Influence de la composition forestière sur la séquestration du carbone dans les sols du Bouclier boréal

Les forêts du Bouclier boréal stockent de grandes quantités de carbone (C) sous forme de C organique du sol (COS). Toutefois, l'intégrité de ces stocks de COS est menacée par les changements climatiques, mais aussi par la modification de la composition forestière à l'échelle du paysage. En effet, chaque espèce d'arbre possède des traits fonctionnels différents lui permettant d'avoir une influence singulière sur son environnement et sur des processus comme l'accumulation, le stockage et la libération du COS. L'acquisition de connaissances sur la dynamique du COS en forêt boréale est fondamentale pour prédire et atténuer les conséquences de tels changements. L’objectif de cette thèse était d'explorer l'influence de la composition forestière (1) sur la quantité, la distribution et la qualité du COS et sa stabilité face au réchauffement, (2) sur la répartition du COS dans des fractions physiques de sol qui varient en stabilité, et (3) sur les pertes annuelles de CO2 in situ et les facteurs responsables de la variation entre les types de forêts. Collectivement, les résultats montrent que la composition forestière affecte grandement la dynamique du COS en forêt boréale. L'influence de la composition forestière sur les pertes de CO2 se faisait surtout via des variations dans la température du sol et dans la qualité biochimique du C produit dans les types de forêts étudiées. En général, les forêts contenant du peuplier faux-tremble accumulaient moins de COS en surface que les forêts contenant des conifères (pin gris et épinette noire), mais il y en avait davantage en profondeur, endroit où le C est moins susceptible d'être libéré dans l'atmosphère et donc plus stable. Les forêts contenant du peuplier avaient aussi davantage de COS situé dans les fractions physiques du sol les plus stables, c'est-à-dire celles étroitement associées aux particules minérales. Bien que les forêts d'épinettes noires soient celles qui possédaient la plus grande quantité de COS de surface de tous les types de forêts étudiées, ce COS était le plus sensible à l'augmentation de la température de sorte que sa réponse au réchauffement se traduisait par une libération de CO2 plus élevée. De plus, comme le stock de COS de surface des conifères est en partie liée à un microclimat du sol plus froid induit par le peuplement, la libération du CO2 suite à des perturbations qui ouvriraient le couvert ou en changeraient la composition pourrait être plus importante que dans les forêts de feuillus. En conclusion, les résultats de cette thèse suggèrent que le rajeunissement des forêts et notamment l'augmentation du couvert de peuplier faux-tremble dans le paysage diminuerait la taille des stocks de COS, mais en augmenterait la stabilité. Par ailleurs, les forêts d'épinettes noires, qui possèdent d'importants stocks de COS et qui dominent la forêt boréale canadienne, pourraient perdre de grandes quantités de COS suite au réchauffement du climat ou à une transformation du couvert. \ud ______________________________________________________________________________ \ud MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : forêt boréale, composition forestière, séquestration du carbone, matière organique du sol, changements climatique

A tree species effect on soil that is consistent across the species\u27 range: the case of aspen and soil carbon in North America.

Trembling aspen covers a large geographic range in North America, and previous studies reported that a better understanding of its singular influence on soil properties and processes is of high relevance for global change questions. Here we investigate the potential impact of a shift in aspen abundance on soil carbon sequestration and soil carbon stability at the continental scale by conducting a systematic literature review using 23 published studies. Our review shows that aspen’s effect on soil carbon is relatively consistent throughout the species range. Aspen stores less C in the forest floor but similar amounts in the mineral soil relative to conifers. However, a robust set of indicators of soil C stability, for example, degree of organo-mineral associations, proportion of readily-available or labile C estimated during long-term soil incubations or using hot-water extraction, pattern of soil C distribution, and temperature sensitivity of soil heterotrophic respiration, reveals that the soil organic carbon (SOC) stock under aspen is more stable, rendering it more protected against environmental changes and soil disturbances. Therefore, our continental-scale analysis highlights that an increase in the abundance of trembling aspen in North American forests may increase the resistance and resilience of soil C stocks against global changes

Increasing tree productivity does not translate into greater soil organic carbon storage

Increasing soil organic carbon (SOC) storage is one of the promising solutions to mitigate climate change. Fast-growing trees are a potential tool in this context as they rapidly accumulate C in their biomass and could transfer more organic matter (OM) into the soil. However, the relationship between aboveground productivity and SOC storage remains poorly understood. Five clones with different growth rates were selected from a 14-year-old hybrid poplar plantation located in New Liskeard, ON, Canada. We collected soil cores at 87.5 and 175.0 cm distance from the stem and at 0–20, 20–40 and 40–60 cm soil depth for soil C concentration analysis. The most productive clone DN2 (Populus deltoides × P. nigra) stored less SOC (83 Mg ha−1) between 0 and 60 cm depth than the mid-productive clones 1079 (Populus × jackii (P. balsamifera × P. deltoides)) and 915005 (P. maximowiczii × P. balsamifera) (95 and 96 Mg ha−1 respectively), while the least productive clone 747210 (P. balsamifera × P. trichocarpa) also had a lower SOC stock (85 Mg ha−1) compared to the other clones, but not significantly. There was no relationship between aboveground productivity and SOC stocks and total SOC stocks increased by 6 when the sampling distance was closer to the tree stems. The difference in SOC stocks between clones was mostly observed at the 20–40 cm depth suggesting the significant effect of roots on SOC storage. Soil C/N ratios were significantly different between clones at 0–20 and 20–40 cm depths suggesting differences in OM decomposition rates between clones. There could be a trade-off between aboveground productivity and litter decomposition rate to increase SOC storage

Soil profile connectivity can impact microbial substrate use, affecting how soil CO2 effluxes are controlled by temperature

Determining controls on the temperature sensitivity of heterotrophic soil respiration remains critical to incorporating soil–climate feedbacks into climate models. Most information on soil respiratory responses to temperature comes from laboratory incubations of isolated soils and typically subsamples of individual horizons. Inconsistencies between field and laboratory results may be explained by microbial priming supported by cross-horizon exchange of labile C or N. Such exchange is feasible in intact soil profiles but is absent when soils are isolated from surrounding depths. Here we assess the role of soil horizon connectivity, by which we mean the degree to which horizons remain layered and associated with each other as they are in situ, on microbial C and N substrate use and its relationship to the temperature sensitivity of respiration. We accomplished this by exploring changes in C : N, soil organic matter composition (via C : N, amino acid composition and concentration, and nuclear magnetic resonance spectroscopy), and the δ13C of respiratory CO2 during incubations of organic horizons collected across boreal forests in different climate regions where soil C and N compositions differ. The experiments consisted of two treatments: soil incubated (1) with each organic horizon separately and (2) as a whole organic profile, permitting cross-horizon exchange of substrates during the incubation. The soils were incubated at 5 and 15 ∘C for over 430 d. Enhanced microbial use of labile C-rich, but not N-rich, substrates were responsible for enhanced, whole-horizon respiratory responses to temperature relative to individual soil horizons. This impact of a labile C priming mechanism was most emergent in soils from the warmer region, consistent with these soils' lower C bioreactivity relative to soils from the colder region. Specifically, cross-horizon exchange within whole soil profiles prompted increases in mineralization of carbohydrates and more 13C-enriched substrates and increased soil respiratory responses to warming relative to soil horizons incubated in isolation. These findings highlight that soil horizon connectivity can impact microbial substrate use in ways that affect how soil effluxes of CO2 are controlled by temperature. The degree to which this mechanism exerts itself in other soils remains unknown, but these results highlight the importance of understanding mechanisms that operate in intact soil profiles – only rarely studied – in regulating a key soil–climate feedback

Comment le peuplier faux-tremble affecte les processus de décomposition de la litière et les communautés du sol dans la pessière à mousse?

Comprendre les interactions et les liens unissant les espèces d'arbres à la structure des communautés du sol et aux processus écosystémiques est critique pour une gestion efficace et responsable des écosystèmes forestiers. Des études récentes ont montré que le peuplier fauxtremble (Populus tremuloides Michx.), comme composante mineure d'un peuplement d'épinette noire (Picea mariana (Mill.) BSP), augmenterait les taux de décomposition et de minéralisation des éléments nutritifs en améliorant les propriétés physico-chimiques du sol (pH, humidité et disponibilité des nutriments) grâce à une litière de meilleure qualité et une évapotranspiration supérieure. Il est bien connu, cependant, que la vitesse à laquelle ces processus sont conduits dépend aussi de la composition de la communauté du sol, mais ce facteur a été moins étudié. Dans cet ouvrage, je veux (1) mieux comprendre les mécanismes influençant l'amélioration des processus du sol en testant en laboratoire l'effet de trois facteurs (type de litière, mélange de litière et type de couche organique) par lesquelles le peuplier faux-tremble pourrait affecter les taux de décomposition, le recyclage des éléments nutritifs et l'abondance d'invertébrés du sol. Je veux aussi (2) établir la relation entre la structure des communautés du sol, la présence de peuplier faux-tremble et le processus de décomposition dans la pessière à mousse de la région abitibienne du Québec. En laboratoire, mes résultats montrent que (1) la litière de peuplier se décompose plus rapidement et minéralise plus d'éléments nutritifs que la litière d'épinette, que (2) la litière de peuplier augmente le taux de décomposition de la litière d'épinette sur la couche organique de peuplier, et que (3) les deux litières se décomposent plus vite sur la couche organique provenant de la forêt de peuplier que celle de la forêt d'épinette. Au terrain, mes résultats montrent que l'augmentation de la surface terrière de peuplier dans la pessière est associée (1) à une amélioration des propriétés physico-chimiques du sol, (2) à une diminution de la biomasse microbienne et (3) à une augmentation des taux de décomposition des substrats standards et de l'ammonification net de l'azote. Ces changements sont aussi accompagnés par (4) une augmentation de l'abondance de macro-invertébrés (Lumbricidae, Formicidae, Carabidae, Staphylinidae et Gastropoda). De plus, tous ces changements s'observent à l'échelle de l'arbre. Mes résultats suggèrent que le peuplier faux-tremble augmenterait les taux de décomposition de la litière et de minéralisation des éléments nutritifs grâce à une litière et une couche organique qui (1) permet de pallier à une déficience en carbone chez les organismes décomposeurs, qui (2) optimise les conditions d'humidité, ou qui (3) favorise le développement d'une communauté de décomposeurs plus efficace, et particulièrement en favorisant la présence de macro-invertébrés

Comment le peuplier faux-tremble affecte les processus de décomposition de la litière et les communautés du sol dans la pessière à mousse?

Comprendre les interactions et les liens unissant les espèces d'arbres à la structure des communautés du sol et aux processus écosystémiques est critique pour une gestion efficace et responsable des écosystèmes forestiers. Des études récentes ont montré que le peuplier fauxtremble (Populus tremuloides Michx.), comme composante mineure d'un peuplement d'épinette noire (Picea mariana (Mill.) BSP), augmenterait les taux de décomposition et de minéralisation des éléments nutritifs en améliorant les propriétés physico-chimiques du sol (pH, humidité et disponibilité des nutriments) grâce à une litière de meilleure qualité et une évapotranspiration supérieure. Il est bien connu, cependant, que la vitesse à laquelle ces processus sont conduits dépend aussi de la composition de la communauté du sol, mais ce facteur a été moins étudié. Dans cet ouvrage, je veux (1) mieux comprendre les mécanismes influençant l'amélioration des processus du sol en testant en laboratoire l'effet de trois facteurs (type de litière, mélange de litière et type de couche organique) par lesquelles le peuplier faux-tremble pourrait affecter les taux de décomposition, le recyclage des éléments nutritifs et l'abondance d'invertébrés du sol. Je veux aussi (2) établir la relation entre la structure des communautés du sol, la présence de peuplier faux-tremble et le processus de décomposition dans la pessière à mousse de la région abitibienne du Québec. En laboratoire, mes résultats montrent que (1) la litière de peuplier se décompose plus rapidement et minéralise plus d'éléments nutritifs que la litière d'épinette, que (2) la litière de peuplier augmente le taux de décomposition de la litière d'épinette sur la couche organique de peuplier, et que (3) les deux litières se décomposent plus vite sur la couche organique provenant de la forêt de peuplier que celle de la forêt d'épinette. Au terrain, mes résultats montrent que l'augmentation de la surface terrière de peuplier dans la pessière est associée (1) à une amélioration des propriétés physico-chimiques du sol, (2) à une diminution de la biomasse microbienne et (3) à une augmentation des taux de décomposition des substrats standards et de l'ammonification net de l'azote. Ces changements sont aussi accompagnés par (4) une augmentation de l'abondance de macro-invertébrés (Lumbricidae, Formicidae, Carabidae, Staphylinidae et Gastropoda). De plus, tous ces changements s'observent à l'échelle de l'arbre. Mes résultats suggèrent que le peuplier faux-tremble augmenterait les taux de décomposition de la litière et de minéralisation des éléments nutritifs grâce à une litière et une couche organique qui (1) permet de pallier à une déficience en carbone chez les organismes décomposeurs, qui (2) optimise les conditions d'humidité, ou qui (3) favorise le développement d'une communauté de décomposeurs plus efficace, et particulièrement en favorisant la présence de macro-invertébrés