Stations biogéochimiques

Contexte et objectis

Les stocks et les flux de matière et d'énergie sont des variables essentielles du fonctionnement des écosystèmes à de nombreuses échelles. C'est aussi au travers de ces flux et stocks que les écosystèmes interagissent avec le système climatique et qu'ils fournissent de nombreux services tels que la production de biomasse, le stockage de carbone, la préservation de la qualité de l’eau et des sols, le maintien de la biodiversité... Les éléments, majeurs ou traces, impliqués dans les cycles biogéochimiques évoqués ici sont en relation avec la vie. Ils passent du monde minéral au monde vivant et inversement par l'action des organismes vivants. Les cycles biogéochimiques au sein de notre espace territorial restreint ne sont pas nécessairement fermés mais sont plutôt partiellement ouverts. Le devenir des puits et sources au sein de ces cycles est l'un des enjeux majeurs d'une gestion durable de ces écosystèmes.

La gestion durable des forêts, dans un contexte de changements globaux, passe donc par la compréhension du fonctionnement de l’écosystème forestier grâce à la caractérisation des différents compartiments et processus et à l’analyse à l’échelle du peuplement des cycles biogéochimiques. On entend ici par cycles biogéochimiques tous les mécanismes contribuant à la circulation permanente de l’eau et des éléments entre les compartiments (sol, arbre, atmosphère) de l’écosystème.

Schema cycles biogeochimiques

Pour pouvoir étudier ces cycles en forêt sur le long-terme et mesurer les flux d’eau et d’éléments sur trois sols différents,  trois stations de suivis ont ainsi été construites sur le site expérimental de Montiers.


La forêt domaniale de Montiers-sur-Saulx est une forêt de hêtre mature et homogène qui présente, sur une surface restreinte et dans les mêmes conditions climatiques, une grande diversité de sols représentatifs de la région. Ce qui permet de répondre à plusieurs objectifs de recherche :


1. Etudier les cycles de l’eau, du carbone, des éléments majeurs et traces, en particulier les éléments d’intérêt Andra (Cl, Se, B, I, Cs…), dans l’écosystème forestier et l’effet du sol sur ces cycles.
2. Suivre la croissance du peuplement de Hêtre ainsi que la diversité microbienne en fonction du type de sol.
3. Evaluer la sensibilité de l’écosystème forestier au changement climatique, en particulier à une réduction des précipitations en été, et aux pressions anthropiques locales.
4. Définir des pratiques de gestion forestière durable, adaptées aux différents types de sols et au changement climatiques

 

Description du site


Le site expérimental est implanté au milieu de la forêt domaniale de Montiers-sur-Saulx, une futaie de Hêtre qui constitue un des deux grands massifs forestiers de la zone OPE. Dans les trois stations instrumentées, des éclaircies ont été effectuées en 2010 pour homogénéiser les peuplements et obtenir environ les mêmes proportions d’essences forestières, à savoir : 88% de Hêtre (Fagus sylvatica), 6,1% d’Erable (Acer), 1,7% d’Alisier (Sorbus), 1,3% de Frêne (Fraxinus), 1,2% de Chêne (Quercus), 1,0% de Charme (Carpinus) et 0,4% de Prunus. L’âge moyen des Hêtres était de 52 ± 9 ans en 2010 et la densité de tiges > 310mm de circonférence est d’environ 400 par hectare.


Les trois stations de suivi biogéochimiques sont implantées sur trois types de sols différents :


• Station 1 : alocrisol, limoneux, acide et profond (> 2m)
• Station 2 : calci-brunisol (≈60cm)
• Station 3 : rendisol, sol superficiel calcaire (≈30cm)

Suivi biogeochimique small

 

Les propriétés physico-chimiques de ces trois types de sols sont présentées ci-dessous :

S1 : Alocrisol/

Brunisol 

Profondeur

pH

Argile

Limon

fin

Limon grossier

Sable fin

Sable grossier

CEC

S/CEC

Ntot

Corg

 

cm

 

g.kg-1

g.kg-1

g.kg-1

g.kg-1

g.kg-1

cmol+.kg-1

 

g.kg-1

g.kg-1

 

S1 : Alocrisol/

Brunisol

0-5

4.94

255

281

160

185

121

6.7

64.2

2.6

38.7

 

9

9

6

14

7

1.1

8.8

0.3

4.6

5-15

4.85

245

276

162

184

131

4.2

35.0

1.6

24.8

 

10

11

6

15

9

0.8

7.9

0.2

3.5

15-30

4.81

268

280

161

170

115

3.5

25.9

0.9

15.0

 

19

20

14

28

20

0.6

9.2

0.2

3.5

30-45

4.87

306

262

150

161

119

4.2

36.2

0.6

8.5

 

43

29

18

31

21

1.1

10.3

0.1

1.8

45-60

5.06

355

229

126

166

141

5.7

55.1

0.4

5.8

 

65

29

20

32

26

1.7

14.3

0.1

0.9

S2 : Calci-brunisol

0-5

5.39

242

242

143

290

83

9.9

83.3

2.6

41.3

 

19

6

5

14

9

2.0

5.3

0.2

5.5

5-15

5.22

241

246

145

287

82

7.6

59.1

1.6

25.9

 

24

6

5

17

9

2.7

8.9

0.3

6.0

15-30

5.29

294

234

136

273

64

7.6

60.9

1.0

15.5

 

54

9

6

21

4

1.4

8.8

0.1

2.8

30-45

5.31

420

188

107

214

71

12.9

68.4

0.8

9.7

 

98

30

22

44

14

4.5

18.8

0.3

3.3

45-60

5.44

523

154

85

176

63

17.2

75.6

0.6

6.2

 

109

34

26

46

25

6.7

13.9

0.2

1.8

 

S3 : Rendisol

0-5

5.71

449

227

123

119

41

24.9

97.8

4.2

63.1

 

80

54

26

39

15

8.3

5.4

0.9

15.5

5-15

5.69

430

224

114

123

59

20.0

94.2

2.9

41.2

 

82

56

36

37

21

7.9

6.6

0.8

13.4

15-30

6.02

516

169

77

102

63

23.2

99.3

1.9

24.4

 

81

50

38

42

24

6.4

5.3

0.4

5.6

 

graph stations

 

diagrammes stations

Dispositifs

Reserve

 

 

 

Chaque station a une surface de 1 ha et est divisée en 4 sous-stations de surface équivalente, dont 3 sont instrumentées et la 4ème étant laissée libre pour d’éventuelles futures expérimentations.

 

 

 

 

 

Avant leur instrumentation, un état de référence des trois stations a été établi (en 2010) :

• Détermination des biomasses au sol (rémanents, sous-végétation, humus) sur 81 points (9 par sous-station)

• Description des humus sur 81 points (9 par sous-station)

• Description pédologique sur 81 sondages (9 par sous-station) et 9 fosses (1 par sous-station)

• Relevés botanique, lichénique et fongique dans chaque sous-station

• Détermination de la colonisation racinaire

• Détermination des biomasses/minéralomasses sur certains hêtres et érables

• Numérotation et géoréférencement de tous les arbres (espèces, C130, hauteur)

 visuel suivi biogeochimiques en foret

visuel suivi biogeochimiques en foret 2

Les 3 stations de mesures biogéochimiques installées sur le site expérimental de Montiers sont représentatives chacune d'elle d'une situation pédologique particulière et sont instrumentées pour effectuer différentes mesures dans le peuplement forestier :


• Collecteurs de litières
• Collecteurs de pluviolessivats
• Collecteurs d'écoulement de tronc
• Collecteur d'eau libre à différentes profondeurs de sol (plaques et fluteaux lysimétriques)
• Collecteurs d'eau liée à différentes profondeurs de sol (bougies poreuses)
• Capteurs d'humidité du sol (sonde TDR) et de température (sondes PT100)

Le suivi de ces stations équipées est effectué toutes les 4 semaines depuis le 20/12/2011.

  

Ensemble des dispositifs qui composent une station biogéochimique.

Schéma décrivant l'ensemble des dispositifs qui composent une station biogéochimique. Cet ensemble permet d'effectuer le bilan des éléments chimiques et de mesurer le flux de ces éléments chimiques (carbone, azote, ...). Le suivi temporel de ces éléments permet de définir les cycles biogéochimiques.

 

Nombre total d’équipements dans les trois stations :

 

Echantillon/

mesure

Equipement

Nombre

Profondeur/

hauteur   (cm)

Répétitions

Fréquence de prélèvement

Eau de pluie

Pluviomètre

3

450

 

Toutes les 4 semaines

Eau gravitaire (Eau « libre »)

Plaques lysimétriques ou fluteaux

40 plaques

109 sets de 8 fluteaux

litière, -10,

-30, -60,

-90 cm

3

Toutes les 4 semaines

Eau capillaire (Eau « liée »)

Bougies poreuses

124

-10, -30,

-60, -90,

-120 cm

4

Toutes les 4 semaines

Pluviolessivats

Gouttières

36

+ 120 cm

4

Toutes les 4 semaines

Ecoulements de tronc

Collecteur

54

+ 150 cm

6

Toutes les 4 semaines

Particules atmosphériques

Pluviomètres et gouttières

3 et 6

-

1 et 3

Toutes les 4 semaines

Litières

Bac à litières

54

-

3

5 fois   par an

Teneur en eau volumique du sol

Sondes TDR

108

-10, -30,

-60, -90 cm

4

Toutes les 12h

Température du sol

Pt100

108

-10, -30, -60, -90 cm

3

Toutes les heures

Hauteur d’arbres

Vertex

373

-

-

Tous les 4 ans

Diamètre des arbres (C130)

Dendromètre manuel

Dendromètre automatique

Ruban

135

24

2450

+ 130 cm

+ 130 cm

+ 130 cm

-

Toutes les 4 semaines

Toutes les heures

 Equipement pour suivi biogeochimiques

illustration suivi biogeochimique

Activités de recherche

Il y a trois principaux axes de recherche sur le site de Montiers : 1. Les cycles biogéochimiques de l’eau, du carbone, des éléments majeurs et traces, et la croissance hêtraie mature sur différents types de sols. Coordinateurs scientifiques : MP. Turpault (INRA de Nancy, UR INRA-1138), PO. Redon (Andra, DRD/GES).

1. Les cycles biogéochimiques de l’eau, du carbone, des éléments majeurs et traces, et la croissance hêtraie mature sur différents types de sols.
Coordinateurs scientifiques : MP. Turpault (INRA de Nancy, UR INRA-1138), PO. Redon (Andra, DRD/GES).

2. Les échanges de flux entre l’atmosphère et la canopée.
Coordinateurs scientifiques : B. Longdoz (INRA de Nancy, UR INRA-UL 1137), S. Conil (Andra, DRD/GES).

3. L’impact du type de sol sur la diversité et le fonctionnement des communautés microbiennes des sols forestiers.
Coordinateurs scientifiques : S. Uroz (INRA de Nancy, UR INRA-1138 & UMR INRA-UL 139), M. Buée (INRA de Nancy, UMR INRA-UL 1139).

Liste des projets passés et en cours :


• Amélioration des modèles de prévision de la dispersion et d’évaluation de l’impact des radionucléides au sein de l’environnement (ANR AMORAD). IRSN, Andra, Université de Pau, Université de Tsukuba, 2013-2019.
• Effet du type de sol sur les cycles biogéochimiques de l’eau et des éléments majeurs dans l’écosystème forestier. Thèse: G. Kirchen (INRA de Nancy, Andra), 2013-2016.
• Comparaison des efficiences d’utilisation de l’eau et des efficiences de production de biomasse (EPB) d’une forêt, d’une prairie et d’une culture. Thèse: L. Heid (INRA de Nancy, Andra), 2013-2016.
• Influence de la disponibilité en nutriments sur la diversité et le fonctionnement des communautés microbiennes (INABACT, Labex ARBRE). Thèse: O. Nicolitch (INRA de Nancy), 2014-2017. Post-doctorat: Y. Colin (INRA de Nancy).
• Variabilité spatiale des solutions en 18O et deuterium dans les trois stations biogéochimiques du site experimental de Montiers. Luxembourg Institute of Science & Technology, INRA de Nancy.
• Cycle du Bore dans les écosystèmes forestiers. Thèse: P. Roux (LHyGeS/Université de Strasbourg, INRA de Nancy, Andra), 2012-2015.
• Dynamique du cycle biogéochimique du sélénium dans les écosystèmes terrestres : réactivité dans les sols et rôle de la végétation. Thèse: P. di Tullo (LCABIE/IPREM/University de Pau, Andra), soutenue en 2015.
• Contribution du 36Cl au fond radiologique de l’environnement de Meuse/Haute-Marne: distribution des pools actuels et transfert entre les compartiments des écosystèmes terrestres. Thèse: J. Pupier (CEREGE/University de Aix-Marseille, Andra), soutenue en 2015.
• Effet du type de sol sur l’altération minérale dans une hêtraie : expérience de minéraux-test sur les sites de Montiers et de Breuil. INRA de Nancy, 2012-2022.
• Influence des dépôts atmosphériques particulaires sur les cycles biogéochimiques dans les écosystèmes forestiers du nord-est de la France. Thèse: Emeline Lequy (INRA de Nancy, Andra), soutenue en 2012.
• Diversité fonctionnelle et structure des communautés bactériennes et fongiques du sol le long d’un gradient de pH en forêt : approches enzymatique et métagénomique. INRA de Nancy
• Quantification du potentiel bois-énergie d’une Hêtraie française: modèle allométrique et robustesse en function de la fertilité du sol. Thèse: Astrid Genet (CIRAD, INRA de Nancy, Andra), soutenue en 2010.

 

 

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