Thèse--Paris.

Mémoire (M.Ress.Renouv.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1997. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thèse (M.Ress.Renouv.)-- Université du Québec à Chicoutimi, 2002. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Thèse (Ph. D)--Université Laval, 1996. / Bibliogr.: f. 112-132. Publié aussi en version électronique.

Les racines des plantes jouent un rôle important dans la croissance et le développement des plantes, et il est bien connu que les interactions mécaniques entre une croissance racinaire et le sol environnant peuvent avoir un impact majeur sur la croissance des racines et par conséquent sur la production de biomasse végétale. Ces interactions mécaniques sont l'un des nombreux facteurs qui peuvent expliquent la variabilité de l'architecture des racines, y compris les facteurs génétiques, environnementaux et l'instabilité du développement. Mais ce facteur a souvent été sous-estimé. Nous supposons que la structure hétérogène du sol à l'échelle des grains, démontrée par la large répartition des forces, peut influencer d'une manière significative sur les trajectoires de croissance des racines. Ce travail de thèse vise à déterminer comment les grains dans les sols granulaires se réorganisent sous l'action de la croissance des racines, et en retour, comment les forces résultantes agissant sur les apex des racines modifient leur développement, y compris la cinématique de leurs trajectoires. Nous avons développé un modèle numérique 2D de la croissance des racines dans un milieu granulaire en utilisant la méthode des éléments discrets (DEM). Le modèle est capable de calculer les forces de contacts grain-grain et racine-grain dans un milieu granulaire. Le système racinaire est modélisé en utilisant des chaînes d'éléments de spheroline connectés. L'orientation de la croissance des racines, à chaque étape de croissance est déterminée par la dynamique de la racine entière sous l'action des forces élastiques internes et des forces de réaction exercées par les grains, ces sont les interactions mécaniques qui contrôlent la croissance numérique dans le modèle.Des études paramétriques ont été réalisées afin (i) d'estimer l'influence de la structure granulaire (distribution de grains de diamètre, la cohésion, la fraction volumique ...) et les propriétés mécaniques des racines (la rigidité à la flexion) sur le signal de force axiale agissant sur la pointe de la racine, et sur les trajectoires et (ii) de définir les lois physiques générales qui peuvent être utilisées en outre pour analyser des données expérimentales. Les courbes de distribution des forces axiales calculées normalisées par leurs moyens au cours d'une période donnée de la croissance, sont caractérisées par une loi de puissance décroissante pour les forces en dessous de la force moyenne, et une décroissance exponentielle pour les forces ci-dessus de la force moyenne, reflétant ainsi la large répartition des forces à l'intérieur d'un matériau granulaire. Une analyse de l'écart-type des déformations locales des trajectoires des racines, résulte deux régimes en fonction la rigidité de la racine. Une première lorsque le sol contrôle les déformations des racines, et une deuxième lorsque la racine est trop rigide, et se déplace plus les grains environnants durant la croissance. / Plant roots play an important role in the growth and development of plants, and it is well known that the mechanical interactions between a growing root and the surrounding soil can have a major impact on root growth and consequently on plant biomass production. These mechanical interactions are one of numerous factors that explain the variability of root architecture, including genetics, environment and developmental instability. But this factor has often been under-estimated. I hypothesize that the heterogeneous structure of soil at the particle scale, demonstrated by the broad distribution of forces, can significantly influence root growth trajectories. This thesis aims at determining how grains in granular soils are reorganized under the action of growing roots, and in return how the resulting forces acting on root tips modify their development, including the kinematics of their trajectories, in order to develop a general biophysical law of root-soil mechanical interactions. I developed a 2D numerical model of root growth in a granular medium using a Discrete Element Model (DEM). The model is able to compute grain-grain and root-grain contact forces within a granular medium. The root system is modelled using chains of connected spheroline elements. The orientation of root growth at every growth step is determined by the dynamics of the whole root under the action of its internal elastic forces and reaction forces exerted by the grains, which are the mechanical interactions that control numerical growth in the model.Parametric studies were carried out in order to (i) estimate the influence of granular structure (grain diameter distribution, cohesion, volume fraction) and root mechanical properties (root bending stiffness) on the axial force signal acting on the root tip, and on the root trajectories and (ii) define general physical laws that can be used further to analyze experimental data. The distribution curves of computed root tip-grain forces normalized by the mean force during a given period of growth were characterized by a decreasing power law for forces below the mean force, and an exponential fall-off for forces above the mean force, thus reflecting the broad distribution of forces inside the granular material. An analysis of the standard deviation of the local deformations of root trajectories resulted in two different regimes with regard root stiffness. In the first regime, soil controlled the root deformation and in the second, the root trajectory was straighter and displaced more significantly the surrounding grains during growth.

L’étude de la phénologie des plantes est primordiale pour comprendre leur réponse aux changements globaux. Alors que de nombreuses études ont été consacrées à la phénologie aérienne, les difficultés d’observations de la phénologie des parties sou terraines d’une plante, font que leurs déterminants sont encore trop peu connu. La dynamique racinaire est considérée comme jouant un rôle clef dans le cycle et la séquestration du carbone dans le sol, et il est aujourd’hui important de surmonter les difficultés méthodologiques afin de mener des études sur la dynamique racinaire sur plusieurs années en conditions non-contrôlées. Notre premier objectif ici était donc de mettre au point et d’évaluer différentes techniques d’observation de la croissance racinaire sur le terrain. Le modèle choisi pour cela est le noyer hybride (Juglans L.), en système agroforestiers. L’utilisation du scan incorporé au smartphone s’est avéré être le meilleur compromis pour l’acquisition d’image à partir de rhizotrons, excepté en cas d’automatisation de la prise d’images, où la caméra automatique constitue la meilleur alternative (jusqu’à 4 mois d’autonomie). Notre deuxième objectif était de déterminer en milieu naturel les facteurs prédominants de la dynamique racinaire. Nous avons en particulier (i) testé l’hypothèse de la synchronicité des phénologies aériennes et racinaires de la plante, (ii) évalué l’effet de fluctuations climatiques sur la dynamique racinaire dans des environnements contrastés (climats méditerranéen, océanique, continental), (iii) et cherché à comprendre si cette réponse aux facteurs externes était conditionnée par la typologie racinaire. Les résultats ont permis de montrer l’indépendance des phénologies aériennes et racinaires, mais la synchronisation des croissances racinaires et radiale du tronc. Le principal facteur influençant la dynamique racinaire est la température du sol, et à moindre mesure l’humidité du sol avec des effets contrastés selon le climat. Les réponses des dynamiques racinaires aux variables environnementales sont propres à chaque site, avec un fort impact de l’ordre topologique sur les taux d’initiation et de survie. Ces résultats permettront non seulement une meilleur compréhension du jouait par les systèmes racinaires sur le cycle du carbone, mais aussi l’amélioration des modèles écophysiologiques. De futurs études sont néanmoins nécessaires d’autres études sont attendues pour renforcer les connaissances acquises dans ce projet, sur la compréhension des déterminants de l’initiation, de la croissance, et de la longévité racinaire des arbres, notamment via la création de bases de données et l’utilisation de méta-analyses / The study of phenology is primordial to understand tree response to climate change. Although many studies have examined shoot phenology, the difficulties in observing root system growth have resulted in a poor understanding of root phenology. As root system dynamics are considered as playing a major role in carbon cycling and sequestration, it is necessary to overcome methodological difficulties, so that root demography can be studied in the field and over several years. Our first objective was therefore to develop and evaluate methods for studying root system growth in the field. Studying mature hybrid walnut (Juglans L.), growing in agroforests, We showed that smartphone scanners are the best adapted tool for acquiring high quality images of tree roots growing in field rhizotrons. However, time-lapse cameras were good alternatives when a fully automated method was required (up to 4 months autonomy). Our second objective was to determine the main drivers of walnut hybrid root growth in field conditions. In particular, (i) We hypothesized that shoot and root phenologies were asynchronous, (ii) We evaluated the effect of environmental factors on root growth along a latitudinal gradient comprising three climates (Mediterranean, oceanic and continental) and (iii) We determined how phenology and environmental factors influenced root dynamics depending on root morphology and topology. Results show that flushes of fine root growth are not synchronized with budburst and leaf expansion, but are synchronized with stem and coarse root radial growth. Soil temperature was on the whole the main driver of root growth, and to a lesser extent, soil humidity, but which had contrasting effects on root growth. Root topological order had a major influence on root response to environmental variables, reflected in root elongation, production and longevity. Results will be highly useful not only for a better understanding of the role that root systems play in the carbon cycle, but also for tree ecophysiological models. Future studies should expand the knowledge gained here into a global understanding of the drivers of tree root initiation, growth and longevity, through the creation of databases and the use of meta-analyses.

La valeur ajoutée du laser dans le traitement de la parodontite chronique est encore sujette à controverse et reste à prouver. Le but de cette étude est de vérifier le bénéfice de la combinaison des lasers Nd : YAG et Er : YAG utilisés conjointement au surfaçage radiculaire en comparaison avec le traitement conventionnel de la parodontite chronique. Méthode : 12 patients atteints de parodontite chronique sévère furent recrutés. Les dents du côté gauche et droit furent aléatoirement répartis dans le groupe test (traitement avec le laser suivi d’un surfaçage radiculaire) et le groupe contrôle (surfaçage radiculaire seul). Les signes cliniques de l’inflammation, la profondeur de sondage, le saignement au sondage, le niveau d’attache clinique, et la récession gingivale furent comparés à 8 semaines et 6 mois. Résultats : amélioration significative des signes cliniques de l’inflammation, de la profondeur des poches parodontales, du saignement au sondage et de la perte d’attache, pour chacun des traitements. Cependant, aucune différence significative ne fut remarquée entre les deux types de traitement offert. Conclusion : dans les limites de cette étude, l’ajout du laser au traitement de surfaçage conventionnel n’a pas démontré d’avantage significatif lorsque comparé au traitement de surfaçage conventionnel seul. / The exact added value of the laser in the non-surgical treatment of chronic periodontitis is still controversial and remains to be proven. The purpose of this study is to evaluate the benefit of Nd: YAG and Er: YAG lasers combined used in conjunction with root scaling compared to conventional treatment of chronic periodontitis. Method: 12 patients with severe chronic periodontitis were recruited. The left and right sides were randomly distributed in the test group (laser treatment followed by root scaling) and the control group (root scaling only). Clinical signs of inflammation, probing depth, bleeding on probing, level of clinical attachment, and gingival recession were compared at 8 weeks and 6 months. Results: Significant improvement in clinical signs of inflammation, periodontal probing depth, bleeding, and loss of attachment was observed for each treatment. However, no significant difference was noticed between the two types of treatment offered. Conclusion: Within the limits of this study, the addition of the laser to the conventional root scaling did not demonstrate a significant advantage when compared to the conventional surfacing treatment alone

Peu d’études ont porté sur le rhizome du bleuet nain et les effets des pratiques culturales sur ce dernier sont inconnus. Trois expériences ont été réalisées. La première visait à vérifier l’influence d’une fertilisation sur le rhizome et son développement en fonction de l’âge de la bleuetière et de l’étape du cycle de culture (végétation ou récolte) à quatre moments au cours de la saison. Les deux autres ont permis d’examiner l’impact du sectionnement des rhizomes et d’une taille effectuée à différentes hauteurs en bleuetières récemment aménagées. La fertilisation a favorisé le développement de nouveaux rhizomes et la formation d’un plus grand nombre de bourgeons, mais n’a pas influencé leurs teneurs en sucres. Le sectionnement a activé un grand nombre de bourgeons et le potentiel de régénération des segments est lié à leur diamètre et leur longueur. Une taille à moins de 1 cm du sol a stimulé davantage la formation de tiges à partir du rhizome. / There have been very few studies on the rhizome of the lowbush blueberry, and as such, the effects of cultural practices on that specific rhizome are unknown. Three experiments have been conducted. The first one dealt with the effects of fertilization on the rhizome and its development depending on the age of the blueberry field and the cultural cycle phase (vegetation or harvest) at four different times during the season. The second and the third experiments dealt with the impact of rhizome severing and stem pruning at different heights in newly planned blueberry fields and their density. Fertilization fostered the development of new rhizomes with a higher number of buds, but did not change their sugar content. The severing stimulated a lot of buds, and it was noticed that the segments’ regeneration potential was linked to their diameter and length. Pruning at less than 1 cm from the ground boosted stemming from the rhizome.

Cette thèse porte sur les possibilités que les méthodes d’imagerie géoélectrique offrent à la fois pour la caractérisation des processus géochimiques mais aussi pour l’étude d’interaction sol-racines. La ligne conductrice de ce travail, repose sur la position centrale de la qualité des sols et des interactions racines-sols dans de nombreux problèmes environnementaux. En effet, un nombre croissant d’études rapportent l’importance des interactions mutuelles entre les racines et le sol. Dans cette optique, cette thèse explore l’utilisation le développements approfondis de méthodes géoélectriques. Les processus physico-chimiques ainsi que les interaction sol-racines sont à l’origine de mouvement d’eau et de soluté, d’altération de la structure des sols ainsi que de perturbations biologiques. Les méthodes géoélectriques sont potentiellement sensibles à ces modifications hydrologique et biochimique. La méthode de Polarisation Provoquée Spectrale (PPS) a été combinée avec des analyses et des modélisations géochimiques permettant de connaitre sa sensibilité à la composition du fluide interstitiel (contenu dans l’espace poral), du pH et de la force ionique. Plus particulièrement, la signature PPS de la substitution Na+/Cu2+ a été analysée car il s’agit d’un critère pertinent traduisant la qualité d’un sol et reconnu mondialement. L’analyse PPS a été réalisée sur un sable (silicate) saturé et pour des concentrations typiques de Na+/Cu2+ que l’on trouve classiquement dans des sols exposés à des utilisations de pesticides au Cuivre (Cu). Les résultats ont montré que le pH et la force ionique ont été les variables prépondérantes contrôlant le signal PPS, alors que des effets négligeables sont liés à la substitution Cu/Na. L’utilisation simultanée d’analyses chimiques et géophysiques en laboratoire a permis de mieux caractériser les processus de complexation étudiés et d’appuyer considérablement l’interprétation des signaux PPS. Enfin, la tomographie de résistivité électrique et la méthode de Mise-A-La-Masse ont été combinées pour développer une nouvelle approche d'imagerie du chemin préférentiel emprunté par le courant électrique dans le système racines-sols. Etant donné que la conduction électrique dans le sol et les racines est principalement électrolytique, l'approche proposée repose sur le mouvement de l'eau et des solutés dans le système racines-sol. Le potentiel de la méthode pour son application in-situ a été testée à l’aide d’une série d’expériences sur une vigne. À la suite des résultats prometteurs, la méthode a été développée et appliquée lors d’une expérience en laboratoire portant sur la croissance racinaire dans un rhizotron de plantes de coton et de maïs. La méthode s'est révélée sensible aux différences physiologiques entre les espèces et éventuellement à la réponse de la plante aux facteurs de stress environnementaux. De nouvelles expériences contrôlant les variables physiologiques des tissus racinaires sont nécessaires pour une meilleure compréhension de leurs influences. Les développements technologiques récents soutiennent fortement la diffusion de l’imagerie et du suivi géoélectriques à l'échelle du terrain. Dans ce contexte prometteur, les résultats de cette thèse contribuent au développement d'approches géoélectriques pour l'étude du sol et de ses interactions mutuelles avec les racines des plantes à des échelles spatio-temporelles pertinentes. / In this thesis I investigate some of the possibilities offered by the use of geoelectrical methods for characterizing soil geochemical processes and root-soil interactions. The motivation for this thesis arises from the pivotal role of soil quality and root-soil interactions in manifold environmental issues. In addition, there is growing evidence of the importance of mutual interactions between roots and soil, for this reason this thesis explores the use of geoelectrical methods for more comprehensive approaches. Both soil physicochemical processes and root-soil interactions involve, among others, the movement of water and solutes, altercations of the soil structure, and biological feedbacks. Geoelectrical methods are potentially sensitivity to these hydrogeological and biogeochemical modifications. The Spectral Induced Polarization (SIP) method was combined with geochemical analyses and modeling in order to investigate its sensitivity to pore fluid composition, pH, and ionic strength. In particular, the SIP signature of Na+/Cu2+ substitution was investigated because of their worldwide relevance for soil quality. The SIP investigation focused on saturated silica, and explored concentrations of Na+ and Cu2+ that are typical to agricultural soils exposed to the use of Cu pesticides. The results showed how pH and ionic strength were the main variables controlling the SIP signals, while negligible effects were related to the Cu/Na substitution. The concurrent use of chemical and geophysical laboratory experiments allowed a better characterization of the investigated complexation processes and significantly supported the interpretation of the SIP signals. The Electrical Resistivity Tomography and the Mise-A-La-Masse methods were combined to develop a novel approach for imaging the electric current pathways in the root-soil system. Since the current conduction in soil and roots is mostly electrolytic, the proposed approach relates to the movement of water and solutes within the root-soil system. The potential of the method for field investigations was explored with a set of experiments on a grapevine. In light of the promising results, the method was further developed and applied to rhizotron laboratory experiments on cotton and maize plants. The method proved to be sensitive to inter-species physiological differences and possibly to the plant response to environmental stressors. New experiments with physiological analyses of root tissues are needed to elucidate these aspects. Emerging technologies are strongly supporting to the diffusion of imaging and monitoring geoelectrical applications at the field-scale. In this promising context, the results of this thesis contribute to the development of geoelectrical approaches for studying soil and its mutual interactions with plant roots over relevant spatiotemporal scales.

Titre de l'écran-titre (visionné le 7 août 2023) / Les arbres en milieu urbain offrent de nombreux avantages. On peut mentionner, par exemple, l'embellissement du lieu où ils se situent, la réduction des îlots de chaleur et la filtration de l'air. Toutefois, la proximité entre les infrastructures et les arbres augmente le risque d'interférence entre les infrastructures et les racines. C'est pourquoi il est fréquemment nécessaire de couper des racines lors de la réalisation de travaux d'entretien (conduite d'eau, enfouissement des fils, trottoir, etc.). Ces travaux sont susceptibles d'engendrer le dépérissement, la mort ou une vulnérabilité au déracinement pour l'arbre. Les données quantitatives permettant de prédire l'impact de ces travaux sont toutefois limitées. L'objectif était donc de quantifier la perte de stabilité due à la coupe de racines sur les arbres de deux espèces largement présentes en milieu urbain. L'étude portait sur les érables de Norvège (Acer platanoides) et les tilleuls à petites feuilles (Tilia cordata). Les arbres faisaient entre 23 et 40cm de diamètre à hauteur de poitrine et ne dépassaient pas les 14m de hauteur. Les arbres choisis étaient tous droits au début des tests et n'avaient que peu de limitation au développement de leurs racines. Nous avons réalisé un test de traction statique non destructif avant et un autre après la coupe de racines à une distance prédéterminée allant de 1m à 8m du tronc. Les mesures réalisées ont permis de calculer un facteur de sécurité qui a été comparé avant et après la coupe. Les résultats suggèrent que, même en coupant les racines à 1m de l'arbre sur deux côtés perpendiculaires, la stabilité ne serait pas affectée. Le facteur limitant la coupe de racine serait donc plutôt la vigueur de l'arbre à plus long terme que la stabilité. Toutefois, les résultats pourraient être différents pour des arbres plus grands ou dont le développement du système racinaire serait limité à plusieurs endroits. En attendant d'avoir davantage de résultats sur l'évolution de la vigueur et de la stabilité sur le long terme, nous recommandons d'éviter au maximum la coupe de racines.