Evaluation of streamwater composition changes in the Vosges Mountains (NE France): 1955–2005

n 1995, in the southwestern Vosges Mountains (NE France), 158 of 395 streams (40%) had a pH lower than 5.5 at baseflow. As elsewhere in Europe, acid deposition has decreased since the seventies, as has base cation deposition. In order to assess the response of streamwater to decreasing deposition, we compared their present chemical composition to their former composition. All comparisons showed a decrease in sulphate concentration, which was greater on granite than on sandstone. In addition calcium, magnesium and aluminium concentrations generally decreased. Acidity in streams draining granite decreased in spring, especially during the eighties, decreases were not observed on sandstone. Continuous monitoring of 5 streams since 1998 confirmed that Al concentrations decreased while changes in pH were small. Chemical trends in streams from the Vosges massif fell between those measured in Northern Europe and Central Europe. This study provides the first broad-scale overview of surface water acidification and recovery in France and emphasizes the need for continuous monitoring to assess long-term changes in aquatic ecosystems

Analyse spatiale de la composition chimique des ruisseaux vosgiens

The aim of this study was to analyse the spatial variability of stream water composition at lowflow in the Vosges Mountains. We showed that the mineral element concentration can be explained by three main factors: annual rainfall, bedrock composition and the area of the catchment. The principal influence of the precipitations suggests that the stream water concentrations are acquired in the soil. Stream water concentrations in base cations are strongly related to the bedrock content in weatherable minerals, when these minerals are still available in substantial amounts in the soil horizons and saprolite. Potassium concentrations are mainly related to the K-feldspar weathering and the trapping of the K, released by K-feldspar weathering, by clays. On sandstone, Na originates mainly from the atmosphere, and Si results from dilution of the soil solutions by the rainfall. On granite, in addition to this dilution, Na concentrations are controlled by ion exchange with the other cations released in the drainage waters by the weathering.Ce travail avait pour objectif l'établissement de modèles statistiques décrivant la variabilité de la composition chimique des ruisseaux vosgiens, basés sur des raisonnements mécanistes et traduisant notre compréhension du milieu. Les facteurs écologiques de l'acquisition de la composition chimique des eaux étaient par ordre d'importance : les précipitations, la richesse du substrat en minéraux altérables et la taille du bassin versant. L'influence majeure de la lame d'eau précipitée suggère que l'essentiel des concentrations des ruisseaux s'acquière dans les sols. L'influence de la minéralogie de la roche ne devient dominante que pour des substrats riches en minéraux altérables, influençant ainsi les concentrations en Ca et Mg dans les ruisseaux. Les teneurs en potassium paraissent résulter d'un double contrôle : l'altération du feldspaths potassique et la fixation au niveau des argiles. Sur grès, le sodium provient des précipitations et la silice, de la dilution des solutions des sols par la pluie. Sur granite, à cette dilution se rajoute l'échange ionique, par lequel le sodium remplace dans les eaux de drainage les autres cations (Ca, Mg, K) libérés par l'altération

Analyse spatiale de la composition chimique des ruisseaux vosgiens

Ce travail avait pour objectif l'établissement de modèles statistiques décrivant la variabilité de la composition chimique des ruisseaux vosgiens, basés sur des raisonnements mécanistes et traduisant notre compréhension du milieu. Les facteurs écologiques de l'acquisition de la composition chimique des eaux étaient par ordre d'importance : les précipitations, la richesse du substrat en minéraux altérables et la taille du bassin versant. L'influence majeure de la lame d'eau précipitée suggère que l'essentiel des concentrations des ruisseaux s'acquière dans les sols. L'influence de la minéralogie de la roche ne devient dominante que pour des substrats riches en minéraux altérables, influençant ainsi les concentrations en Ca et Mg dans les ruisseaux. Les teneurs en potassium paraissent résulter d'un double contrôle : l'altération du feldspaths potassique et la fixation au niveau des argiles. Sur grès, le sodium provient des précipitations et la silice, de la dilution des solutions des sols par la pluie. Sur granite, à cette dilution se rajoute l'échange ionique, par lequel le sodium remplace dans les eaux de drainage les autres cations (Ca, Mg, K) libérés par l'altération.The aim of this study was to analyse the spatial variability of stream water composition at lowflow in the Vosges Mountains. We showed that the mineral element concentration can be explained by three main factors: annual rainfall, bedrock composition and the area of the catchment. The principal influence of the precipitations suggests that the stream water concentrations are acquired in the soil. Stream water concentrations in base cations are strongly related to the bedrock content in weatherable minerals, when these minerals are still available in substantial amounts in the soil horizons and saprolite. Potassium concentrations are mainly related to the K-feldspar weathering and the trapping of the K, released by K-feldspar weathering, by clays. On sandstone, Na originates mainly from the atmosphere, and Si results from dilution of the soil solutions by the rainfall. On granite, in addition to this dilution, Na concentrations are controlled by ion exchange with the other cations released in the drainage waters by the weathering.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Influence of granite mineralogy, rainfall, vegetation and relief on stream water chemistry (Vosges Mountains, north-eastern France)

International audienceThe influence of rock mineralogy, climate, vegetation and relief on stream water composition and export as a result of weathering is a major scientific concern both at the local scale, because of the link between stream chemistry and biodiversity, and at the global scale, in relation to global climate changes. Environmental factors influencing stream chemistry at baseflow were studied for 95 forested catchments located in the granite part of the Vosges Mountains (NE France). Mean annual rainfall, slope, altitude, catchment area, forest cover and granite composition were attributed to each catchment using a geographic information system (GIS) and spatially distributed databases. These variables were then used to model stream water concentrations in SO4, Ca, Mg, K, Na, Si, ANC (Acid Neutralizing Capacity) and pH via linear regression analyses. Sulfate concentration is mainly negatively correlated to the mean altitude of the catchment. Silica and Na concentrations are strongly correlated and negatively related to the mean annual rainfall and not to altitude. pH is positively related to the sum of Ca, Mg and K, but not to SO4. For any type of granite, Ca, Mg and pH are generally negatively related to the mean annual rainfall, and positively related to the catchment area. Calcium is best explained by the rock content in hornblende, Mg by the rock contents of biotite and hornblende, K by the content in K-feldspar. Nevertheless models differ for each granite type, in relation to the availability of weatherable minerals and, probably, to water pathways. This study shows the interest of spatial analysis methods for understanding stream water concentrations at the mountain range scale in combination with local process studies and modelling at the catchment scale

Stream water composition changes in the Vosges mountains (NE France): 1973-2004. Abstract

International audienc

Neutralisation de ruisseaux forestiers acides par amendement du bassin versant. Mise en relief des connaissances existantes avec des expérimentations dans le massif Vosgien

National audienceThis article describes 2 experiments in the Vosges to neutralize acidic streams by liming the catchment area. These experiments are viewed in the light of current knowledge as reported in the national and international literature. The effect of liming a catchment area on the chemical composition of a stream draining from it depends on the solubility and quantity of the product used, initial soil acidity and the thickness of the substrate drained by rainwater before it reaches the stream. For quantities in the region of two tons of dolomitic limestone or dolomite per hectare, effects are rapid on shallow soils and very slow on deep ones. Effects are particularly strong when wetlands are limed with the exception of true peat bogs, which are quite simply destroyed by liming. However, even when streams are moderately acidic, it takes a long time to restore biodiversity. These findings were confirmed in the Vosges when a mixture of two tons of dolomitic limestone, gypsum and KCl per hectare was applied to two catchment areas. This amendment brought about a slight but sustained increase in the Ca and Mg of the water draining into the catchment on granite where drainage is predominantly lateral and superficial (due to the presence of shallow hardpan horizons that prevent water from filtering in). On sandstone, soluble Ca and Mg penetrate deeply into the permeable sandy soils but do not reach the stream due to the thickness and porosity of the arenite.Ce travail décrit les expérimentations de neutralisation de ruisseaux acides par chaulage de bassin versant réalisées au cours de deux expériences dans les Vosges. Ces travaux sont mis en relief avec les connaissances présentes dans la littérature à l’échelle nationale et internationale. L’effet du chaulage d’un bassin versant sur la composition chimique du ruisseau qui le draine dépend de la solubilité du produit et des quantités utilisées, de l’acidité initiale des sols et de l’épaisseur du substrat drainé par les eaux de pluie avant d’atteindre le ruisseau. Pour des quantités de l’ordre de deux tonnes de calcaire magnésien ou de dolomie à l’hectare, les effets sont rapides si les sols sont peu épais et très lents s’ils sont épais. Les effets sont d’autant plus marqués que les zones humides ont été chaulées, à l’exception des tourbières vraies, dont le chaulage n’a d’autre effet que leur destruction. Cependant, même lorsque l’acidité des ruisseaux est modérée, la diversité biologique est très lente à se reconstituer. Ces connaissances ont été confirmées dans les Vosges lors de l’apport d’un mélange de deux tonnes de calcaire dolomitique, gypse et KCl à deux bassins versants. Cet amendement a provoqué une augmentation faible et durable des teneurs en Ca et Mg des eaux drainant un bassin versant sur granite, dans lequel prédomine un drainage latéral superficiel, provoqué par la présence d’horizons indurés peu perméables à faible profondeur. Sur grès, le Ca et le Mg solubilisés ont pénétré profondément dans les sols sableux perméables, sans atteindre le ruisseau, en raison de l’épaisseur et de la porosité de l’arène

Projet Corylus : influences de la composition et de la structure des masses forestières sur la biodiversité. Rapport final de Convention GIP Ecofor MEEDM Paris

[Notes_IRSTEA]Programme de recherche "biodiversité et gestion forestière" [Departement_IRSTEA]Territoires [TR1_IRSTEA]SEDYVINContext and objectives - French landscapes are marked by a continuous increase in forest cover for the last two hundred years (from 15 to 30% of the surface area of France). For some biota, such as plant species, very few studies dealt with the impact of spatial structure of woodlands on biodiversity patterns. This project planned to analyze such relationships between plant and bird species diversity and spatial structure of woodlands. In order to be able to separate between local (soil, climate, stand type) and landscape effects, and to get enough statistical replicates of different landscape configurations, we worked with the National Forest Inventory (NFI) data gathered over all Northern France for plants, and with the entire French STOC network for birds. Landscape indices were measured or calculated from aerial photo-interpretation and existing national forest maps. Questions - (1) Do forest plant species display specific patterns of presence according to the distance to the external forest edge? What is the maximum range of this "edge effect"? (2) How did forest spatial organization changed since the beginning of the XIXth century? (3) What is the influence of the structure and composition of the surrounding forest habitats on the local flora? What are the respective proportions of plant composition variation explained by local factors versus landscape features? Does the magnitude of landscape effects vary according to the scale of measurement? (4) Have hedgerows connecting woodland patches a beneficial role on forest bird species, because they would act as corridors and counteract the detrimental effects of forest fragmentation? Results - (1) More than 100 plant species, among the most common species in French forests, showed a significant positive or negative response to edge distance. The depth of edge influence often extended over 1200 m. The depth of edge influence is not only due to abiotic effects (light, humidity, soil nutrient richness) but could also be linked to movement of the forest edges during the past. Forest species migration could not track the change in the position of forest edges. (2) Forest area in Lorraine increased from 29.6% in 1830 to 34.9% in 2000, i.e. a 18% increase over 170 years. This increase rate was much lower than the national average previously estimated from ancient inventories. The proportion of ancient woodlands varied a lot according to land owner: 90% in state forests, 88% in communal forests and 49% only in private forests. The proportion of recent forests connected to ancient woodlands was high (87%). This confirms that the increase in forest cover mainly resulted in a centrifuge movement of edges towards the exterior of woodland patches. (3) The part of variation in vegetation composition explained by landscape variables was 4 to 5 times less than by the part explained by local factors (soil, climate and stand type). Vegetation responded to three main landscape gradients: the first one was the distance to the external forest edge, the second was the proportion of cuttings and young stands (Enjeux et objectifs - Par l'augmentation de sa surface depuis près de 200 ans, la forêt joue un rôle de plus en plus fort dans l'évolution constante des paysages français. Malgré de nombreux travaux sur le lien entre l'organisation spatiale des forêts au sein de cette matrice et la biodiversité de différents taxons, encore peu d'études ont étudié l'impact de cette organisation sur la biodiversité intra-forestière. Ce projet aborde l'influence de la structure spatiale et de la composition des masses forestières sur la diversité de la végétation et de l'avifaune forestières à une large échelle (France entière pour l'avifaune et moitié Nord de la France pour la flore). Il s'appuie sur le réseau de placettes de l'IFN pour la flore et le réseau STOC pour les oiseaux. Les indices paysagers ont été obtenus à partir des fonds cartographiques de l'IFN et par photo-interprétation d'images aériennes de la BD-Ortho. Questions - (1) Les plantes forestières présentent-elles une structure spatiale de l'extérieur vers l'intérieur des massifs ? Quelle est la portée de cet effet "lisière" ? (2) Comment les structures forestières ont-elles évolué depuis 1830 ? (3) Quelle est l'influence de la structure et de la composition de la mosaïque des habitats intra et extra-forestiers sur la flore forestière ? Quelle est la part expliquée par le paysage par rapport aux facteurs locaux ? Comment varie la magnitude des effets paysagers selon l'échelle d'analyse du paysage ? (4) Les haies reliant les taches forestières ont-elles un effet bénéfique sur les oiseaux forestiers en jouant le rôle de corridor écologique et contrebalançant les effets délétères de la fragmentation ? Résultats (1) Plus de 100 espèces de plantes parmi les plus fréquentes des massifs forestiers du Nord de la France répondent négativement ou positivement à la distance à la lisière externe du massif. La portée de l'effet "lisière" dépasse souvent 1200 m. Ces portées élevées ne sont pas uniquement le reflet de gradients abiotiques mais pourraient être liées à un déplacement de la lisière au cours du temps. Ce déplacement a été trop rapide pour être suivi par ces espèces à faible capacité de dispersion. (2) La proportion de forêts pour la Lorraine passe de 29,6% en 1830 à 34,9% en 2000, soit une hausse de 18% en 170 ans. Ce taux d'augmentation de la surface forestière est beaucoup plus faible que la moyenne obtenue d'après les documents d'archives à l'échelle nationale. La proportion de forêts anciennes varie selon le type de propriété : 90% en domanial, 88% en communal et seulement 49% en forêt privée. Le pourcentage de la surface actuelle connectée à un massif de forêt ancienne est de 87%. L'augmentation s'est donc faite surtout par mouvement des lisières vers l'extérieur des massifs anciens. (3) La part de variation de la composition floristique expliquée par le paysage est 4 à 5 fois inférieure à celle liée aux facteurs locaux (station, peuplement forestier). La flore répond à trois principaux gradients paysagers : le premier oppose des communautés de lisière aux communautés de c½ur de massif (déjà identifié ci-dessus), le second est lié à la quantité de coupes et de peuplements jeunes