L'installation des zones de sylviculture intensives vise à établir un équilibre entre les objectifs de conservation et de production de fibre ligneuse. En Abitibi-Témiscamingue le reboisement des friches agricoles constitue un élément de l'aménagement forestier durable des régions périphériques. Le milieu agricole offre t-il une productivité comparable au milieu forestier, compte tenu du compactage causé par l'utilisation des machines et le labourage plus accentué? Les objectifs de l'étude étaient de comparer la croissance du pin gris (Pinus banksiana Lamb.) et de l'épinette blanche (Picea glauca (Moench) Voss) en plantations établies sur sols agricoles et forestiers, d'évaluer les indices de qualité du sol et la productivité des espèces. L'échantillonnage comprenait 20 plantations de pin gris et 20 plantations d'épinette blanche en milieu agricole et forestier dans la région écologique de la sapinière à bouleau blanc de l'ouest du Québec. Les paramètres de croissance des arbres mesurés étaient la hauteur totale, le diamètre et la longueur des cinq derniers verticilles. Les indices de qualité du sol évalués comprenaient les propriétés physiques et chimiques du sol. La comparaison des propriétés des sols entre les deux milieux a révélé que les sols agricoles sont modifiés par l'effet du compactage. Les macroporosités étaient plus élevées de 3 et 4% en milieu forestier. La capacité au champ était de 3 et 5% plus élevée en milieu agricole et les points de flétrissement de 6 et 5% supérieurs à ceux des sols forestiers. L'épinette blanche augmentait la masse volumique du sol au fil du temps, le pin gris favorisait une macroporosité plus élevée des sols. Les sols forestiers avaient un taux de minéralisation de l'azote plus élevé et une meilleure qualité de la matière organique. L'augmentation de la capacité au champ en milieu agricole favorisait la croissance en hauteur du pin gris, l'azote minéralisé favorisait la croissance de l'épinette blanche. La croissance des deux essences n'a pas été pour autant différente d'un milieu à l'autre. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Pin gris, Épinette blanche, Plantations, Croissance, Compactage du sol, Propriétés physiques et chimiques du sol, Région écologique de la sapinière à bouleau blanc du Québec (5a).

Afin d'accélérer le retour de peuplements forestiers de haute valeur économique et écologique après l'abandon de l'agriculture, on peut envisager l'afforestation avec les plantations d'arbres à croissance rapide. En plus de leur production ligneuse, ces plantations pourraient amener d'autres avantages, tels que la restauration écologique et/ou la culture de produits forestiers non ligneux en sous-bois. Pourtant, peu d'études ont comparé directement l'habitat créé par les plantations avec l'habitat forestier naturel créé par la succession. Dans une première étude nous avons comparé les effets des plantations avec la succession naturelle en champ abandonné (friches), en termes d'attributs abiotiques et des communautés végétales de sous-bois. Nous avons caractérisé les propriétés chimiques et l'humidité du sol, la lumière, la litière de feuilles, et les communautés végétales de sous-bois dans des plantations expérimentales de deux clones de peuplier hybride, dans des champs abandonnés et des forêts de seconde venue à proximité des plantations à huit sites dans la région des Cantons-de-l'Est, Québec, Canada. Les deux types de plantations n'ont pas eu d'effet significatif sur les propriétés chimiques des sols, comparés aux friches, mais elles avaient des sols plus secs que les friches et les forêts. Nous avons observé plus de litière de feuilles et moins de lumière dans les plantations du clone MxB que les plantations du clone DxN, tandis que les plantations les plus productives des deux clones étaient similaires aux forêts secondaires en terme de ces caractéristiques. Les plantations ont favorisé la colonisation des sites par les arbres, tandis que les communautés d'herbacées et d'arbustes sont demeurées similaires à celles des friches. Nous concluons que les plantations de peuplier hybride ont la capacité d'accélérer la restauration de certains attributs de sous-bois, particulièrement aux sites récemment abandonnés et productifs. Dans une deuxième étude nous avons utilisé des introductions expérimentales de plantes pour évaluer la valeur de l'habitat de sous-bois des plantations de peuplier hybride, en comparaison avec celui des forêts de seconde venue. Nous avons transplanté quatre espèces herbacées indigènes de sous-bois dans six plantations et dans des boisés avoisinants. Nous avons mesuré la survie, la taille, et la fleuraison immédiatement après la transplantation et un an plus tard. Trois espèces sur quatre (Asarum canadense, Sanguinaria canadensis, Maianthemum racemosum) ont eu autant ou plus de succès dans les plantations que dans les boisés, tandis que la tendance était l'inverse pour le trille blanc (Trillium grandiflorum). Bien que ces résultats soient préliminaires, ils suggèrent que la culture d'espèces de sous-bois dans les plantations de peuplier hybride pourrait représenter une alternative intéressante à leur culture dans les boisés, et surtout pour éviter toute récolte dans les populations naturelles. Globalement, ces résultats suggèrent que les changements apportés par les plantations au niveau de la lumière et de la litière sont suffisants pour favoriser la colonisation par les espèces d'arbres et le maintient du stade adulte de certaines espèces forestières herbacées. Par conséquence, le manque de colonisation spontanée des plantations par les espèces de sous-bois refléterait une limitation à un autre stade de leur cycle de vie. En somme, les plantations de peuplier hybride apparaissent prometteuses comme peuplements de transition au cours de l'afforestation, et pourraient être utilisées pour la restauration écologique ou la culture de produits forestiers non ligneux. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : peuplier hybride, friche agricole, lumière, sol, sous-bois, produit forestier non ligneux

Les plantations forestières représentent 5% de la surface forestière mondiale mais assurent plus du tiers de l’approvisionnement en bois de la planète. La durabilité de ces systèmes de production repose sur le maintien à long terme de leur fertilité, sans recourir à la fertilisation. L’introduction d’une espèce fixatrice d’azote (N) dans les plantations forestières est une des solutions envisagées pour relever ce défi. L’objectif de la thèse était d’évaluer l’effet de l’introduction de l’Acacia mangium dans une plantation pure d’eucalyptus sur la croissance des arbres, la production de biomasse et la dynamique de N dans le sol. Pour atteindre cet objectif, des inventaires destructifs combinés à une collecte des chutes de litière ainsi qu’un suivi annuel de la minéralisation de N dans le sol, ont été réalisés. Ils ont été associés à l’étude de la fixation symbiotique de N et de l’enrichissement en N de la matière organique particulaire. Cette étude a permis de mettre en évidence un effet positif de l’acacia sur la croissance des eucalyptus à travers une modification des relations interspécifiques. La relation de facilitation engendrée par la fixation symbiotique de N a été à l’origine d’une augmentation de la croissance des eucalyptus et de la production primaire nette aérienne. Cette augmentation de croissance était liée à l’amélioration du contenu azoté du sol, en particulier dans la fraction grossière de la matière organique particulaire. Une augmentation de la production de N par minéralisation a révélé un recyclage beaucoup plus rapide du N du sol. Ces travaux ouvrent des perspectives pour une intensification écologique de la sylviculture des plantations tropicales. / Forest plantations represent 5% of the world forest area but provide more than one third of world wood supply. Sustainability of these systems is based on the long-term maintenance of their fertility without using fertilizers. The introduction of nitrogen (N) fixing species in forest plantations is one of the solutions to take-up this challenge. The aim of this work was to assess the effects of the introduction of Acacia mangium in pure stand of eucalypts on tree growth, biomass production and soil nitrogen dynamics. To achieve this goal, destructive inventories combined with quantification of N fluxes in litter fall and annual monitoring of N mineralization in soil, has been done. They were associated with study of the symbiotic fixation of N and N enrichment in particulate organic matter. The study highlighted a positive effect of acacia on the growth of eucalyptus through a modification of interspecific interactions. Facilitating relationship created by the symbiotic nitrogen fixation has been the source of an increase in the growth of eucalyptus and aboveground net primary production. This increased growth was related to improvement of the nitrogen content of the soil, especially in the coarse fraction of the particulate organic matter. An increase in nitrogen mineralization indicated a much faster soil nitrogen cycling. This work opens perspectives for an ecological intensification of tropical plantation forestry.

Face à une demande mondiale en bois en constante augmentation, les forêts plantées sont en rapide expansion, notamment au Brésil où les plantations d'eucalyptus pourraient couvrir 10 millions d'hectares d'ici 2020. Ces plantations hautement productives soulèvent des questions importantes au niveau (i) de leur durabilité dans un contexte de changement climatique et (i) de leur impact sur l’environnement, en particulier sur les cycles de l'eau, du carbone et des nutriments. La capacité des eucalyptus à développer un système racinaire très profond (<15 m) pour atteindre la nappe phréatique, pourrait jouer un rôle clé dans l’adaptation à des disponibilités plus faible en eau. Cependant, le rôle de ces racines fines profondes dans la nutrition des plantes a jusque-là été extrêmement peu documenté.Dans ce contexte, l'objectif général de cette thèse était d'évaluer l'influence de la profondeur et de la disponibilité de l’eau sur le fonctionnement des racines fines à travers l’étude de la rhizosphère. Pour cela, une plantation clonale d’Eucalyptus grandis de 5 ans a été étudiée au Brésil sous deux régimes hydriques contrastés : un traitement + W, recevant une pluviométrie normale a été comparé à un traitement –W dans lequel 37% des pluviolessivats sont exclus. Des essais ont été réalisés dans le but d'appliquer une technologie de laboratoire innovante au champ : les optodes, permettant la cartographie du pH rhizosphérique notamment. Les rhizodepôts libérés par les racines fines d’eucalyptus interférant avec le signal du capteur optique, nous n’avons pas pu obtenir de résultats interprétables. Cependant, des tests réalisés sur le pin nous laissent confiants quant à la possibilité d'utiliser ce système, en suivant quelques recommandations. Des analyses destructives ont été réalisées sur du sol rhizosphérique et non-rhizosphérique échantillonnés le long d'un profil de 4 m. Au niveau de la nutrition : une accumulation de potassium et de protons au sein de la rhizosphère a été observée, en particulier en dessous d’1 m (x3,0 et x1,1 pour K et H3O+ en + W, resp.) et en condition de réduction des précipitations (x7,0 et x1,4 pour K et H3O+ en –W, resp.). La répétition de ces mesures pendant la saison des pluies a confirmé l'enrichissement de protons et de K dans la rhizosphère, ce qui suggère que ces processus se produisent tout au long de l'année. Cependant, l’absence d’effet traitement durant la saison des pluies laisse suggérer une bonne résilience potentielle du système. La quantité de K amenée à la surface des racines fines par flux de masse, estimée à 2 kg de K ha-1 an-1, ne permet pas d’expliquer la quantité de potassium absorbé par les arbres, estimée à 17,5 kg de K ha-1 an-1, ni l'accumulation observée dans la rhizosphère. Une explication plus probable est l'altération des minéraux potassiques induite par le fonctionnement racinaire, et notamment l’acidification. La preuve de la possibilité d’association ectomycorhiziennes jusqu'à 4 m de profondeur renforce l'hypothèse d'un rôle clé des racines fines profondes dans la nutrition des plantes. Une concentration élevée en Al3+ a aussi été mesurée au sein de la rhizosphère (jusqu'à 12 mg kg-1). Au niveau du stockage du carbone : malgré la diminution exponentielle attendue de la concentration en C et N avec la profondeur (de 0,72 à 0,12 ‰ entre 0 et 4 m), nos résultats ont montré que plus de la moitié du stock de carbone contenu dans le sol non rhizosphérique était situé en dessous d’1 m. Une accumulation de C dans la rhizosphère a été mesurée, en particulier en profondeur (x1,4 en dessous d’1 m en + W) et en condition de réduction des pluies (x3,0 à 4 m en –W). Les mêmes tendances ont été observées pour N. L’effet rhizosphérique a été conservé pendant la saison des pluies, mais pas l'effet du traitement. Ce travail a confirmé que les racines fines profondes jouent un rôle clé, pour la nutrition des plantes et le stockage de carbone, en contexte de changement climatique particulièrement. / Due to the constant increase of the world demand for wood, the planted forests are in fast expansion notably in tropical countries such as Brazil where plantations of eucalypts, the most productive and spread out planted species, may reach 10 million ha by 2020. The expansion of these plantations on less fertile sites, combined with the context of climate change lead to important issues about (i) the sustainability of these plantations under more frequent and intense drought events and (i) the impact on the environment of these highly productive plantations with very short rotations (6 yr), particularly for nutrient, water and carbon cycles. Eucalypt trees are able to develop very deep root system (<15 m) to reach the water table, and this may play a key role to cope with decreasing soil water availability. However, the role of these deep fine roots in plant nutrition is dramatically under-documented. In this context, the general objective of this study was to evaluate the influence of soil depth combined with water availability on fine root functioning through characterization of the rhizosphere properties. For this purpose, a 5-yr-old clonal Eucalyptus grandis plantation was studied in Brazil in two contrasted water regimes: the +W treatment, receiving normal rainfall was compared with the –W treatment where 37% of the throughfall were excluded in order to mimick the future climate forecasted in the region. Exploratory tests were carried out for the introduction of an innovative lab technology under field conditions: the optodes, which allow mapping rhizosphere pH. The rhizodeposition of eucalypt fine roots interfered with the optical sensor signal and prevented us to get interpretable results. However, some tests on pine trees let us confident of the possibility of using our system for field studies at depth, using some recommendations. Destructive analyses of rhizosphere and bulk soil samples collected along a 4-m deep soil profile showed an effect of depth and rainfall reduction on rhizosphere pH, potassium concentration, rhizodeposition pattern and carbon storage capacity. Concerning nutrition issues, we found an accumulation of potassium and protons within the rhizosphere, especially below 1-m depth (x3.0 and x1.1 for K and H3O+ in +W, respectively) and in reduced rainfall conditions (x7.0 and x1.4 for K and H3O+ in –W, respectively). Repeating these measurements during rainy season confirmed the enrichment of protons and potassium within the rhizosphere, suggesting that these processes may occur all along the year but no treatment effect was observed anymore, pointing to a potential good resilience of the system. The amount of K brought to fine roots by mass flow was estimated to 2.0 kg K ha-1 yr-1 and could not explain the amount of potassium taken up by trees estimated to 17.5 kg K ha-1 yr-1 and the observed accumulation in the rhizosphere. A more likely explanation was the root-induced weathering of K-bearing minerals, partly related to rhizosphere acidification. Proof of ectomycorrhizal association down to 4-m depth further supported the hypothesis of a key role of deep fine roots in plant nutrition. High exchangeable Al3+ concentration was found within the rhizosphere (up to 12.0 mg kg-1). Concerning the carbon storage issue, despite an expected exponential decrease of C and N concentrations within the bulk soil with depth (0.72‰ to 0.12‰ from top soil to 4-m depth), our results showed that more than half of soil C stock within the bulk soil occurred below the first meter. An accumulation of C within the rhizosphere was found, especially at depth (x1.4 below 1 m in +W) and in reduced rainfall conditions (x3.0 at 4-m depth in –W). The same trends were found for N. The rhizosphere effect was conserved during rainy season but not the treatment effect. This work confirmed that deep fine roots play a key role, especially in the context of climate change, for plant nutrition and carbon storage.