Approche interdisciplinaire d’un atelier minéralurgique du XVe s à Sainte-Marie aux-Mines (Haut-Rhin, France)

International audienc

Approche isotopique pour tracer la dynamique de l’eau et des nutriments dans les sols forestiers

La fertilité des sols forestiers est généralement estimée par l’étude des cycles de l’eau et des éléments nutritifs essentiels aux êtres vivants (cycles biogéochimiques). Parmi l’ensemble des méthodes d’étude de ces cycles, une approche innovante, complémentaire des études plus classiques, consiste à utiliser des traceurs géochimiques ou isotopiques. Les démarches expérimentales et résultats de quelques études récentes dans le domaine, utilisant des traceurs naturellement présents dans les écosystèmes (ex. 18O, 13C, 26Mg) ou artificiellement apportés (ex. enrichissements en Sr, Rb, 15N, 44Ca, 26Mg, 32P) seront présentés. Ces résultats seront discutés pour faire un point sur la pertinence d’utilisation de ces outils pour définir les sources, avoir accès au temps de résidence de l’eau et des éléments, et tracer les flux de nutriments qu’ils soient d’origine organique ou minérale, internes ou externes à l’écosystème

Utilisation des isotopes du strontium pour évaluer la dynamique des éléments minéraux dans des écosystèmes forestiers sous climat boréal, tempéré et tropical

First, we have stlldiect the relations between 'the dynamics of calcium (Ca) and strontium (Sr) in different ecosystems on acid and calcareous soils, in order to evalllate if Sr could be used as a tracer of Ca. Variations of Ca and Sr concentrations were strongly and linearly correlated at each level of the ecosystems. Ho"Yvever, the slope of the correlations varied in each compartment of each ecosystem. In general, raot Sr/Ca ratio was lower to leaf Sr/Ca ratio, because of a preferential upward transfer of Ca versus Sr. Hence leaf litterfall was enriched in Ca in comparison to raot litter. This process, together with a preferential adsorption of Ca on the exchange sites of organichorizons, determined a preferential accumulation of Ca versus Sr in the soil surface horizons. In acid soils, the Sr/Ca ratio of spruce raots was lower than the Sr/Ca ratio of the soil exchange eomplex, whieh suggested a preferential uptake of Ca. This study confirmed the general analogy between Ca and Sr, but underlined the limitations of its use in ecosystem studies. Then, we have used the variations of Sr isotopie ratio to evaluate the dynamies of minerai elements in fore st ecosystems under boreal, tropical and temperate climate. In French Guyana, in two soil units differing in soil texture, we have measured the Sr isotopie ratio of three fore st species differing by their rooting depth and pattern. In the two units, theisotopie signature of bioavailable Sr inereased strongly with soil depth. But the isotopie signatures of al! speeies were similar to that of bioavailable Sr in the uppest sail horizon, which demonstrated that deep roots did not provide nutrients to the tropical ra in forest. In the North of Syveden, 'vve have measured the isotopie ratio of trees and sa ils in a pine and spruce mixed stand grovving on a peat and a podzol. Root isotopie signatures '\;vere higher at depth. Pine organs isotopie ratios were lower than that of spruce. Moreover spruce 1'Oot in the podzol E horizon had much higher isotopie ratio th an pine roots. A model of Sr circulation was llsed and showed that the interspeeific differences in Sr is6topie ratio were rdated to the intensity) of Sr cycling in litterfaH, and to a specifie weathering in the rhizosphere of spruce. Measurements a lso showed a deeper water and Sr uptake of pine roots. In the Vosges Mountains, we have studied the time develoDment of water and mineraI stress in a spruce plantation. Betvveen 1950 and 1980, before fore;t decline, tree ring èl l3C decreased eontinuously, suggesting an ,inerease of }vater stress. After 1980, 6 13C values stabilis~cJ and direct, measurements showed a clecrease in transpiration and water stress in relation to needle loss. During the last ten years, a set of budget showed a deerease in soil base saturation at that site. Between 1950 and 1990, tree ring Sr isotope ratio decreased. A model was used and simulated a similar decrease wh en the leaching of exchangeable Sr was increased, or when roots were allowed to take up nutrients in more superficial soil layers. These two mechanisms are very likely to have caused the mineraI defieiencies of the stand and may have increased its sensitivity to water stress. These results show the advantage of combining isotopie measurements and dynamie modelling 111order to understand the dynamics of mineraI elements in forest ecosystems.Les dynamiques du strontium (sr) et du calcium (ca) ont été étudiées dans différents écosystèmes forestiers sur sol acide et calcaire, afin d'évaluer dans quelle mesure le sr pouvait être utilisé comme un traceur du ca. Nos résultats ont confirmé l'analogie générale entre sr et ca mais ils montrent un transfert préférentiel du ca par rapport au sr vers les feuilles (conduisant à une accumulation préférentielle de ca à la surface du sol via les chutes de feuilles) et suggèrent sur sol acide un prélèvement racinaire préférentiel de ca par rapport au sr. La dynamique des éléments minéraux a été évaluée dans trois écosystèmes forestiers sous climat tropical, boréal et tempéré à partir de la mesure des flux et variations isotopiques du sr dans les arbres et les sols et à l'aide d'un modèle à compartiments et à flux. En Guyane, nous avons mis en évidence le rôle quasi négligeable joué par les racines profondes des arbres dans l'alimentation minérale de la forêt Tropicale humide. Au nord de la Suède, les différences isotopiques observées dans les organes de pins et épicéas croissant en mélange suggèrent d'une part, un prélèvement et un recyclage biologique du sr beaucoup plus fort par l'épicéa, et d'autre part une altération rhizosphérique plus forte par les racines d'épicéa. Les mesures ont par ailleurs confirmé un prélèvement minéral et hydrique plus profond par le pin. Dans les Vosges, la diminution du rapport 8 7sr/ 8 6sr mesurée dans les cernes d'épicéas au cours du temps a été interprétée comme le résultat d'une acidification à long terme des sols de ce peuplement, éventuellement associée à une remontée des racines. Ces mécanismes paraissent être responsables de l'augmentation du stress hydrique subi par le peuplement

Cycles biogéochimiques et héritages dans les écosystèmes forestiers

Forest ecosystems represent an important part of the earth surface and offer multiple services to humans. It is then important to preserve them. My research aims to better understand the functioning of forest ecosystems by studying calcium and magnesium biogeochemical cycles and by assessing the chemical quality of forest soils, trees and water.Strontium isotopes (87Sr/86Sr) have been used to identify calcium sources in trees and soils. In most tropical and temperate ecosystems studied on acidic and draining rocks, nutrients have a predominantly atmospheric origin and are taken mainly from the surface. However, in some lowland forest in Lorraine, our results show that trees take up nutrients mainly from a deep-water. The strontium and magnesium isotopes (d26Mg) underlined the importance of biological weathering processes, soil removal and recycling via litter to explain calcium and magnesium dynamics in soils and waters.I am currently involved in work on the origin of archaeological woods, in particular the carbonized woods used for the construction of Notre-Dame de Paris frame during the 12th and 13th centuries. For several years, my work has been oriented towards a better understanding of the chemical fertility evolution and possible acidification of forest ecosystems in a context of multiple heritages such as decades of acidic atmospheric deposition, the generalized decrease of these deposits, forest management adapting to climate change, and historical human pressures that may have improved or on the contrary impoverished the soils until today.Les écosystèmes forestiers représentent une part importante de la surface des terres émergées et offrent de multiples services à l’Homme, d’où l’intérêt de les préserver. Mes recherches ont pour objectif de préciser le fonctionnement d’écosystèmes forestiers en étudiant les cycles biogéochimiques au sein de ces milieux, notamment ceux du calcium et du magnésium, et en évaluant la qualité chimique de leurs sols, arbres et eaux.Les isotopes du strontium (87Sr/86Sr) ont permis d’identifier les sources de calcium dans les arbres et les sols. Dans la plupart des écosystèmes tropicaux et tempérés étudiés sur roches acides et drainantes, les nutriments ont une origine atmosphérique prépondérante et sont prélevés principalement en surface. Cependant dans certains contextes de forêts de plaines en Lorraine, nos résultats démontrent que les arbres s’alimentent majoritairement à partir d’une nappe profonde. Les isotopes du strontium et ceux du magnésium (d26Mg) ont souligné l’importance des processus biologiques d’altération, de prélèvements dans les sols et de recyclage via les litières pour expliquer la dynamique du calcium et du magnésium dans les sols et les eaux.Grace aux connaissances acquises sur les liens entre la chimie des sols et celle des arbres, je participe actuellement à des travaux sur l’origine de bois archéologiques, notamment ceux maintenant carbonisés utilisés pour la construction de la charpente de Notre-Dame de Paris aux 12èmeet 13ème siècles. Depuis quelques années, mes travaux s’orientent par ailleurs vers une meilleure compréhension de l’évolution de la fertilité chimique et de l’acidification éventuelle de ces écosystèmes forestiers dans un contexte d’héritages multiples tels que des décennies de dépôts atmosphériques acides, la diminution généralisée de ces dépôts, des sylvicultures en cours d’adaptation face aux changements globaux et des pressions humaines historiques qui ont pu améliorer ou au contraire appauvrir les sols jusqu’à aujourd’hui

Cycles biogéochimiques et héritages dans les écosystèmes forestiers

Forest ecosystems represent an important part of the earth surface and offer multiple services to humans. It is then important to preserve them. My research aims to better understand the functioning of forest ecosystems by studying calcium and magnesium biogeochemical cycles and by assessing the chemical quality of forest soils, trees and water.Strontium isotopes (87Sr/86Sr) have been used to identify calcium sources in trees and soils. In most tropical and temperate ecosystems studied on acidic and draining rocks, nutrients have a predominantly atmospheric origin and are taken mainly from the surface. However, in some lowland forest in Lorraine, our results show that trees take up nutrients mainly from a deep-water. The strontium and magnesium isotopes (d26Mg) underlined the importance of biological weathering processes, soil removal and recycling via litter to explain calcium and magnesium dynamics in soils and waters.I am currently involved in work on the origin of archaeological woods, in particular the carbonized woods used for the construction of Notre-Dame de Paris frame during the 12th and 13th centuries. For several years, my work has been oriented towards a better understanding of the chemical fertility evolution and possible acidification of forest ecosystems in a context of multiple heritages such as decades of acidic atmospheric deposition, the generalized decrease of these deposits, forest management adapting to climate change, and historical human pressures that may have improved or on the contrary impoverished the soils until today.Les écosystèmes forestiers représentent une part importante de la surface des terres émergées et offrent de multiples services à l’Homme, d’où l’intérêt de les préserver. Mes recherches ont pour objectif de préciser le fonctionnement d’écosystèmes forestiers en étudiant les cycles biogéochimiques au sein de ces milieux, notamment ceux du calcium et du magnésium, et en évaluant la qualité chimique de leurs sols, arbres et eaux.Les isotopes du strontium (87Sr/86Sr) ont permis d’identifier les sources de calcium dans les arbres et les sols. Dans la plupart des écosystèmes tropicaux et tempérés étudiés sur roches acides et drainantes, les nutriments ont une origine atmosphérique prépondérante et sont prélevés principalement en surface. Cependant dans certains contextes de forêts de plaines en Lorraine, nos résultats démontrent que les arbres s’alimentent majoritairement à partir d’une nappe profonde. Les isotopes du strontium et ceux du magnésium (d26Mg) ont souligné l’importance des processus biologiques d’altération, de prélèvements dans les sols et de recyclage via les litières pour expliquer la dynamique du calcium et du magnésium dans les sols et les eaux.Grace aux connaissances acquises sur les liens entre la chimie des sols et celle des arbres, je participe actuellement à des travaux sur l’origine de bois archéologiques, notamment ceux maintenant carbonisés utilisés pour la construction de la charpente de Notre-Dame de Paris aux 12èmeet 13ème siècles. Depuis quelques années, mes travaux s’orientent par ailleurs vers une meilleure compréhension de l’évolution de la fertilité chimique et de l’acidification éventuelle de ces écosystèmes forestiers dans un contexte d’héritages multiples tels que des décennies de dépôts atmosphériques acides, la diminution généralisée de ces dépôts, des sylvicultures en cours d’adaptation face aux changements globaux et des pressions humaines historiques qui ont pu améliorer ou au contraire appauvrir les sols jusqu’à aujourd’hui

From the microscope to the landscape: soil sequences from the second half of the Holocene as indicators of past ecological dynamics

International audienceSoil complexes have components and properties that belong to both organic and mineral worlds. They constitute diverse habitats and provide water and energy for biological and microbiological activity. Thus, as a real ecotone, a soil is a dynamic ecological system and its qualities are important for mankind.In historical ecology, past human impacts are studied on current soil properties. However, when researches are focused on long term environmental evolution, another important aspect has to be developed: the study of buried paleosol sequences dated by archaeological artefacts. Data gathered over the last two decades during preventive archaeological excavations in Lorraine, have shown, from the field to the microscope, that these artefacts are good indicators for tracing ancient biotic and abiotic ecological factors of past soil ecosystems.From examples of ancient urban, rural and pre-industrial settlements, we will highlight the human strong impact on soils by deforestation, drainage or management of the natural landscape. Archaeo-pedology brings out the early strong anthropogenic influence on soil in urban context, and reveals also that the now protected typical grazed dry grassland of the calcareous Sion plateau has been deforested since the Bronze-Age. Across Lorraine, two main soil evolution phases can now be recognized: a late Iron-Age strong erosion episode and colluviation processes, and an early Roman soil desiccation period and luvisol degradation. Then, within the second half of the Holocene, soil evolution seems to be mainly a human derived process, even if climate crises and local physical factors could have reinforced them.We invite then the ecologist community to take fully into account these under-used archaeo-pedological data. Better understanding of key pedological factors controlling past soil evolution may help future soil management and ecological restoration.https://www.youtube.com/watch?v=cb48b2SEe7s&feature=youtu.b

Etude pédo-sédimentaire 2018 sur le Saint Mont - Résultats préliminaires (LIEC)

Cette étude des formations pédo-sédimentaires en lien avec l'occupation ancienne du St Mont vient compléter l'approche multidisciplinaire en cours sur le site. Elle tente de répondre à trois questions :-Quelle est la nature des sols au niveau des 3 sondages archéologiques réalisés ?-Sur quels « matériaux » repose la structure. Ceux-ci sont-ils antérieurs ou ont-ils subi des transformations postérieurement à la mise en place de la structure ? Sont-ils conformes aux formations superficielles et sols attendus sur la zone

Utilisation des isotopes du strontium pour évaluer la dynamique des éléments minéraux dans des écosystèmes forestiers sous climat boréal, tempéré et tropical

NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Monitoring the vegetation kinetics after clear cuts due to bark beetle invasion

International audienceLarge areas of the Vosges Mountains (North-East France) are actually submitted to clear cuts due to the invasion of spruce (Picea abies) stands by a bark beetle (Ips typograpus). The clear cuts are organized to save as much timber as possible but leave large soil areas without cover, prone to accelerated erosion in steep slopes. The question of reforestation is still open but lowland vegetation has started to appear (brambles, brooms, heathers, etc.). In some stands, natural regeneration is taking place. An impact of these clear cuts on the surface water quality of the headstreams flowing close to them is possible and should be investigated. To monitor the greening due to the mostly annual development of this new vegetation, satellite images are being used. Sentinel-2 images (ULU and UGP tiles, 10 m spatial resolution, available since 2017) have been retrieved. For earlier data, Landsat images (available on https://glovis.usgs.gov/) can be used but their spatial resolution is lower (30 m). Images with clouds over the areas of interest or snow have been discarded. The areas of interest (i.e. zones of clear cuts) have been defined after land surveys. The images have been used to calculate the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) using QGIS (https://www.qgis.org). To take into account the variation of global illumination during the year, reference zones have been defined in nearby lakes (Gérardmer, Longemer, Kruth).The vegetation kinetics of plots which have been cut over the last two years will be compared. In the case of the Pleinot watershed (Girmont-Val d’Ajol- Vosges Mountains, France), the changes in water quality (minerals and dissolved organic matter) of the headstream crossing one of the clear cuts will be discussed

Etude pédo-sédimentaire associée à la campagne de fouille 2019 sur le Saint-Mont

Cette étude des formations pédo-sédimentaires 2019, en lien avec l'occupation ancienne du Saint-Mont, a été menée dans le cadre du projet « Interdisciplinarité » SolHoM-Fossard, subventionné la structure 1 en pierre sèches fouillée en 2018 (sondages 1, 2 et 3, voir Fig. 1 ; Chenal et Grzesznik, 2018 ; Grzesznik, 2019). Ces premiers travaux, non subventionnés, avaient pour objectif de déceler une éventuelle perturbation anthropique des sols et paléosols à proximité des structures. Ils ont permis de décrire des sols en lien direct avec cette structure et des sols de « référence » en bordure de chemins, dans les zones éloignées des structures archéologiques (Poszwa et al., 2018). Ils ont été complétés par une prospection à la tarière sur la plateforme PL. Une série d'échantillons a été prélevée en vue de leur analyse chimique et en lame mince. Mais les caractérisations de ces échantillons restent en attente de L'objectif global du projet SolHoM est de mieux comprendre le degré d'anthropisation des sols et l'évolution des paysages sur le Saint-Mont et le Fossard. Il prévoit un travail à deux échelles, pas forcé-ment reliées entre elles : (i) celle du versant, (prospections de surface pour étude des premiers centimètres de sols actuels et fosses pour étude de sols colluviaux ou sols de référence) ; (ii) celle des fenêtres de fouilles (étude des sols sous (ou proches) des structures archéologiques). Cette approche multi-scalaire nous permettra de mieux appréhender l'évolution de ces sols, mais aussi de détecter d'éventuels indices de défrichement, d'érosion, ou de mise en valeur agricole du secteur étudié. Pour cette seconde campagne 2019, nous avons principalement travaillé à l'échelle de fenêtres de fouille. Nos investigations ont porté sur des séquences pédo-sédimentaires soit enfouies sous les structures archéologiques, soit associées à celles-ci.-Trois sites ont été investigués en 2019 (Fig1) : La plateforme Pi , sur la terrasse 4.1 concernée par la fouille de la structure 4, est située à proximité du secteur fortement anthropisé depuis l'époque mérovingienne (monastère, habitat, formae). Quatre-La fosse FAA, creusée au centre de la plateforme Pi, se situe en contrebas de la basilique funéraire et des formae-logiques 2019 du même nom. La plateforme PL est éloignée de ce dernier secteur Pi mais en lien avec la structure sondée en 2018. 19