Retombées atmosphériques

Thèse Andra 2009-2012, Emelyne Lequy, Laboratoire de Biogéochimie des Ecosystèmes Forestiers (BEF), INRA Champenoux

Influence des dépôts atmosphériques actuels sur les cycles biogéochimiques des écosystèmes forestiers du site OPE Meuse Haute Marne

Contexte

Les forêts tempérées françaises sont des écosystèmes à faibles intrants : ils sont fréquemment établis sur des sols acides et pauvres et ne sont pas, ou rarement, fertilisés. La croissance de ces écosystèmes forestiers peut être limitée par la rareté des nutriments : toutes les sources de nutriments sont donc cruciales pour la durabilité de l'écosystème forestier. Dans le modèle actuel des cycles biogéochimiques, l'altération des minéraux du sol et les dépôts atmosphériques sont les deux entrées de nutriments possibles (surtout Ca, Mg, K, Na et P). Les eaux de drainage et l'exportation de biomasse en sont les sorties (figure 1).

Cycles biogéochimiques des écosystèmes forestiersFigure 1 : Les cycles biogéochimiques des écosystèmes forestiers. Exemple de la forêt de Fougères, en Bretagne, sur cambisol (classification WRB) et roche granitique à placage limoneux.

Les dépôts atmosphériques particulaires (DAP) sont actuellement méconnus dans ces écosystèmes : ils ne sont ni étudiés ni comptabilisés dans les bilans. Or des études espagnoles et américaines ont montré une contribution significatives de ces DAP aux cycles biogéochimiques des écosystèmes forestiers et à la nutrition des arbres en Espagne (Avila et al., 1998), à Porto Rico (Pett-Ridge et al., 2009) et dans le bassin Amazonien (Swap et al., 1992). Cette thèse doit donc contribuer à mieux connaitre le rôle des DAP dans les cycles biogéochimiques des forêts tempérées françaises.

Objectifs

Cette thèse doit ainsi permettre de caractériser l'état actuel des DAP en zones forestières avant le potentiel démarrage de la construction du Centre industriel de stockage Géologique qui entrainera des manipulations importantes de matériau ainsi que la création de verses. Elle doit aussi contribuer à améliorer notre compréhension du fonctionnement actuel des écosystèmes forestiers et en particulier les cycles biogéochimiques. Ces entrées particulaires atmosphériques par dépôt sec ou humide et leurs rôles dans les cycles biogéochimiques et notamment dans la fertilisation des sols restent mal connus.

Deux grands objectifs (figure 2) ont été définis en suivant la « trajectoire » d'une « particule » (dépôt sur la canopée puis dans la litière forestière, dissolution en nutriments bio-disponibles dans la solution du sol, prélèvement par l'arbre puis immobilisation et recyclage de ces nutriments):

  • Quantifier et caractériser le dépôt atmosphérique particulaire en milieu forestier :
    • quantifier le dépôt en milieu forestier (SCF) et le comparer au dépôt hors milieu forestier (HCF) afin de déterminer l'influence de la canopée
    • caractériser ces dépôts : granulométrie, minéralogie, chimie totale et isotopie
  • Etudier le devenir des dépôts dans les cycles biogéochimiques des écosystèmes forestiers :
    • étudier les flux d'altération des minéraux composant le DAP dans la litière
    • déterminer la contribution de ce flux à la nutrition minérale des arbres.

La variation spatiale de ces résultats sera étudiée dans la hêtraie sur sol acide, choisie pour sa représentativité des écosystèmes forestiers du Nord Est de la France.

Schéma décrivant les deux axes de la thèse sur les retombées atmosphériquesFigure 2 : Les deux axes et objectifs de la thèse et les sous-études correspondantes

La thèse se focalise sur la fraction minérale des DAP, résistante à la dissolution dans l'eau de pluie, sans limite de taille (continuum allant du nano-minéral au gros cristal) et non comptabilisée actuellement dans le suivi actuel des écosystèmes forestiers :

Schéma présentant la définition des DAP étudiés au cours de la thèse

Définition des DAP étudiés au cours de la thèse : fraction minérale la plus résistante à la dissolution à l'eau de pluie

Les sites instrumentés

L'objectif est d'étudier la fraction particulaire des dépôts actuellement non comptabilisée par les sites d'observations des écosystèmes forestiers en ciblant la hêtraie sur sol acide, représentative des écosystèmes forestiers du Nord de la France. Des dispositifs de collecte ont ainsi été installés dans quatre sites d'observations possédant des données sur l'écosystème et du recul temporel (figure 3). Les dépôts sont échantillonnés simultanément hors canopée (clairière ou tour) et sous canopée. Ces sites font parties du SOERE F-ORE-T (Breuil, Fougères, Hesse, OPE/Montiers-sur-Saulx).

Carte de France des sites de prélèvements : Montiers, Hesse, Breuil-Chenue et Fougères

Figure 3 : Localisation des sites de prélèvements de la thèse

Le dispositif de captage continu comprend :

  • un collecteur de dépôt total hors couvert forestier (HCF) : entonnoir de 0.24 m² en PE surmontant un bidon de 20L en PEHD ;
  • un collecteur de pluviolessivat (SCF-PL) : gouttière de 0.24 m² en PE surmontant un bidon de 20L en PEHD ;
  • un collecteur de ruisselement de tronc (SCF-RT) : mousse en EPDM et silicone surmontant un bidon de 120 L en PE.

Résumé descriptif des collecteurs de dépôts. HCF : hors couvert forestier / SCF-PL : Sous Couvert Forestier-pluviolessivats / SCF-RT: Sous Couvert Forestier-Ruissellement de Tronc.

Ensemble de trois photos présentant différents collecteurs de dépôts.

Photographies des capteurs HCF (gauche), SCF-PL (milieu) et SCF-RT (droite).

Le dispositif de collecte de dépôt total lors d'événement a les mêmes caractéristiques que le dispositif HCF en continu (même surface de captage d'ordre de grandeur de 1m² et même matériau). Le dispositif choisi est l'assemblage de quatre collecteurs "HCF", d'une surface totale de 0.98 m², reliés sur un support muni d'un entonnoir connecté à une bonbonne de collecte identique aux collecteurs HCF et SCF-G.

Photo représentant un capteur d'événementsCapteur d'événements sur le site OPE de Montiers-sur-Saulx

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