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Theses Year : 2008

Biogeochemical cycling and mineral fertility dudgets in a beech forest

Cycles biogéochimiques et bilans de fertilité minérale en hêtraies de plaine

Arnaud Legout

Abstract

In the context of climatic change and wood for energy production, there seems to be a need for an improved understanding of the way lowland beech forests function in their present distribution areas. Research in this sector is primordial, especially for beech forests with low mineral fertility, as these are, by definition, more sensitive to external disturbance. Fougères beech forest in Brittany, France, characterised by poor mineral fertility, was studied during this work The overall aim of this work was to produce an inventory of mineral cycling in Fougères beech forest, for a complete forest rotation. A chronosequence approach was used, and the stands studied were 8, 25, 80 and 145years old, thus covering the whole forest rotation. A fertility budget approach was chosen as this is a useful tool to diagnose the overall evolution of a system. The calculation of element fertility budgets and the study of nutrient cycles within the ecosystem were carried out in each stand over a period of 7 years, from 1998 to 2004. The parent materials in which the soils are developed at Fougères are poor and produce limited quantities of nutrient elements as a result of weathering. However, K and Mg fluxes released by weathering are relatively high throughout the profile, in particular the Mg flux in the zone where there is mixing of the silty loess and weathered granite saprolite. Estimated quantities of Ca and P released by mineral weathering in the 0-120 cm zone of the soils are very low. Atmospheric inputs play a very important role in the sustainability of this ecosystem with poor mineral fertility, especially for a limiting element like Ca. Most of the atmospheric inputs of nutrient elements diminished between 1998 and 2004 and this reduction was also visible in the quantities of elements in circulation in the soils at Fougères. If this tendency continues over time, the fertility of the ecosystem could suffer. Nutrient losses by drainage, at depths of 120 cm, are similar whatever the stand age. Moreover, we have demonstrated that the effect of beech stand age on available stocks present in the humus and the soils is not significant. The low fertility levels in the ecosystem at Fougères may explain these observations. Mineral element fertility budgets are positive for Mg, K and P, whatever the stand age in the chronosequence. For Ca, the fertility budgets are positive in the young, 8- and 25-year-old stands, but are negative in the older, 81- and 140-year-old stands. Losses related to biomass harvest, which increase strongly with stand age, are responsible for the negative Ca budgets in the stands over 50 years old. The calculated mineral element fertility budgets, show that losses linked to biomass harvest explain the majority of the changes with stand age observed in these budgets.
Dans un contexte de changement climatique et de production de bois énergie, une amélioration de la compréhension du fonctionnement des hêtraies de plaine dans leur aire de répartition actuelle semble nécessaire. Ces travaux de recherche apparaissent primordiaux notamment sur les hêtraies à faible fertilité minérale, celles-ci étant par définition plus sensibles aux perturbations extérieures. La hêtraie de Fougères (35-France), caractérisée par une faible fertilité minérale, a été étudiée au cours de ce travail. L'objectif général de ce travail est de réaliser un état des lieux du fonctionnement minéral de la hêtraie de Fougères, sur l'ensemble d'une révolution forestière. Une approche par chronoséquence à été utilisée, les âges des peuplements étudiés couvrant l'ensemble de la révolution forestière (8 ans , 25 ans, 80 ans et 145 ans). Une approche par bilan de fertilité a par ailleurs été retenue, ces bilans constituants un des outils pertinents pour le diagnostic global de l'évolution d'un système. Le calcul des bilans de fertilité minérale et l'étude des cycles d'éléments nutritifs au sein de l'écosystème ont été réalisés sur chaque peuplement pour des segments temporels de 7 ans (1998-2004). Les substrats de Fougères sur lesquels les sols se sont développés sont pauvres et s'ensuit donc une fourniture limitée d'éléments nutritifs par altération. Les flux de K et le Mg libérés par altération sont néanmoins élevés sur l'ensemble du profil et particulièrement les flux de Mg dans la zone de mélange arène-limons. La quantité estimée de Ca et P libérée par altération des minéraux sur la tranche 0-120 cm des sols est quand à elle très faible. Les apports atmosphériques sont un des piliers majeurs de la durabilité de cet écosystème à faible fertilité minérale, notamment pour un élément limitant comme le Ca. La majorité des apports atmosphériques d'éléments nutritifs sont en baisse sur la période 1998-2004 et cette baisse est également visible sur la quantité d'éléments en circulation dans les sols de Fougères. Si cette tendance se prolonge dans le temps, la fertilité de l'écosystème pourrait en pâtir. Les pertes de nutriments par drainage, à la profondeur de 120 cm, sont relativement similaires quelque soit l'âge du peuplement. Nous avons montré par ailleurs que l'effet de l'âge des peuplements de hêtre sur les stocks disponibles présents dans les humus et les sols de Fougères n'est pas significatif. Le faible niveau de fertilité minérale de l'écosystème de Fougères pourrait expliquer ces constats. Les bilans de fertilité minérale sont positifs pour les éléments Mg, K et P, quelque soit l'âge des peuplements de la chronoséquence. Pour le Ca, les bilans de fertilité minérale sont positifs dans les jeunes peuplements (8 ans et 25 ans) et négatifs dans les peuplements les plus vieux (81 ans et 145 ans). Les pertes liées à la récolte de biomasse, qui augmentent fortement avec l'âge des peuplements, sont responsables du bilan négatif de Ca dans les peuplements âgés de plus de 50 ans. Les bilans de fertilité minérale calculés montrent que les pertes liées à la récolte de biomasse expliquent majoritairement l'évolution des bilans de fertilité avec l'âge des peuplements.
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Dates and versions

pastel-00004547 , version 1 (05-05-2009)

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  • HAL Id : pastel-00004547 , version 1

Cite

Arnaud Legout. Biogeochemical cycling and mineral fertility dudgets in a beech forest. Sciences of the Universe [physics]. ENGREF (AgroParisTech), 2008. English. ⟨NNT : 2008AGPT0027⟩. ⟨pastel-00004547⟩

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