Báo cáo khoa học: " Quantification et caractérisation de la matière organique de sols alluviaux au cours de l’évolution de la végétation"

Chia sẻ: Nguyễn Minh Thắng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

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Nội dung Text: Báo cáo khoa học: " Quantification et caractérisation de la matière organique de sols alluviaux au cours de l’évolution de la végétation"

Article original Quantification et caractérisation de la matière organique de sols alluviaux au cours de l’évolution de la végétation M Fierz JM Gobat C Guenat 1Laboratoire d’écologie végétale, Institut de botanique, Chantemerte 22, 2000 Neuchâtel; Laboratoire de pédologie, GR-IATE, École polytechnique fédérale, 1015 Lausanne, Suisse 2 le 1er août 1994; le 18 1995) (Reçu accepté mars Résumé — Les auteurs identifient les formes et déterminent les quantités de matière organique de l’hu- mus de 2 séries de sols alluviaux Fluviosols (les sols dont le nom commence par une majuscule sont — désignés selon le Référentiel pédologique. Principaux sols d’Europe (AFES, 1992) —, l’une sur allu- vions à dominante calcaire et l’autre sur alluvions à dominante d’orthogneiss, dans le but d’établir si les caractères physico-chimiques de cette matière organique correspondent au degré d’évolution traduit par la morphologie du sol, d’une part, et par la végétation actuelle, d’autre part. Ils réalisent un premier fractionnement par tamisage à l’eau, destiné à séparer et à quantifier la matière végétale figurée et la matière végétale la plus humifiée. Sur cette dernière, ils procèdent à des extractions chimiques sélec- tives. Les résultats démontrent que la quantité (stock en carbone et en azote) de matière organique est un meilleur indicateur que la qualité, qui ne varie pratiquement pas en milieu calcaire et que très len- tement en milieu acide. La vitesse d’évolution de l’humus de ces sols par rapport à celle de la végétation présente en moins d’un siècle une inertie marquée qui laisse entrevoir un décalage dans l’adéquation sol-végétation. sol-végétation / humus / qualité et quantité de matière organique / sol alluvial relation Summary — Organic matter quantification and characterization of alluvial soils during vegetation evolution. In order to determine if the physical and chemical criterias of organic matter are in phase with the evolutive state expressed both by the soil morphology and by the present vegetation, forms of organic matter are identified and then quantified in the humus of 2 different series of alluvial soils (Flu- viosols). One series is situated on mainly calcareous alluvia and the other on alluvia principally constituted of orthogneiss (figs 1 and 2; table I). A first fractionation, using the method of water sieving, is under- taken to separate and to estimate the particulate plant material from the best humified plant material. The latter is then selectively chemically extracted (fig 3; table III). Results show that the amount (stock in carbon and nitrogen) of organic matter is a better indicator (table II) than its quality, which virtually
does not change in a calcareous environment and only slowly in acid conditions (tables IV and V). As compared with the vegetation dynamic, the slow humus evolution in these soils seems to reveal in less than 100 years a shift in the soil-vegetation relationship. alluvial soils / humus / organic matter forms and quantity / soil-vegetation relationship INTRODUCTION En effet, la matière organique, réagis- sant plus vite que les minéraux au change- ment des conditions du milieu, permet de Depuis quelques années, les pays euro- détecter des étapes extrêmement précoces péens se préoccupent de la sauvegarde d’évolution et de suivre presque en temps des milieux humides et plus particulière- réel les stades pionniers de formation des ment, sous l’impulsion du Conseil de l’Eu- sols. Elle autorise également des compa- rope [recommandation n° R (82) 12, 1981], raisons avec la dynamique de la végéta- de celle des zones alluviales dont l’impor- tion, dont la qualité de la litière influence les tance biologique n’est plus à démontrer. En caractéristiques de la matière organique. Suisse, l’«inventaire des alluviales zones Dans un premier temps, nous cherchons d’importance nationale» (Kuhn et Amiet, à mettre en évidence les caractères phy- 1988) ainsi que la cartographie de la végé- sico-chimiques de la matière organique les tation (Gallandat et al, 1993) qui en résultent plus aptes à rendre compte d’une maturation ont mis en évidence l’appauvrissement de des sols. Lors d’une seconde étape, nous ces écosystèmes. Les processus d’évolu- tentons d’interpréter les résultats obtenus tion en conditions anthropisées ou natu- en terme de degré d’évolution des sols, relles, en particulier ceux qui intéressent les parallèlement à celui de la végétation. sols, doivent être élucidés afin de proposer une gestion adéquate telle que la prévoit l’«ordonnance sur la protection des zones MATÉRIEL ET MÉTHODES alluviales d’importance nationale» (Conseil fédéral, 1992), entrée en vigueur le 15 novembre 1992. Sols et végétation L’étude de l’évolution des sols faitdepuis longtemps appel aux caractéristiques miné- Notre étude porte sur 2 séquences de sols, l’une rales de la couverture pédologique (Duchau- caractérisée par une pédogenèse sur alluvions à four, 1983). Les caractéristiques de la dominante calcaire (bassin de la Sarine) et l’autre matière organique, quant à elles, n’ont pu par une pédogenèse sur alluvions à dominante être exploitées que suite à la mise au point d’orthogneiss (bassin de la Maggia). Chaque récente de protocoles et techniques analy- séquence comporte 3 profils choisis à partir d’une tiques (par ex, Stevenson, 1982). Ainsi, la série évolutive de végétation. Le temps écoulé entre les différents stades est déduit de la com- connaissance des caractéristiques des com- paraison entre l’âge du peuplement arborescent posés organiques permet d’aborder l’étude actuel (mesures dendrométriques) et l’étude dia- de sols très peu différenciés au point de vue chronique de la colonisation par la végétation pédogénétique comme les sols alluviaux (photos aériennes). Le manque de documents (Fluviosols), les sols peu évolués minéraux photographiques concernant les stades les plus (Régosols) ou humifères (Organosols) et évolués rend les estimations plus délicates. les sols tourbeux (Histosols) (Schnitzer, La première séquence (fig 1) comprend, du 1978). stade pionnier au stade forestier, des Fluviosols
350 m), et se trouvent dans les linéen typiques carbonatés, à texture limono-sableuse, moy (alt = Alpes du Sud (Tessin, Suisse). qui se distinguent les uns des autres par leur épaisseur, notamment celle de leur humus, et Il faut noter que les stades pionniers sont, du leur taux de carbonates. Le stade initial porte une fait de leur position topographique, soumis à des saulaie blanche (âge du peuplement : 13 ans ; rajeunissements partiels imperceptibles sur les station colonisée depuis 13 ans environ). Les photos aériennes. Les données analytiques stades intermédiaire et ultime sont respective- essentielles des humus de ces 2 séquences sont ment caractérisés par une frênaie (âge du peu- présentées dans le tableau I. plement : 38 ans ; station colonisée depuis plus de 60 ans) et une hêtraie (âge du peuplement : 148 ans ; temps de colonisation supérieur à 113 Méthodes de fractionnement ans). Ces sols sont formés sous climat tempéré froid et humide (P 1,200 mm ; T 7°C), moy moy = = Nous avons procédé à un fractionnement phy- à l’étage montagnard inférieur (alt 730 m), et moy = sique [tamisage à l’eau, Bruckert et Kilbertus se situent dans les préalpes fribourgeoises (1980)] pour isoler une fraction supposée humifiée (Suisse). La seconde séquence (fig 2), qui intègre (fraction fine, ≤ 100 μm). Dans un second temps, un Fluviosol typique polyphasé sous aulnaie des extractions chimiques [NaOH 0,1 N ; pH = blanche (âge du peuplement : 25 ans ; colonisa- 12 ; Bruckert et Kilbertus (1980)] ont été réali- tion de la station depuis 31 ans), un Fluviosol sur le sol total et sur la fraction fine. Le rap- sées typique polyphasé peu évolué sous frênaie (âge entre le carbone (C) [ou l’azote (N)] de la port du peuplement : 25 ans ; colonisation de la station fraction fine pondérée et le C (ou N) du sol total, depuis 31 ans) et un Fluviosol sous chênaie à exprimé en %, représente le taux d’humification charmes (âge du peuplement : 35 ans ; temps (Andreux, 1981). de colonisation : 61 ans). Ces sols, sableux, sont Suite à des modifications suggérées par régis par un climat tempéré chaud à caractère Andreux (communication orale, 1991), le proto- insubrien (orages violents et soudains en été) cole mentionné figure 3 a été appliqué. (P 1,600 mm ; T 9-10°C), à l’étage col- moy moy = =
Analyse des fractions sol total (tableauxI et III) augmentent paral- lèlement au degré d’évolution supposé du sol mais de manière discrète dans chaque Les dosages du carbone et de l’azote des frac- série, il en va tout autrement lorsque l’on tions granulométriques, 2 000-100 μm et 100- 0 μm, ont été respectivement réalisés sur l’ap- exprime ces mêmes résultats en termes pareil Casumat 8-Adge Wösthoff et sur un volumiques, calculés en tenant compte de la photomètre Technicon après minéralisation des concentration de carbone ou d’azote, de échantillons selon la méthode Kjeldahl. Les l’épaisseur et de la densité de l’horizon humi- extraits sous forme liquide ont été dosés sur l’ap- fère (tableau II). On observe alors, aussi pareil TOC Astro pour le carbone et selon le pro- bien pour l’azote que pour le carbone, un cédé évoqué ci-dessus pour l’azote. accroissement significatif qui, du stade pion- nier (1) au stade forestier (3), avoisine un RÉSULTATS facteur dix. Concentration et stock de C Fractionnement physique et Norganiques du sol total Les résultats obtenus (tableau III) indiquent Si les concentrations en carbone et en azote que l’importance pondérale de la fraction organiques de l’humus des échantillons de 100-0 μm augmente pour chaque série du
stade 1 à 3. Cette fraction est majoritaire distinguent des fractions fines par des dans le cas de la série carbonatée (58 à valeurs toujours plus élevées ; ces dernières présentent d’ailleurs des rapports C/N 86%), plus faible dans la série sur ortho- proches des taux réalisés par les échan- gneiss (32 à 44%). Les concentrations en tillons de sol total, comme déjà observé par carbone et en azote organiques de la frac- Andreux et Correa (1981). tion fine suivent la même évolution excepté pour MAG 2. Les taux d’humification du car- bone et de l’azote augmentent dans les 2 Fractionnement chimique séries de manière quasi similaire. Les (tableaux IV et V) valeurs obtenues sont beaucoup plus éle- vées pour les sols calcaires mais demeu- rent cependant inférieures à celles citées Ce procédé a permis d’isoler 3 types de pour les sols eutrophes et mésotrophes matière organique : les acides fulviques (Andreux et Corréa, 1981). (AF), les acides humiques (AH) et l’humine (H) dans lesquels ont été dosés le carbone Les rapports C/N du sol total montrent et l’azote organiques peu de variations même lorsque la compa- raison intègre les 2 types de sols. À une Dans tous les humus, le carbone orga- exception près, les fractions grossières se nique se trouve essentiellement sous forme
du degré d’évolution du sol. Ce rôle pri- d’humine aussi bien dans la fraction fine mordial de révélateur d’étapes précoces que dans le sol total. Le taux d’extraction d’évolution est confirmé dans une étude similaire effectuée sur des sols artificiels, composés de débris de roche calcaire brute mélangés à du compost (Gobat et Strehler, 1993). Dans ces mélanges élaborés en faible, est compris entre 3 et 5% pour la fonction d’un taux de carbone organique série «Sarine» ; il augmente dans la série croissant, les auteurs mettent en évidence «Maggia» et atteint pour le sol total et la la formation d’agrégats organo-minéraux fraction fine respectivement 16 et 24% dans après quelques années. Cette structuration le cas de MAG 3. Quant aux rapports ne se traduit guère par les critères chi- AF/AH, ils sont voisins de 1 ; seule la frac- miques habituels de la matière organique tion fine du sol le plus évolué de la série (taux d’extraction, rapport AF/AH, rapport «Maggia» accuse une baisse importante H/C), mais s’exprime plutôt par sa répartition (0,6). Le taux d’extraction de l’azote suit à dans les différentes classes granulomé- peu près le même cours que celui du car- triques, quelle que soit la proportion roche- bone. compost du mélange. Systématiquement, la quantité de carbone organique diminue Les rapports C/N des AF sont faibles après quelques années dans la classe pour l’ensemble des humus, de l’ordre de 2 000-100 μm (déchets figurés du compost) 5 à 8 ; ils augmentent pour les AH et les pour augmenter au profit de la classe 50-5 humines avec un maximum dans le cas des μm qui, selon Bruckert (1994), correspond à AH de la série sur gneiss (24). la limite de séparation des complexes organo-minéraux pour des échantillons fai- DISCUSSION blement humifiés. présente étude, on assiste à un Dans la processus identique de concentration du Intérêt de l’approche quantitative carbone et de l’azote dans la fraction fine (≤ 100 μm). Cette tendance s’allie à une dif- À la lecture de nos résultats, il apparaît que férenciation morphologique du profil, accom- pagnée d’une altération avec décarbonata- les teneurs volumiques en carbone et azote tion ou acidification, d’une libération d’argile organiques sont les meilleurs indicateurs
quement, d’une diminution du rapport amorphe associée à une structure et de fer AF/AH. de mieux en mieux exprimée. Ce phéno- mène est particulièrement marqué dans le Cette quasi-absence d’évolution chimique cas de la série des sols carbonatés, limono- pourrait être la conséquence : sableux, tandis qu’il reste discret dans le d’un blocage précoce de l’évolution de la - cas de la série sur gneiss où des teneurs matière organique sur calcaire (effet de faibles en argile et en fer sont liées à des ciment des carbonates) ; temps d’évolution limités (moins d’un siècle). d’une certaine lenteur de l’évolution sur - Ainsi, l’augmentation pondérale de la fraction substrat gneissique, due à une activité bio- fine et la stabilisation du carbone et de logique réduite, résultant de stress hydriques l’azote organiques dans cette même frac- (pluviométrie irrégulière, mise en réserve tion seraient un indice de maturation de l’hu- limitée) et d’une capacité d’échange catio- mus dont l’efficacité dépend du temps et du nique faible liée à l’absence d’argile ; substrat. Ce concept est partagé par Car- d’une minéralisation et d’une humification biener (communication orale) et Pautou - lentes en raison du type de litière, souvent (1984) qui considèrent l’apparition du com- constituée de débris ligneux (branchettes plexe argilo-humique comme un bon indi- d’arbres et de buissons), qui ne semble pas cateur du degré d’évolution des sols allu- viaux. À l’échelle temporelle, Walker et être compensée par une litière de feuilles pourtant nettement améliorante (Salix, Alnus, Coventry (1987) soulignent l’importance du Fraxinus) ; une partie de ces débris pour- carbone et de l’azote organiques en tant raient être hérités de stations de résineux que signes de changement. Nos travaux situées en amont. Cette dépendance étroite confirment ces faits pour des séquences entre l’amont et l’aval, décrite, à propos de la évoluant en quelques décennies, voire en matière organique notamment, par Décamps une centaine d’années. et Naiman (1989), est une caractéristique propre de la dynamique alluviale. Limites de l’approche qualitative Toutefois, on ne peut pas contester la valeur des informations résultant des ana- lyses chimiques de la matière organique. Il On pouvait s’attendre à ce que la qualité de faudrait effectuer des recherches plus pous- la matière organique, exprimée par des indi- sées en établissant par exemple des cateurs tels que le taux d’extraction, le taux spectres d’absorption infrarouge ou RMN d’acides fulviques ou humiques ou encore le révélant les fonctions chimiques des acides d’humine, progression qui montre taux une organiques (Andreux, 1994 ; Orlov, 1985 ; suit celle de la différenciation morpholo- Schnitzer, 1978 ; Stevenson, 1982). De gique du sol. Les résultats montrent en fait même, les hydrates de carbone peuvent peu de modifications au plan chimique, l’hu- aussi s’avérer très utiles pour la classifica- mine demeurant toujours prépondérante tion des sols (Lowe, 1978). aussi bien dans le sol total que dans la frac- Les séquences évolutives proposées sur tion fine. De ce fait, il s’agit vraisemblable- ment d’humine héritée. Cette hypothèse la base des caractéristiques morphologiques du sol et de séries dynamiques de la végé- devrait être étayée par d’autres approches. tation ont donc été confirmées par les cri- La seule tendance évolutive décelable est tères analytiques des humus. On note que celle qui s’exprime dans le cas du sol mor- la teneur volumique de carbone et d’azote phologiquement le plus évolué sur gneiss ainsi que la concentration de ces éléments (MAG 3) au travers d’une augmentation du dans les fractions fines vont de pair avec taux d’extraction et, dans la fraction fine uni-
l’altération de la phase minérale. En conclu- de leur pertinence et l’on est tenu perdent sion, si la formation d’agrégats requiert une de se limiter à certains aspects de la matière certaine qualité de matière organique, celle- organique, voire à un élément chimique ; on ci n’a toutefois pas pu être mise en évidence cite par exemple l’azote, qui diminue rapi- dement après un changement d’affectation dans ce type de sols très peu évolués. du sol (Campbell, 1978). Les 2 études dont il est question ici, l’une sur des sols alluviaux Évolution comparée du sol et l’autre sur des sols artificiels, ont montré que les mesures quantitatives de la matière et de la végétation organique (stock de carbone et d’azote) étaient les plus riches de renseignements. stade d’évolution perçu La comparaison du Un véritable rôle diagnostique du stock orga- travers de descripteurs pédologiques et au nique du sol est mis en évidence, aidant à la de descripteurs de la végétation, notam- compréhension des stades «très initiaux» ment structurel, floristique et phytosociolo- de la pédogenèse. Il s’agit là, nous semble- gique révèle un décalage. Ainsi, la hêtraie et t-il, d’un outil efficace et relativement simple la chênaie, situées actuellement des sur de détection des stades précoces de l’évo- terrasses hors d’atteinte des crues (colo- lution de sols jeunes, surtout lorsque l’on respectivement depuis plus de 148 niées désire les comparer entre eux. ans), sont déjà proches d’un état et 61 N’oublions pas que nous exposons ici d’équilibre à caractère non alluvial (climax des processus pédogénétiques qui s’amor- climatique) alors qu’elles se développent cent en quelques années seulement, laps sur des sols morphologiquement peu diffé- de temps souvent considéré par les pédo- renciés et dont la qualité de l’humus varie logues comme «imperceptibles» regard en peu. Les prémices d’une maturation chi- du temps d’évolution général des sols. L’uti- mique plus poussée n’ont pu être décelées lisation de la matière organique comme indi- que dans le cas des sols sur substrat gneis- quantité, cateur, notamment sa nous per- sique. Si le temps de réponse aux modifi- met d’aborder ces termes initiaux de la cations du milieu est souvent plus lent pour typologie et de l’évolution des sols. le sol que pour la végétation, il est étonnant de constater ici qu’il l’est tout autant pour la matière organique bien que cette dernière REMERCIEMENTS soit directement influencée par les retom- bées de litière de la végétation actuelle. Les auteurs adressent leurs remerciements à JC Védy, directeur du laboratoire de pédologie de l’École polytechnique fédérale de Lausanne, qui CONCLUSION a mis à notre disposition l’infrastructure et le maté- riel indispensables à l’élaboration de ce travail, ainsi qu’à F Bureau, doctorant, qui nous a apporté La typologie des sols fait généralement appel une aide précieuse. à toute une série de caractères descriptifs et analytiques et aboutit fréquemment au diagnostic du degré d’évolution. Si les cri- RÉFÉRENCES tères communément admis ne posent aucun problème dans des sols déjà relativement AFES (1992) Référentiel pédologique. Principaux sols mûrs, aux horizons A développés, il n’en va d’Europe. INRA, Paris pas de même dans le cas de sols très Andreux F, Correa A (1981 ) Caractères généraux de la «jeunes», comme les sols alluviaux ou les matière organique de sols eutrophes et mésotrophes sols artificiels. Les descripteurs habituels affectés ou non par des migrations particulaires. In :
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