Tree acclimation to periodic bending and consequences on the mechanical behaviour and the hydraulic properties of green wood

Les arbres, enracinés au sol, adaptent leur développement à leur environnement fluctuant et en particulier aux conditions mécaniques imposées en permanence par le vent. Les tempêtes des dernières décennies ont mis en lumière le rôle majeur, pour la survie à long-terme des arbres, du processus d’acclimatation aux contraintes mécaniques dues au vent. Au premier ordre, le vent exerce principalement des efforts de flexion répétés sur les branches et tiges des arbres qui tendent à osciller pendant les épisodes venteux. Ces flexions entrainent une modification de la croissance des arbres en hauteur, en diamètre ou au niveau du système racinaire mais également la formation d’un bois à l’anatomie et aux propriétés particulières ; lequel est désigné par le terme « bois de flexion ». Au cours de ces travaux de thèse, nous avons développé des dispositifs expérimentaux originaux nous permettant, d’une part, d’appliquer des traitements de flexions unidirectionnelles répétées sur des tiges de jeunes peupliers, en contrôlant l’amplitude des déformations appliquées à la tige, et d’autre part, de contrôler différents niveaux de stress hydrique. Les suivis de croissance pendant une saison de végétation complète ont montré que l’acclimatation mécanique des arbres est un processus qui, bien que très couteux en matière de construction de biomasse, s’avère primordial et se met en place même lors de conditions de stress hydrique sévère. De plus, nous avons pu démontrer que l’augmentation de biomasse liée à cette acclimatation s’effectue principalement dans les zones où les déformations tissulaires sont les plus fortes ; conduisant ainsi à des géométries de sections particulières qui accroissent considérablement la rigidité de flexion des tiges. Une modélisation mécanique par éléments finis a aussi permis de révéler que ces configurations issues de l’acclimatation conduisent à une meilleure répartition des contraintes mécaniques, en abaissant en particulier l’intensité des contraintes maximales de compression subies par le bois. Afin de descendre dans les échelles spatiales, nous avons développé des outils et des méthodes de caractérisation originaux qui ont permis de mesurer, au niveau tissulaire, l’impact des différents types de sollicitations (compression et/ou traction répétées), engendrées au cours d’une flexion de tige, sur les propriétés hydrauliques et mécaniques du bois vert ; tant du point de vue des propriétés usuelles (comportement élastique, conduction hydraulique) que du point de vue des fonctions de sécurité (rupture, sensibilité à la cavitation, …). Nous avons alors pu mettre en évidence le comportement singulier du bois formé sous sollicitations de compressions répétées qui montre en particulier une nette augmentation de sa capacité à subir des déformations importantes avec un endommagement très réduit. L’ensemble des résultats expérimentaux et de modélisation aux échelles tissulaires comme de l’organe entier, indique que les acclimatations de la croissance secondaire et des propriétés intrinsèques du matériau bois procurent un bénéfice mécanique pour la pérennité de l’arbre dans son environnement venteux fluctuant.Trees, anchored in the ground, adjust their development to their fluctuating environment and particularly to the mechanical conditions daily imposed by wind. Storms of last decades enlightened that acclimation of trees to mechanical stresses due to wind is a vital requirement for their long-term survival. Wind mainly leads to repeated bending of the branches and stems of trees that swing during windy events. These bending cause a modulation of trees growth in height, in diameter or at the level of the root system but also imply the formation of a wood with specific anatomy and properties; this wood was defined as “Flexure wood”. In our work, we developed original experimental setups in order to apply a treatment of repeated unidirectional bending to the stem of young poplars, while controlling the magnitude of the strains applied to the stem. The setup controlled different levels of hydric stress too. The monitoring of the growth during a growing season showed that the mechanical acclimation is a process that, although costly in terms of biomass construction, turns out to be essential and takes place even under severe hydric stress. Besides, we demonstrated that the increase of biomass, linked to this acclimation, is mainly provided in the areas where tissue strains are the highest; leading to specific cross-section geometries that considerably increase the stem bending rigidity. A mechanical modelling using Finite Elements also enlightens that these configurations, due to acclimation, lead to a better distribution of mechanical stresses, especially by decreasing the intensity of maximal compressive stresses endured by wood. In order to investigate the microscopic scale, original experimental devices were developed at the tissue scale to measure the effect of different mechanical stresses (repeated compression and/or tension), applied by stem bending, on the hydraulic and mechanical properties of green wood; as much in terms of usual properties (elastic behaviour, hydraulic conduction) as in terms of security functions (rupture, sensibility to cavitation, …). Thus, we enlighten the specific behaviour of wood formed under repeated compressive stresses that shows a significant increase of its ability to withstand high levels of strains with a very reduced damaging. The whole experimental and modelling results, as much at the tissue scale as at the tree scale, points out that the acclimations of secondary growth and wood properties provide a mechanical benefit for tree sustainability in its fluctuating windy environment

Acclimatation de l'arbre aux flexions répétées et conséquences sur le comportement mécanique et les propriétés hydrauliques du bois vert : Biologie végétale

Trees, anchored in the ground, adjust their development to their fluctuating environment and particularly to the mechanical conditions daily imposed by wind. Storms of last decades enlightened that acclimation of trees to mechanical stresses due to wind is a vital requirement for their long-term survival. Wind mainly leads to repeated bending of the branches and stems of trees that swing during windy events. These bending cause a modulation of trees growth in height, in diameter or at the level of the root system but also imply the formation of a wood with specific anatomy and properties; this wood was defined as “Flexure wood”. In our work, we developed original experimental setups in order to apply a treatment of repeated unidirectional bending to the stem of young poplars, while controlling the magnitude of the strains applied to the stem. The setup controlled different levels of hydric stress too. The monitoring of the growth during a growing season showed that the mechanical acclimation is a process that, although costly in terms of biomass construction, turns out to be essential and takes place even under severe hydric stress. Besides, we demonstrated that the increase of biomass, linked to this acclimation, is mainly provided in the areas where tissue strains are the highest; leading to specific cross-section geometries that considerably increase the stem bending rigidity. A mechanical modelling using Finite Elements also enlightens that these configurations, due to acclimation, lead to a better distribution of mechanical stresses, especially by decreasing the intensity of maximal compressive stresses endured by wood. In order to investigate the microscopic scale, original experimental devices were developed at the tissue scale to measure the effect of different mechanical stresses (repeated compression and/or tension), applied by stem bending, on the hydraulic and mechanical properties of green wood; as much in terms of usual properties (elastic behaviour, hydraulic conduction) as in terms of security functions (rupture, sensibility to cavitation, …). Thus, we enlighten the specific behaviour of wood formed under repeated compressive stresses that shows a significant increase of its ability to withstand high levels of strains with a very reduced damaging. The whole experimental and modelling results, as much at the tissue scale as at the tree scale, points out that the acclimations of secondary growth and wood properties provide a mechanical benefit for tree sustainability in its fluctuating windy environment.Les arbres, enracinés au sol, adaptent leur développement à leur environnement fluctuant et en particulier aux conditions mécaniques imposées en permanence par le vent. Les tempêtes des dernières décennies ont mis en lumière le rôle majeur, pour la survie à long-terme des arbres, du processus d’acclimatation aux contraintes mécaniques dues au vent. Au premier ordre, le vent exerce principalement des efforts de flexion répétés sur les branches et tiges des arbres qui tendent à osciller pendant les épisodes venteux. Ces flexions entrainent une modification de la croissance des arbres en hauteur, en diamètre ou au niveau du système racinaire mais également la formation d’un bois à l’anatomie et aux propriétés particulières ; lequel est désigné par le terme « bois de flexion ». Au cours de ces travaux de thèse, nous avons développé des dispositifs expérimentaux originaux nous permettant, d’une part, d’appliquer des traitements de flexions unidirectionnelles répétées sur des tiges de jeunes peupliers, en contrôlant l’amplitude des déformations appliquées à la tige, et d’autre part, de contrôler différents niveaux de stress hydrique. Les suivis de croissance pendant une saison de végétation complète ont montré que l’acclimatation mécanique des arbres est un processus qui, bien que très couteux en matière de construction de biomasse, s’avère primordial et se met en place même lors de conditions de stress hydrique sévère. De plus, nous avons pu démontrer que l’augmentation de biomasse liée à cette acclimatation s’effectue principalement dans les zones où les déformations tissulaires sont les plus fortes ; conduisant ainsi à des géométries de sections particulières qui accroissent considérablement la rigidité de flexion des tiges. Une modélisation mécanique par éléments finis a aussi permis de révéler que ces configurations issues de l’acclimatation conduisent à une meilleure répartition des contraintes mécaniques, en abaissant en particulier l’intensité des contraintes maximales de compression subies par le bois. Afin de descendre dans les échelles spatiales, nous avons développé des outils et des méthodes de caractérisation originaux qui ont permis de mesurer, au niveau tissulaire, l’impact des différents types de sollicitations (compression et/ou traction répétées), engendrées au cours d’une flexion de tige, sur les propriétés hydrauliques et mécaniques du bois vert ; tant du point de vue des propriétés usuelles (comportement élastique, conduction hydraulique) que du point de vue des fonctions de sécurité (rupture, sensibilité à la cavitation, …). Nous avons alors pu mettre en évidence le comportement singulier du bois formé sous sollicitations de compressions répétées qui montre en particulier une nette augmentation de sa capacité à subir des déformations importantes avec un endommagement très réduit. L’ensemble des résultats expérimentaux et de modélisation aux échelles tissulaires comme de l’organe entier, indique que les acclimatations de la croissance secondaire et des propriétés intrinsèques du matériau bois procurent un bénéfice mécanique pour la pérennité de l’arbre dans son environnement venteux fluctuant

Ajustements des propriétés mécaniques et hydrauliques du bois formé sous contraintes environnementales

Ajustements des propriétés mécaniques et hydrauliques du bois formé sous contraintes environnementales. Séminaire CAQSIS 201

L'INRA fait découvrir ses recherches

National audiencePour fêter ses 70 ans, l’INRA du site de Crouël ouvre ses portes au grand public. L’occasion de comprendre pourquoi certains arbres d’une même parcelle réagissent différemment lors d’une tempête

L’acclimatation des plantes aux sollicitations mécaniques du vent : La thigmomorphogénèse

« La contrainte crée l’adaptation », dit l’adage. Les plantes l’ont bien compris, qui s’adaptent à tous les climats, à tous les sols, à tous les vents. Pour ceux-ci, leur acclimation porte un nom : la thigmomorphogénèse, que les chercheurs tentent de mieux connaître

Adjustments of mechanical and hydraulic properties of wood formed under environnemental stresses

Trees adjust their development to the environmental conditions they experience. Storms events of last decades showed that acclimation of trees to mechanical stresses due to wind is a very important process that allow the trees to sustain for long years. In the future, trees will experience new wind patterns, namely, more often strong winds and fewer daily moderate winds. Moreover, these patterns will go along with drought periods that may interact with the capacity of trees to adjust their growth to mechanical stresses due to wind. It is necessary to understand the mechanisms of wood functional acclimations to environmental conditions in order to predict their behaviour and in order to give foresters and breeders the relevant tools to adapt their forest management. This work aims to study how trees adjust the mechanical and hydraulic functions of their wood to environmental stresses and how this acclimation may be beneficial for the tree to resist to future stresses. In this work, young poplars were grown under controlled climatic conditions that include permanent environmental stress (daily mechanical stress of the stem by bending and/or hydric stress). Then, the properties of wood formed under these stressed conditions were characterized. First, hydraulic conductivity and sensibility to cavitation were measured at the tissue level in order to evaluate the changes in water transport capacity. Secondly, bending tests and Charpy impact tests were carried out at the millimetric scale to locally measure mechanical parameters such as elastic modulus, elastic limit or rupture energy. These experimental data allow to evaluate the impacts of mechanical and water stress on the wood material. At the stem level, they will be merged in an integrative model in order to evaluate the beneficial aspect of wood acclimation for trees

Comment les arbres acclimatent-ils les fonctions vitales de leur bois face aux contraintes environnementales et en quoi cette acclimatation leur est bénéfique ?

Les arbres acclimatent les fonctions de leur bois aux conditions environnementales qu’ils subissent. Toutefois, le comportement de ces arbres durant les tempêtes des dernières décennies montre que l’acclimatation des arbres vis à vis des sollicitations mécaniques dues au vent est inégale. Dans le futur, les arbres seront soumis à de nouveaux régimes venteux avec des vents violents plus fréquents et des vents quotidiens de plus faible intensité. De plus, ces régimes seront accompagnés de périodes de stress hydrique qui interagiront avec la capacité d’acclimatation de ces arbres aux stress mécaniques dus au vent. Afin de prédire leur comportement vis à vis de ces nouveaux régimes et afin de donner aux sylviculteurs et aux sélectionneurs les clefs pour adapter leur gestion des forêts, il est nécessaire de comprendre les mécanismes d’acclimatation fonctionnelle du bois vis à vis des conditions environnementales. Pour répondre à ces enjeux, ma thèse vise à étudier comment les arbres acclimatent les fonctions vitales de leur bois (soutien mécanique, conduction hydraulique) face aux conditions environnementales et en quoi cette acclimatation est bénéfique pour les arbres vis à vis de futures sollicitations. Pour cela, j’ai fait croitre des plants de jeunes peupliers, essence modèle, en serre sous conditions climatiques contrôlées (stress mécanique et/ou stress hydrique). Je caractériserai ensuite les propriétés du bois formé sous stimuli contrôlés : je me concentrerai sur les propriétés hydrauliques permettant la conduction de l'eau dans l’arbre des racines jusqu’aux feuilles ainsi que sur les propriétés mécaniques permettant le soutien mécanique de l’arbre. Je combinerai ces données expérimentales dans un modèle intégratif afin d’évaluer le caractère bénéfique de l’acclimatation pour les arbres

Water-stressed or not, the mechanical acclimation is a priority requirement for trees

International audienceKey messagePeriodic bending of young poplars increase the wood production whatever their hydric status; especially in the most highly stressed zones; improving the mechanical behaviour of the stem.AbstractThe ability of trees to acclimate the building of their structures to windy conditions under various hydric conditions is essential in the context of the predicted climate changes. In this study, we investigated the biomechanical responses of young poplar trees to periodic controlled bending stimulations that mimic the mechanical effect of trees growing under windy conditions. This treatment was conducted for 5months in well-watered conditions or under hydric stress. Results demonstrate the high impact of thigmomorphogenesis on growth processes, even under the water shortage. While axial growth was reduced by mechanical stimulations and hydric stress, radial growth was strongly increased by the periodic stem bending. The secondary growth was preferentially increased in the direction of highest longitudinal strains leading to the ovalisation of the cross-section. This ovalisation yielded 16%, regardless the hydric condition and generated a huge increase of the bending rigidity of the trees (+212%). Further, we observed a differential growth between the side growing under tension and the side growing under compression. A Finite Element model was built to investigate the mechanical benefits of the anisotropic cross-section shapes. This FE model enlightened the modulation of the spatial stress distribution that lead to a reduction of the stress in the weakest zones of the trunk; suggesting an improvement of the mechanical safety margin of wood. Thigmomorphogenesis acclimation appears as a complex and costly, but necessary process for the long-term mechanical support of the trees, even under hydric stress conditions

How do trees acclimatize the vital functions of their wood to environmental stresses and how this acclimation is beneficial?

Les arbres acclimatent les fonctions de leur bois aux conditions environnementales qu’ils subissent. Toutefois, le comportement de ces arbres durant les tempêtes des dernières décennies montre que l’acclimatation des arbres vis à vis des sollicitations mécaniques dues au vent est inégale. Dans le futur, les arbres seront soumis à de nouveaux régimes venteux avec des vents violents plus fréquents et des vents quotidiens de plus faible intensité. De plus, ces régimes seront accompagnés de périodes de stress hydrique qui interagiront avec la capacité d’acclimatation de ces arbres aux stress mécaniques dus au vent. Afin de prédire leur comportement vis à vis de ces nouveaux régimes et afin de donner aux sylviculteurs et aux sélectionneurs les clefs pour adapter leur gestion des forêts, il est nécessaire de comprendre les mécanismes d’acclimatation fonctionnelle du bois vis à vis des conditions environnementales. Pour répondre à ces enjeux, ma thèse vise à étudier comment les arbres acclimatent les fonctions vitales de leur bois (soutien mécanique, conduction hydraulique) face aux conditions environnementales et en quoi cette acclimatation est bénéfique pour les arbres vis à vis de futures sollicitations. Pour cela, j’ai fait croitre des plants de jeunes peupliers, essence modèle, en serre sous conditions climatiques contrôlées (stress mécanique et/ou stress hydrique). Je caractériserai ensuite les propriétés du bois formé sous stimuli contrôlés : je me concentrerai sur les propriétés hydrauliques permettant la conduction de l'eau dans l’arbre des racines jusqu’aux feuilles ainsi que sur les propriétés mécaniques permettant le soutien mécanique de l’arbre. Je combinerai ces données expérimentales dans un modèle intégratif afin d’évaluer le caractère bénéfique de l’acclimatation pour les arbres

Adjustements of mechanical and hydraulic properties of wood formed under environmental stresses

Adjustements of mechanical and hydraulic properties of wood formed under environmental stresses. 6ème journées du GDR 3544 "Sciences du bois