Rôle du sous-bois sur le fonctionnement microbien du sol en forêt

Abstract

Adapting forests to global change is one of the major challenges of the 21st century. In a context where soil resources are likely to decrease significantly in the future due to strong variability in water availability or depletion of non-renewable nutrients such as phosphorus, it seems essential to assess the impact of local practices, such as fertilisation or understory management, to ensure sustainable management of forest ecosystems.This thesis takes place in a managed temperate forest context and aims to understand the role of the understory and its interaction with the availability of water and nutrient resources on certain forest ecosystem functions such as tree productivity, organic matter decomposition and soil carbon storage.The PhD was based on two forests planted with maritime pine (Pinus pinaster Ait.) in the Landes de Gascogne, which have contrasting functions and understories due to differences linked to the water table: one is located on wet moorland with a shallow water table, while the other is on dry moorland with a deep water table. Within these forests, cross-treatments of understory removal and fertilisation have been implemented since planting. Soil was collected at different depths and at different timescales in order to observe the dynamics of the processes studied (carbon storage, microbial biomass, enzyme activities, respiration linked to the degradation of various carbon substrates). Rain exclusion systems were also set up over the course of a summer to mimic an event extending the summer drought period in the image of those predicted for the future, and thus assess the effects of an extreme water deficit on soil microorganisms.Removal of the understory had a very pronounced effect on the microclimate in both forest ecosystems, although the magnitude of this effect was greater on dry heath than on wet heath. As the wet moorland forest was nutrient-limited, removing the nutrient constraint using phosphorus fertilisation or eliminating the understory had the effect of increasing above-ground biomass production, but had little to no effect on soil processes. Although the upwelling event of the water table in winter had a very strong impact on microbial communities and soil carbon, the manipulation of water resources during the summer had little or no influence on soil functioning on wet moorland. In the dry moorland, removal of the understory led to a significant increase in pine growth, probably through competition for resources, especially during the first years of rotation. However, management of the understory had a very negative effect on soil carbon stocks because the species that make up the understory on dry moorland (i.e. Ericaceous plant species) tend to favour the accumulation of organic matter. This negative effect was accompanied by lower microbial activity in the managed plots due to the reduction in soil moisture and organic matter inputs from understory plants. The amplification of the summer drought had little impact on the microbial communities, probably because this environment is already characterised by significant water deficits.These results highlight that the influence of the understory is not unequivocal, since it depends on the environmental context, and that it is necessary to assess the relative importance of different resources, such as water and nutrients, in relation to the composition of the understory if the objective is to optimise specific ecosystem functions, such as tree growth or soil carbon stocks, on an ecosystem scale.L'adaptation des forêts face aux changements globaux est l’un des enjeux majeurs du 21ème siècle. Dans un contexte où les ressources du sol risquent de fortement diminuer à l’avenir à cause d’une forte variabilité de la disponibilité en eau ou d’un appauvrissement en nutriments non-renouvelables comme le phosphore, il parait essentiel d’évaluer l’impact des pratiques locales, telles que la fertilisation ou la gestion du sous-bois, pour assurer une gestion durable des écosystèmes forestiers.Cette thèse s’inscrit dans un contexte de forêt tempérée gérée et vise à comprendre le rôle du sous-bois et son interaction avec la disponibilité en ressources hydriques ou nutritives sur certaines fonctions des écosystèmes forestiers comme la productivité des arbres, la décomposition de la matière organique ou le stockage de carbone du sol.La thèse s’est appuyée sur deux forêts plantées de pin maritime (Pinus pinaster Ait.) dans les landes de Gascogne qui présentent des fonctionnements et des sous-bois contrastés en raison de différences liées à la nappe phréatique : l'une est située sur une lande humide avec une nappe superficielle, tandis que l'autre se trouve en lande sèche avec une nappe profonde. Au sein de ces forêts, des traitements croisés de suppression du sous-bois et de fertilisation ont été mis en place depuis la plantation. Des collectes de sol à différentes profondeurs et à différentes échelles de temps ont été menées afin d’observer la dynamique des processus étudiés (stockage de carbone, biomasse microbienne, activités enzymatiques, respiration liée à la dégradation de divers substrats carbonés). Des systèmes d’exclusion des pluies ont également été mis en place au cours d’un été pour mimer un allongement de la période de sécheresse estivale à l’image de ceux prédits à l’avenir, et ainsi évaluer les effets d’un déficit hydrique extrême sur les microorganismes du sol.La suppression du sous-bois a eu un effet très marqué sur le microclimat dans les deux écosystèmes forestiers, cependant l’amplitude de cet effet était plus grande en lande sèche qu’en lande humide. La forêt en lande humide étant limitée par les nutriments, la levée de la contrainte nutritive obtenue par fertilisation au phosphore ou élimination du sous-bois a ainsi eu pour effet d’augmenter la production de biomasse aérienne, mais n’a pas ou peu affecté les processus du sol. Bien que la remontée de la nappe phréatique en hiver ait eu un impact très fort sur les communautés microbiennes et le carbone du sol, la manipulation de la ressource hydrique durant la période estivale n’a pas ou peu influencé le fonctionnement du sol en lande humide. En lande sèche, la suppression du sous-bois a permis d’augmenter fortement la croissance des pins, probablement grâce à l’allègement d’une compétition pour les ressources, surtout durant les premières années de rotation. Cependant, la gestion du sous-bois a eu un effet très négatif sur les stocks de carbone du sol car les espèces qui composent le sous-bois en lande sèche (c.-à-d. des plantes Ericacées) tendent à favoriser l’accumulation de la matière organique. Cet effet négatif était accompagné d’une activité plus faible des communautés microbiennes dans les parcelles gérées à cause de la diminution de l’humidité du sol et des apports en matière organique par les plantes de sous-bois. L’amplification de la sécheresse estivale a eu peu d’impact sur les communautés microbiennes, probablement car ce milieu est déjà caractérisé par des déficits hydriques importants.Ces résultats soulignent que l’influence du sous-bois n’est pas univoque puisqu’elle dépend du contexte environnemental, et qu’il est nécessaire d’évaluer l’importance relative des différentes ressources telles que l’eau et les nutriments en lien à la composition du sous-bois si l’objectif est d’optimiser des fonctions spécifiques de l’écosystème comme la croissance des arbres ou les stocks de carbone du sol à l’échelle de l’écosystème