Báo cáo khoa học: " Effet d’un amendement calco-magnésien associé ou non à une fertilisation, sur le cycle biogéochimique des éléments nutritifs dans une plantation d’épicéa commun (Picea abies Karst) dépérissante dans les Vosges"

Chia sẻ: Nguyễn Minh Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:21

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Nội dung Text: Báo cáo khoa học: " Effet d’un amendement calco-magnésien associé ou non à une fertilisation, sur le cycle biogéochimique des éléments nutritifs dans une plantation d’épicéa commun (Picea abies Karst) dépérissante dans les Vosges"

Article original Effet d’un amendement calco-magnésien associé ou non à une fertilisation, sur le cycle biogéochimique des éléments nutritifs dans une plantation d’épicéa commun (Picea abies Karst) dépérissante dans les Vosges D Mohamed Ahamed, D Gelhaye J Ranger, Champenoux, France 54280 INRA, centre de Nancy, équipe Cycles biogéochimiques, juillet 1993; accepté le 29 novembre 1993) (Recu le 12 dépérissement forestier des années 1980 a montré la complexité des interactions Résumé — Le paramètres biologiques, édaphiques, climatiques et sylvicoles. Le rôle du paramètre édaphique entre les a été testé par des expériences de fertilisation in situ qui ont montré à la fois les causes de certains dépé- rissements observés sur épicéa commun (Picea abies Karst) dans les Vosges et l’efficacité du remède. Le chaulage associé ou non à une fertilisation complète (NPK) produit dans un délai de 2 ans un reverdissement et une refoliation efficace d’arbres très atteints. Une étude quantitative approfondie du fonctionnement minéral d’un écosystème ayant réagi favorablement à un tel amendement calcaire a été entreprise en 1988 dans les Vosges (col du Bonhomme). Le sol du peuplement témoin est très acide et montre un fonctionnement géochimique dominé par le nitrate et l’aluminium. Le sol s’acidifie et ne neutralise pas les protons d’origine interne ou externe (apports atmosphériques) ; cette acidité n’est neu- tralisée que très profondément dans le sous-sol et le ruisseau drainant le bassin versant est neutre. Les bilans entrées-sorties, malgré leur limite, montrent pour tous les pas de temps un déficit permanent de l’écosystème en Mg, élément mis en cause dans le dépérissement. Le chaulage neutralise l’acidité (en particulier aluminique) et améliore la nutrition en Ca et Mg des arbres ; il conduit également à une dimi- nution des nitrates dans les eaux gravitaires. L’addition de fertilisants qui n’améliore pas l’état sanitaire des arbres et qui conduit à une accélération de la déperdition des cations apportés par l’amende- ment ne semble pas opportun dans cet écosystème. Le rôle du paramètre édaphique dans le dépé- rissement forestier est très clairement mis en évidence dans cette expérimentation. Picea abies Karst / acidification des sols / solutions du sol / bilan minéral / écosystème 1 dépé- rissement / amendement / fertilisation Summary— Effect of liming and its association with fertilization on the biogeochemical cycle of nutrients in a declining spruce stand (Picea abies Karst) in the Vosges (France). The forest decline observed in the 1980s showed a complex interaction between biological, edaphic, climatic and silvicultural parameters. The effects of the edaphic constraints were studied using in situ fertilization experiments, which demonstrated both the origin of some of the forest decline symptoms observed on
spruce stands (Picea abies Karst) in the Vosges and the efficiency of the treatments applied. Liming restored the green growth and foliation of severely declining trees within 2 years independently of whether it was associated with complete fertilization (NPK). A detailed quantitative study of the mine- ral function of a spruce ecosystem which reacted positively to liming was set up in an experiment situated at Le Col du Bonhomme (Vosges). The soil is very acidic and its current geochemistry is dominated by nitrate and aluminium. Acidification is still an active process and the soil cannot neutralize acidity from external (atmospheric input) or internal origins. This acidity must be neutralized at depth in the sub-soil since the water in the catchment stream is neutral. Input-output budgets, even if they were not very accurate, always showed a Mg deficit whatever the time-scale considered (seasonal, yearly or over several years). This element is often cited as the cause of forest decline. Liming neutralized the soil acidity, particularly its Al component, and increased the Ca and Mg tree nutrition of the trees; nitrates decreased in the gravitational solutions of the liming treatment. Addition of fertilizers to liming, which did not clearly increase tree health and accelerated the depletion of Ca and Mg caused by liming, did not seem suitable in this situation. This experiment demonstrates clearly the role of edaphic parameters in this particular case of forest decline. Picea abies Karst / soil acidification / soil solutions / nutrient balance / ecosystem / forest decline / liming/ fertilization INTRODUCTION nutritionnelles dans le dépérisse- carences (Bonneau et al, 1992). ment Les résultats présentés ici concernent En France, le dépérissement forestier a été une de ces expériences dans laquelle l’amé- observé pour la première fois en 1983. Les lioration de l’état de santé des peuplements principales essences affectées furent le a été très nette. Un dispositif permanent sapin (Abies alba Miller) et l’épicéa com- d’étude du fonctionnement de l’écosystème mun (Picea abies Karst), en particulier dans a été installé avec les objectifs suivants: i) les hautes altitudes et sur les sols les plus caractériser les conditions édaphiques de pauvres. Les principaux symptômes décrits l’écosystème; ii) identifer et quantifier les très précisément par Bonneau et Fricker modifications induites par les traitements; (1985), puis Bonneau et Landmann (1988), et iii) préciser les relations entre les para- consistent en une défoliation et un jaunis- mètres nutritionnels et l’état sanitaire des sement total des aiguilles de 2 ans et plus. peuplements. Ce dépérissement a des origines com- plexes, avec une interaction de causes cli- matiques, édaphiques, biologiques et syl- MATÉRIEL MÉTHODES ET vicoles. Au plan édaphique, le dépérissement est Le site d’étude est situé en forêt communale de largement associé à des carences nutri- Plainfaing (Vosges) à proximité du col du Bon- tionnelles, en particulier magnésiennes. Des homme. L’altitude est de 1 100 m, le climat est de expérimentations ont donc été conçues pour type montagnard à influence océanique (tempé- apporter les éléments déficients et neutra- rature moyenne annuelle : 5°C, pluviométrie moyenne annuelle : 1 550 mm). liser en partie l’acidité du sol. En 1985, une série de traitements de chaulage associés La roche mère du sol est le granite leucocrate acide du Valtin, dont la composition minéralo- ou non à des fertilisations ont été mis en gique a été décrite par Hameurt (1967) : 36% de place dans les Vosges sur des peuplements quartz, 55% de feldspaths (33% de feldspaths de sapin et d’épicéa commun dépérissants. potassiques et 22% de plagioclases) et 6% de L’objectif était à la fois de revitaliser les peu- micas (3,5% de biotite et 2,5% de muscovite). plements et de démontrer le rôle des Les réserves totales en «bases» de ce granite
pour les solutions du sol, de 9 mini-lysimètres sont très limitées : 0,36% de MgO et 0,7% de - CaO. tension de 40 x 4 cm introduits sous l’horizon sans holorganique, et de 3 plaques lysimétriques, sans Le sol est de type podzolique avec un humus tension, de 40 x 30 cm en polyéthylène, insérées de type moder. La texture de la terre fine est à 15, 30 et 60 cm de profondeur. sableuse, les éléments grossiers sont abondants, le drainage interne est rapide. C’est un sol acide Quatre plaques lysimétriques ont été insérées (pH 3,4 en A et 4,4 en C), très fortement désa- à 1,20 m de profondeur (en deçà de la zone raci- 1 = turé, où les «bases» échangeables occupent naire) dans le traitement témoin. Les eaux d’une moins de 10% de la garniture ionique du com- et d’un ruisseau du bassin versant ont source plexe d’échange (tableau I). également été échantillonnées. Les traitements de chaulage simple (traite- Le suivi lysimétrique a été effectué par des ment CaMg) ou associé à une fertilisation (trai- prélèvements mensuels pendant 3 ans, de tements NPKCaMg) ont été apportés à la sur- décembre 1988 à décembre 1991. face du sol à l’automne 1985 (tableau II). Il s’agit Le peuplement est une deuxième génération d’une expérience sans répétition des traitements, d’épicéa commun (Picea abies Karst) de 70 ans, mais reproduite dans plusieurs situations dans planté après la coupe suite à un chablis d’un peu- les Vosges (Bonneau et al, 1992). plement pratiquement de même nature (l’amé- Cinq profils de sols de chaque traitement ont nagement forestier signale un certain mélange été prélevés et analysés indépendamment (C, avec du sapin), lui-même introduit sur un recrû N, pH, CEC et garniture ionique du complexe forestier succédant à une lande parcourue. d’échange) ou pour un échantillon moyen (gra- Une évaluation de la biomasse et de l’immo- nulométrie, éléments totaux, éléments libres). bilisation minérale du peuplement a été effectuée Le dispositif de récolte des solutions a été ins- à partir d’un échantillon de 4 arbres choisis indé- tallé pendant l’été 1988 dans 3 des traitements de pendamment des traitements, considérant que l’expérience, le témoin, le chaulage (traitement ces derniers appliqués depuis 5 ans ne pouvaient CaMg) et le chaulage associé à une fertilisation avoir d’influence significative sur la concentration (traitement NPKCaMg). Il s’agit : moyenne des compartiments ligneux pris en compte dans le calcul de l’immobilisation. pour les apports atmosphériques de 2 pluvio- - mètres situés sur une tour de 12 m dans une clai- Les restitutions par les litières ont été éva- rière proche du peuplement, et par traitement ; luées pendant les 3 années de l’étude, à partir de 20 bacs rectangulaires de 45 x 30 cm disposés de 4 pour les gouttières de pluviolessivats 2 x - régulièrement sur 2 transects dans chacun des 0,09 m; traitements. pour le ruissellement de troncs de 5 «colliers» - Les analyses de sols ont été réalisées confor- ceinturant les arbres représentatifs des diffé- mément aux protocoles définis par Bonneau et rentes classes de diamètre ;
d’un bilan hydrique théorique puisque les don- nées mesurées par les plaques ne peuvent être directement utilisées. Le drainage est calculé par l’équation générale décrite par Aussenac (1975): P - In- ETR ± Δs Drainage (mm) = Avec P précipitation incidente; In intercep- = = tion par les cimes ; ETR evapo-transpiration = réelle ; Δs variation de la réserve hydrique du sol = (évaluée à partir des courbes pF-humidité, éta- blies en utilisant la méthode de Richards (1947). Cependant, P - In dans l’équation ci-dessus a été remplacé par le pluviolessivage total (égout- tements des cimes + écoulements de tronc), parce qu’une estimation satisfaisante de ces para- mètres est difficile à obtenir par mesure directe. Les données de l’évapo-transpiration potentielle (ETP Penman) utilisées pour le site du Bon- homme, ont été mesurées à Aubure (Granier, 1990, données non publiées), les conditions éco- Souchier (1979), en utilisant en particulier la logiques entre le site du Bonhomme et celui d’Au- méthode de Rouiller et al (1980). pour déterminer bure étant voisines. Le passage à l’ETR (évapo- la capacité d’échange cationique (CEC) et la gar- transpiration réelle) nécessite la mesure de la niture ionique du complexe adsorbant au pH du transpiration du peuplement et celle de l’évapo- sol. ration directe. Les résultats obtenus sur le site voisin d’Aubure (Granier, 1990, données non Les analyses des solutions ont été réalisées publiées) ont été utilisés: la transpiration par le par spectrophotométrie ICP (Si, Al, Fe, Ca, K, Na, peuplement et l’évaporation directe à partir du Mg, Mn, P et S) ou par colorimétrie (NH NO ,, +- 43 sol ont donc été estimées respectivement à 35% Cl après filtration à 0,45μ des solutions brutes. ) - et 5% de l’ETP Penman. Afin d’effectuer un bilan Les analyses de végétaux ont été réalisées par horizon, nous avons fait l’hypothèse que le après minéralisation par voie humide par spec- peuplement prélevait l’eau au prorata de la den- trophotométrie ICP (P, K, Ca, Mg, Mn, S et Al) sité radiculaire des arbres: 60% de l’eau sont ou par colorimétrie (N total). supposés être prélevés entre 0-15 cm, 20% pour Le calcul du bilan entrées-sorties de l’éco- chacun des niveaux 15-30 et 30-60 cm. Pendant système a été effectué à partir des données sui- les mois d’hiver, quand la température moyenne vantes. est ≤ 0, l’évapo-transpiration (ETR) est considé- rée comme nulle. Les apports atmosphériques sont évalués en - considérant que 100% de N, S, Na, Cl , Al et Fe, est donc la sui- L’équation de bilan hydrique 80% de Ca, 50% de Mg et 10% de K et Mn mesu- vante: rés dans les pluviolessivats nets (éléments des pluviolessivats bruts - éléments de la pluie inci- Drainage (mm) pluviolessivage total - ETR ± ΔS = dente) ont une origine atmosphérique (dépôts secs), le reste constitue la récrétion (lixiviation des éléments des cellules végétales par les eaux RÉSULTATS ET DISCUSSION de pluie) (Probst et al, 1990a). Les entrées par altération sont évaluées par - calcul complexe détaillé par Bonneau et al un Effets des traitements (1992). les peuplements sur Les immobilisations sont évaluées à partir des - calculs de minéralomasse. Le peuplement se caractérise par une mau- Les pertes par drainage sont évaluées à partir - vaise venue et une faible production en liai- des concentrations mesurées des solutions et
La nutrition des arbres en ces éléments s’est sol pauvre et une situation d’al- son avec un considérablement améliorée dans les 2 trai- titude en zone de crête : la hauteur moyenne tements (de 0,30 à 0,45% en Ca et de 0,09 d’environ 20 m à 70 ans le place dans la à 0,11 % en Mg dans les 2 traitements CaMg classe 5 de la table de production de l’épicéa et NPKCaMg) ; la nutrition en N et K a peu commun dans le nord-est de la France de Decourt (1973). Les arbres présentent sou- évolué et celle en P s’est améliorée dans le traitement NPKCaMg. Bonneau (1993) vent des doubles cimes dues au givre. fait le point sur cet aspect pour l’ensemble En 1986, l’état sanitaire des peuplements des peuplements de sapin et d’épicéa com- était caractérisé par un niveau de jaunisse- mun traités dans les Vosges. ment moyen compris entre 25 et 50% et un taux moyen de défoliation voisin de 40%. La biomasse totale ligneuse sur pied de La revitalisation a été très importante et très 200 t ha est faible si on la compare aux -1 rapide puisque les symptômes de dépéris- 400 t ha de la pessière bienvenante de -1 sement avaient nettement régréssé 2 ans Gemaingoutte (Vosges), située cependant après l’application des traitements et qu’ils à 650 m d’altitude (Ranger et al, 1992). La ont pratiquement disparu au bout de 5 ans. production moyenne des peuplements est L’état sanitaire du peuplement témoin fluc- faible et de l’ordre de 6 m L’effet . .an -1 .ha 3 tue au cours du temps mais reste toujours des traitements est limité sur la production, très mauvais (tableau III). avec une amélioration sensible sur l’ac- croissement en circonférence (C pour ) 130 Les analyses foliaires (non présentées) le peuplement chaulé (CaMg). Compte tenu indiquent un niveau critique d’alimentation de la précision des mesures de circonfé- en Ca (de 0,15 à 0,30% en fonction des rence, on ne peut évaluer que grossière- années) et une carence en Mg (de 0,04 à ment cette augmentation de production. 0,06%) des arbres du peuplement témoin.
Dans le traitement CaMg on peut estimer Deromé et Pätilä (1990). Selon Nömmick l’augmentation de croissance à 1,5 à (1979), la minéralisation des litières aug- 2 m ce qui est assez faible en , .an -1 .ha 3 mente avec le chaulage quand le C/N de la valeur absolue mais élevé en valeur relative couche F/H est inférieur à 30, l’inverse est (Bonneau, communication personnelle). Une observé quand ce C/N devient supérieur à étude plus précise, comme celle réalisée 30. Cette règle semble cependant souffrir sur sapin par Lebourgeois (1991), va être des exceptions (Anderson et Persson, 1988). effectuée sur les essais vosgiens, de façon Les résultats présentés au tableau V à préciser les effets des traitements sur la montrent que les effets du chaulage sont production. Belkacem et al (1992) ont évalué majoritairement et significativement limités à 20% le gain de production de biomasse à la surface du sol (Mohamed, 1992 ; Moha- après chaulage d’un peuplement d’épicéa med et al, 1993). L’hétérogénéité des sols de 60 ans dans les Ardennes primaires. est partiellement en cause dans ce résul- Les restitutions par les litières sont les tat. Ces effets sont classiques: augmentation plus élevées dans le traitement témoin qui du pH, des teneurs en Ca et Mg dimi- ., éch éch perd toujours plus d’aiguilles que les peu- nution de l’acidité d’échange et en particulier plements traités ; ces derniers étant en phase de Al La resaturation du sol en Ca est . éch de reconstitution de leur masse foliaire. plus limitée aux horizons superficiels que celle en Mg ; elle pourrait avoir comme ori- Une évaluation du prélèvement indique gine l’affinité relative de ces ions pour les efficience médiocre des éléments nutri- une anions organiques (Derome et Pätilä, 1990 ; tifs et une faible différence entre les traite- Kinniburgh et al, 1976). On observe égale- (tableau IV). ments ment que K est significativement plus faible dans les horizons de surface des traitements que dans celui du témoin. Ce phénomène Effets des traitements les sols sur observé par Curtin et Smillie (1983) et Mes- sick et al (1984) dans des expériences de En ce qui concerne l’humus, le chaulage a chaulage pourrait se traduire négativement provoqué une évolution très visible mor- sur la nutrition potassique des arbres. phologiquement ; l’amélioration est notable, Le traitement NPKCaMg a apparemment du moder dans le témoin, l’humus évolue des effets moindres sur la neutralisation de vers le moder-mull dans le traitement CaMg l’acidité et sur la resaturation en Ca et Mg du et vers le mull oligotrophe dans le traite- sol que le chaulage seul. Cette différence ment NPKCaMg (observations après 4 ans pourrait avoir pour origine un «effet anion» : d’application des traitements). Cela se tra- , - 2- -34 Cl NO SO apportés par les fertili- , duit par une diminution notable de l’épais- sants auraient servi ou servent encore de de la litière fraîche et de la couche H seur vecteur à la migration profonde des cations (déjections), ainsi que par une apparition les plus mobiles. Il apparaît que Mg est plus de structure d’origine biologique dans l’ho- mobile que Ca dans ce contexte physico- rizon A En revanche, le rapport C/N des . 1 chimique. Derome (1988) signale la désorp- humus, qui rend compte de la disponibilité tion préférentielle de Mg dans des sols de de l’azote a peu évolué dans les traitements. Finlande en voie d’acidification. Les données bibliographiques de l’effet du chaulage sur la minéralisation de l’azote La pénétration relativement profonde des organique sont très variables, voire contra- cations Ca et Mg dans le sol des 2 traite- dictoires : effets positifs selon Siebt et Wit- ments, par rapport à ce qui est habituelle- tich (1997) et Schierl et Kreutzer (1989) ou ment rapporté dans la littérature (Matzer et négatifs selon Matzner et al (1985) et al, 1985 ; Anderson et Persson, 1988 ;
organo-minéraux, puis elle dimi- horizons Derome et Pätilä, 1990 ; Matzner et Meiwes, progressivement des horizons organo- 1990), peut s’expliquer par l’utilisation de nue produits solubles (cf teneur en CaO et MgO minéraux jusqu’au ruisseau. On observe dans le tableau II). que le déficit de charge des balances ioniques est le plus important dans les hori- zons riches en matière organique. Une rela- Éléments dans les solutions ; tion significative existe entre le déficit ionique aspect qualitatif des solutions gravitaires et le C total des org horizons correspondants (r =0,85, n 12); = cette relation tend à montrer que la partici- Transfert dans les solutions gravitaires pation des acides organiques à l’équilibre Données moyennes ionique des solutions gravitaires serait de pour les 3 années d’observation l’ordre de 20% en moyenne. Les traitements et en particulier le traitement CaMg ont ten- La charge ionique des solutions augmente dance à réduire la charge ionique des solu- schématiquement de manière importante tions gravitaires du sol (tableau VI). depuis les pluies jusqu’aux percolats des
Les précipitations incidentes ont une Dans le traitement témoin, les pluvioles- composition chimique dominée par SO , 2- 4 sivats sl (lessivage des cimes et ruisselle- ment de troncs) sont notablement enrichis N (55% de NO et 45% de N-NH H 4+ ), + - 3 4,52) et divers cations, Ca , 2+ en tous éléments par rapport aux pluies inci- (pH moyen = 2+ Mg et K+. Ces concentrations ont peu dentes, principalement par dépôt sec (cas de N, S, Ca) et par lixiviation des éléments varié pendant les 3 années d’observation ; des cellules végétales (cas de K, Mn et Mg). les apports sont légèrement plus élevés au Leur pH a considérablement baissé par rap- printemps et en été que pendant le reste port aux pluies incidentes (pH 4,1 dans de l’année. = le pluviolessivat de cime et 3,7 dans le ruis- Les modifications des concentrations sellement de tronc). moyennes des solutions sur les 3 années Dans l’horizon holorganique, les solu- d’observation, au cours de leur transfert tions s’enrichissent à nouveau en particu- dans l’écosystème, sont résumées au lier en N-NO Ca et H À 15 cm de pro- 3 2+ + . , - tableau VII et illustrées par la figure 1.
intéressante (r =0,96, n 34; r =0,67, n fondeur, N-NO Al et H augmentent 3 3+ + , - = = 36 ; et r = 0,75, n = 28 à 15, 30 et 60 cm fortement tandis qu’à 30 cm ces mêmes de profondeur respectivement). Malgré leur ions décroissent de manière très importante. fluctuation importante au cours de leur trans- 3 3+ N-NO et Al augmentent à nouveau à - fert dans le sol, ces éléments dominent le 60 cm. chimisme des solutions gravitaires dans Les solutions sont très acides (pH tous les horizons. Compte tenu du pH, une moyen 3,78 à 15 cm et 4,25 à 60 cm), = part importante de l’aluminium est sous riches en Al et pauvres en Ca et Mg 3+ 2+ 2+ ; forme Al de plus, seulement 20% de cet ; 3+ Cl semble transféré sans changement dans - Al est complexé par la matière organique les divers horizons et SO prend une 2- 4 (déterminé par la méthode de Driscoll, importance relative quand la concentration 1984). en N-NO diminue à la base du profil. - 3 Les solutions récoltées à la base du sol des cations sont et l a majorité - 3 N-NO sont acides et ne se neutralisent que dans positivement corrélés, mais, compte tenu le sous-sol. Cette acidité est neutralisée de la valeur absolue des concentrations, la progressivement dans l’arène granitique corrélation entre N-NO et Al est la plus 3 3+ - puisque les plaques lysimétriques installées
l’électroneutralité de la solution est réalisée qui concerne les cations essentielle- en ce ment par Ca et Mg. Les eaux du ruisseau drainant le bassin versant sont très faiblement acides (pH = 5,7) et leur concentration en tous éléments baissé par rapport aux eaux de source. a En valeur absolue, elles recèlent des teneurs en sulfates et nitrates et une aci- dité relativement élevées traduisant un bas- sin versant ayant des difficultés à neutraliser l’acidité du système comme c’est souvent le cas sur les roches mères acides des Vosges (Probst et al, 1990b). les solutions L’effet des traitements sur gravitaires figure également au tableau VII et à la figure 1. On n’observe que peu de différences significatives entre les compositions chi- miques des pluviolessivats des traitements et du témoin ; c’est cependant le cas pour , 2+ + - Ca K et Cl du traitement CaMg qui se singuralise par les valeurs les plus faibles en ces éléments. La récrétion, serait la plus élevée dans le traitement témoin dépéris- sant, ce qui peut s’expliquer par une plus forte perméabilité cuticulaire dans ce trai- tement. Dans les eaux gravitaires du sol du trai- tement CaMg, les concentrations de N-NO, - 3 4 3+ + SO Al et H diminuent considérable- , 2- ment par rapport au témoin ; à l’opposé celles de Ca et Mg augmentent nette- 2+ 2+ ment. Le pH des solutions reste malgré tout à 1,20 m de profondeur fournissent des fortement acide (4,0 et 4,5 respectivement solutions encore acides (pH 4,4) et de = à 15 et 60 cm de profondeur) et l’acidité du composition peu différente de celle observée système (quelle qu’en soit l’origine) n’est pas à 60 cm de profondeur. neutralisée dans le sol. Le rôle de l’ion nitrate Les eaux de source sont faiblement diminué par rapport à ce qu’il était dans a acides (pH moyen 5,2), elles sont encore = le traitement témoin bien que les corréla- relativement chargées en nitrates (qui a tions entre nitrates et cations restent supé- cependant diminué de moitié par rapport à rieures à celles entre sulfates et cations. 60 cm) mais très appauvries en aluminium. NPKCaMg a le même effet Le traitement La neutralisation de l’acidité s’est faite aux relatif, mais les concentrations en N-NO , - 3 dépens des minéraux altérables de l’arène 2+ Ca et Mg y sont plus élevées que dans 2+ libérant Al, Ca et Mg. Al est insolubilisé le traitement CaMg. compte tenu du pH : dans ces conditions
Les 2 traitements neutralisent très signi- solutions. On peut faire l’hypothèse que l’on ficativement l’acidité de la solution du sol a observé un flux exceptionnel de nitrates lié à la minéralisation des chutes abondantes (et en particulier sa composante aluminique) de litière après la défoliation des années se trouve enrichie en cations basiques qui par rapport à la solution du sol témoin. Les 980. La relative amélioration naturelle des peuplements concourt également à la dimi- modifications sont nettes sur tout le profil nution de la concentration des nitrates en de sol. solution, ceux-ci étant absorbés en plus Le chaulage semble réduire la nitrification grande quantité par les arbres. Ces ten- nette ; l’association d’une fertilization aurait dances singulières ne sont pas exception- réactivé le cycle de l’azote. En effet, les nelles sur de telles durées d’observation ; les teneurs en N-NO observées dans le trai- - 3 rares études portant sur plus de 15 ans d’ob- tement NPKCaMg peuvent difficilement être servation (Driscoll et al, 1989) permettent attribuées à l’effet direct des fertilisants azo- de le vérifier. tés solubles apportés plusieurs années auparavant. Dans ce traitement, le flux de Variabilité saisonnière nitrate entraîne une forte lixiviation de Mg . 2+ de la concentration ionique des solutions Le chimisme des solutions gravitaires Elle peut être liée à plusieurs facteurs : passe d’une dominance ionique N- la variabilité des apports atmosphériques 3+ /Al - 3 NO dans le témoin à une dominance - qui tendent sur la période considérée à être 3 3+ N-NO et Al dans le traitement 2+ /Mg - plus faibles en hiver ; quelques variations CaMg et N-NO / Mg et Ca dans le 3 2+ 2+ - singulières ont été enregistrées, comme par traitement NPKCaMg. exemple les apports élevés du printemps 1991 ; Variabilité interannuelle de la concentration ionique des solutions la variation de la minéralisation au cours - de l’année, qui se traduit par une augmen- L’observation la plus remarquable concerne tation des concentrations pendant la saison la décroissance importante de la concen- de végétation, particulièrement nette sous tration des solutions gravitaires en N-NO - 3 les horizons holorganiques ; au cours des 3 années d’observation. Cette le prélèvement par la végétation ; - décroissance est la plus nette dans le témoin où elle est significativement corré- les fluctuations des paramètres clima- - lée à la diminution de la concentration en tiques (pluviométrie et température) qui peu- 3+ Al (fig 2a) ; dans les 2 parcelles traitées, vent se traduire par des phénomènes de dilution/concentration ou des variations dans elle est corrélée à la diminution de concen- la vitesse de minéralisation. tration en Mg (fig 2b). 2+ la vitalité du peuplement influe sur le pré- L’origine de cette décroissance de la - lèvement à la fois par la quantité prélevée et concentration en nitrates n’est pas liée aux la durée du prélèvement dans le temps ; apports atmosphériques beaucoup moins les arbres revitalisés tendraient à prélever concentrés et plus ou moins constants au plus longtemps en automne. cours de la période d’observation. Il semble difficile d’admettre comme explication le La concentration des eaux gravitaires seul effet d’un artefact lié au système expé- est le résultat net de l’interaction entre ces rimental. Celui-ci n’a pas conduit à des ten- facteurs dont l’effet individuel ne pourra pas dances similaires dans d’autres situations, être identifié facilement dans ce type d’ap- de plus un délai de 6 mois a été respecté proche. De plus, les eaux gravitaires n’ont entre l’installation et la première collecte de pas strictement la même composition que
les solutions «capillaires» qui résultent de mesure où des incerti- tendances, dans la réactions tendant vers l’équilibre et autori- tudes importantes existent sur l’évaluation sant une meilleure identification du fonc- des termes du bilan. Les plus fortes incerti- tionnement du sol et de la qualité des solu- tudes résident sur le bilan hydrique mais tions à partir desquelles les arbres surtout sur le flux d’altération que l’on ne s’alimentent (Ranger et al, 1993). sait pas mesurer de manière indépendante et qui ne peut qu’être évalué. Dans ce site acide les fluctuations sai- sonnières des concentrations en nitrates Le tableau VIII donne une évaluation des eaux gravitaires soulèvent les pro- moyenne sur 3 ans des flux traversant l’éco- blèmes suivants, centrés sur le fonctionne- système. Les apports atmosphériques ment du cycle de l’azote qu’il sera néces- totaux sont calculés à partir des pluvioles- saire d’étudier en détail : sivats et les pertes par drainage sont direc- tement issues des concentrations obser- Les concentrations élevées des nitrates - vées et du drainage théorique (cf Matériel et hiver résultent-elles d’une minéralisation en méthodes). hivernale importante ou d’un simple déstoc- kage à partir du compartiment capillaire ? La décroissance systématique des teneurs Les bilans annuels - à 30 cm de profondeur en hiver, c’est-à-dire en dehors de tout prélèvement, résulte- Les bilans moyens pour les 3 années t- elle d’une réorganisation microbienne avec d’observation (tableau IX) ou sans transfert sous forme organique, Dans le témoin, le bilan des élements d’une perte par dénitrification ou de phéno- majeurs de la fertilité minérale du sol est mènes purement physiques d’échanges négatif, si on excepte le potassium. entre compartiments gravitaires ou capil- Dans le traitement CaMg on a la même laires ? tendance relative, cependant les bilans de Les teneurs à 60 cm de profondeur ont- - Mg et Ca sont plus fortement déficitaires elles pour origine une minéralisation locale que dans le témoin. de la matière organique en déséquilibre Dans le traitement NPKCaMg, tous les dans l’écosystème actuel ou un transfert éléments (sauf K) sont déficitaires ; les défi- des horizons superficiels ? Mg, Ca ont fortement augmenté par cits de rapport au traitement CaMg et a fortiori par rapport au témoin. Le bilan de K y est le Les bilans entrées-sorties moins nettement positif. d’éléments nutritifs établis dans les différents traitements, Variabilité interannuelle à l’échelle de l’écosystème des bilans entrées-sorties (tableau IX) Dans le traitement témoin, le bilan d’azote Ces bilans sont établis à partir des données fut très déficitaire en 1989, mais est devenu de flux d’apports (altération des minéraux excédentaire en 1990 et 1991. Le bilan de de réserve, apports atmosphériques totaux) Ca déficitaire en 1989 et 1990 est devenu et de pertes (immobilisation dans la bio- excédentaire en 1991, celui de Mg est resté masse, drainage au-delà de la zone radi- culaire) (Ranger et Bonneau, 1986). La com- constamment déficitaire avec certes une diminution du déficit au cours du temps. paraison des entrées et des sorties permet de juger l’état d’équilibre actuel de l’éco- Une corrélation évidente existe entre le défi- système. Ces bilans n’indiquent que des cit du bilan azoté et celui des cations.
Ces tendances générales s’observent éga- apports atmosphériques servent essen- lement dans les 2 traitements; tiellement à nourrir le drainage profond (cela est particulièrement net pour Ca). Le sol se désature en Mg pendant cette Les bilans entrées-sorties «saisonniers» période, tandis que la tendance est plutôt à une resaturation, légère pour Ca et plus Les bilans saisonniers moyens nette pour K. Pendant la saison de végé- Ils’agit en fait de comparer les bilans établis tation, les bilans de Mg, Ca, S et N sont pendant et hors période de végétation négatifs, seul le bilan de K est positif ; les (tableau X). apports externes sont largement utilisés Dans le témoin, pendant la dormance, par les peuplements. Le prélèvement des les bilans de N, S et Mg sont déficitaires, arbres est le facteur principal de déficit du de Ca sont excédentaires. Les bilan. ceux
de jouer ce rôle. Le bilan de Mg reste tou- Dans les traitements, les mêmes ten- jours négatif dans le témoin. dances sont observées ; les bilans de Ca et Mg sont plus négatifs que dans le témoin pour les 2 périodes. Les bilans de Mg sont CONCLUSIONS plus négatifs que ceux de Ca pendant la saison de repos végétatif quand N-NO - 3 n’est pas absorbé par les arbres. L’addition Le sol de l’écosystème non traité est carac- de fertilisants accroît le déficit de Mg. térisé par une désaturation profonde du complexe absorbant et une forte acidité des solutions. Le fonctionnement actuel se tra- La variabilité interannuelle duit d’ailleurs par une acidification toujours des bilans saisonniers active, sous l’influence, en particulier, du cycle de l’azote. L’origine des nitrates est En 1989, dans le traitement témoin, les défi- mixte, externe, via les apports atmosphé- cits sont les plus élevés en période de repos riques, mais surtout interne, malgré le pédo- végétatif pour N, S, Ca et Mg seul K montre climat fortement acide (pH 3,25 en A ). 1 eau = un bilan positif ; les mêmes tendances rela- Il est probable que la défoliation observée au tives s’observent dans les traitements CaMg début des années 1980 a provoqué un flux et NPKCaMg avec cependant des pertes exceptionnel de minéralisation, mais il est plus élevées que dans le témoin en Ca et également possible que la matière orga- Mg. nique du sol ne soit pas en équilibre avec le En 1990, dans le traitement témoin, le peuplement actuel. La production d’azote bilan de N devient positif pendant la période minéral dans les horizons profonds semble de repos végétatif, le bilan de S reste néga- en être une preuve. N-NO et Al domi- 3 3+ - tif et le déficit des bilans de Ca et Mg dimi- nent la chimie des solutions gravitaires où la nue très fortement. La même tendance rela- participation des anions organiques reste tive s’observe dans les traitements pendant limitée (Mohamed, 1992). On remarque cette période. Les variations par rapport à d’ailleurs que le fonctionnement actuel du 1989 sont beaucoup moins nettes pendant sol n’est pas classique pour un sol de la la saison de végétation quel que soit le trai- série podzolique. tement considéré. Le sol ne neutralise pas complètement En 1991, la réduction des déficits pen- l’acidité du milieu, ce qui n’est réalisé que dant la période de repos végétatif s’accen- dans l’arène profonde comme c’est le cas tue, le bilan de N devient positif dans le dans d’autres sites acides des Vosges. Le témoin, les bilans de Mg et S restent néga- front d’acidification est situé relativement pro- tifs. La même tendance relative existe dans fondément dans le sous-sol puisqu’à 1,20 m les traitements où les bilans de Ca et Mg les solutions sont toujours fortement acides. restent cependant assez nettement néga- Malgré la relative imprécision des bilans, tifs. Pendant la période de végétation, la les grandes tendances du fonctionnement variation des bilans par rapport à la de cet écosystème sont caractérisées par moyenne est beaucoup plus limitée. une désaturation permanente en ce qui Au total, ce sont les variations du bilan de concerne Mg, qui est clairement l’élément N et en particulier la tendance à la réduction nutritif limitant. Les fluctuations du cycle de du déficit en cet élément qui orientent celles l’azote se répercutent directement sur le du bilan des cations Mg et Ca ; le rôle de bilan de cations, et peuvent conduire cer- S est moins net mais cet élément est le vec- taines années à un déficit en Ca. Les bilans teur potentiel des cations quand N cesse saisonniers montrent très clairement que
Quel que soit le traitement, la réponse les apports atmosphériques ne sont utiles au peuplements au chaulage est très favo- des peuplement que lorsqu’ils sont apportés rable ; il améliore la disponibilité pour les pendant la saison de végétation, ce qui avait plantes des éléments nutritifs majeurs dans déjà été mis en évidence par Bonneau et les solutions et sur la phase solide, et il dimi- al (1991). nue le rôle toxique que peut avoir l’alumi- L’effet du chaulage est classique : il amé- le montre l’évolution de la nium, comme liore la disponibilité de Ca et Mg et il dimi- rapports Ca/Al et Mg/Al, dont valeur des nue celle d’Al, toxique pour la végétation. l’augmentation de valeur ne peut être que Ces observations sont valables pour la phase favorable (Huttermann et Ulrich, 1984 ; solide et les solutions. La solubilité d’une par- Matzner et al, 1988). tie des produits employés dans cette mani- L’amélioration de l’état sanitaire du peu- pulation conduit à une migration de Ca limi- plement ne se traduit pas dans cet écosys- tée aux 20 premiers centimètres du sol, mais tème par une augmentation très importante plus importante pour Mg, qui paraît beau- de la croissance des arbres ; les mesures de coup plus mobile que Ca dans ce contexte. circonférences (qui restent imprécises) indi- Le chaulage conduit à une diminution des quent que seul le traitement CaMg montre teneurs en nitrates des eaux gravitaires qui une augmentation de croissance. Ce point semble indiquer une inhibition de la nitrifica- important qui peut in fine justitier économi- tion. Un travail complémentaire prenant en quement le chaulage va être étudié sur l’en- compte les eaux capillaires a conduit à modu- semble des traitements vosgiens. L’amé- ler cette affirmation (Ranger et al, 1993). lioration du statut nutritif des arbres traités L’addition de fertilisants au chaulage devrait, de plus, les rendre moins sensibles conduit à une stimulation du cycle de l’azote à de nouveaux stress, climatiques en parti- qui entraîne une déperdition de cations. Cet culier, qui pourraient conduire à des pertes effet n’est pas totalement négatif car il de production sur les peuplements non trai- conduit à une resaturation plus profonde du tés. sol, autorisant un approfondissement de Malgré la difficulté de cette approche l’enracinement, si cet effet est durable. En écosystémique (hétérogénéité des systèmes revanche, au niveau du seul bilan quanti- naturels, variabilité interannuelle importante), tatif, cet ajout de fertilisants qui n’apporte cette expérience met en évidence le rôle pas d’amélioration dans la revitalisation des que peut jouer le paramètre édaphique dans peuplements par rapport au seul chaulage, le dépérissement des peuplements fores- conduit à un accroissement significatif des tiers. pertes par drainage, qui diminue par là même la durée d’efficacité du chaulage (on passerait très approximativement de 25 à REMERCIEMENTS 15 ans d’efficacité). Pour ce qui concerne l’environnement, Ce travail a été subventionné par l’Office national le chaulage conduit à une diminution du des forêts. Nous remercions D Gelhaye, G Nour- drainage d’Al sans augmentation des risson et B Pollier pour leur collaboration tech- nitrates en solution, ce qui est très favo- nique. rable ;l’augmentation des pertes de nitrates liées à l’association de fertilisants est à RÉFÉRENCES prendre en compte. Il semble que dans ce contexte cette adjonction de fertilisants ne soit globalement pas justifiée, ni pour les Aussenac G (1975) Couverts forestiers et facteurs du peuplements, ni pour l’environnement. climat : leurs interactions, conséquences écophy-
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