effet des essences sur la nitrification
2.2.3.2 Forme d’azote et acidité
2.2.4. Acidolyse et complexolyse
2.3 Prélèvement et immobilisation : un puits de nutriments (figure XIX.3, fonction 3)
2.4 Bilan des processus et impact sur la phase solide du sol
2.5 Remarques sur le site de Breuil
3 PERSPECTIVES
3.1 Quantification par modélisation du flux de cations issu de l’altération
3.2 Isotopie
3.3 Approche de l’effet des essences par une étude fine des minéraux argileux
3.4 Tests en réacteur à flux
3.5 Nitrification
3.6 Gestion sylvicole
REFERENCES HORS ARTICLE 
ANNEXES

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