Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux Talence, France / Les forêt mélangées sont l'une des principales options de gestion pour stabiliser la production de biomasse forestière tout en réduisant l'impact du stress hydrique de plus en plus fréquent avec les changements globaux. Cependant, les effets interactifs entre diversité des espèces d'arbres et disponibilité en eau ont rarement été étudiés in situ, et encore moins en étudiant le fonctionnement du sol. Dans cette thèse, nous avons cherché à déterminer si les effets positifs de la diversité des espèces d'arbres sur le recyclage des nutriments étaient modulés par la disponibilité en eau. Pour répondre à cette question, deux sites appartenant au réseau mondial de diversité des arbres (TreeDivNet) ont été étudiés : ORPHEE dans le sud-ouest de la France et IDENT-SSM à Sault Ste. Marie au Canada. Ces deux sites expérimentaux manipulent la diversité des arbres (richesse des espèces d'arbres) et la disponibilité en eau (irrigation dans les deux cas, avec exclusion partielle des pluies à IDENT-SSM). Les travaux sont divisés en quatre chapitres : (1) la complémentarité spatiale verticale de la disponibilité des nutriments du sol, (2) la dépolymérisation de l'azote organique du sol, (3) la complémentarité temporelle dans les prélèvements de nutriments et les processus du sol, et (4) l'efficience d'utilisation des nutriments par les arbres. En examinant le cycle des nutriments dans les sols, nous avons constaté qu'une forte disponibilité en eau augmentait la dégradation de la matière organique (par les enzymes extracellulaires et la dépolymérisation des protéines), tandis qu'elle diminuait la minéralisation nette des nutriments. Un effet du mélange d'espèces d'arbres n'a été observé que dans la couche intermédiaire du sol, où l'on a trouvé une teneur en matières organiques et des activités enzymatiques plus élevées que dans les monocultures. Au cours de l'année, des différences dans la disponibilité des nutriments n'étaient visibles que lorsque la disponibilité en eau était suffisante : il y avait plus d'azote biodisponible dans les parcelles de pins en monoculture, tandis que le phosphore était plus important dans les parcelles de bouleaux en monoculture, par rapport aux autres traitements d'espèces. Malgré les variations saisonnières, ces tendances sont restées constantes entre les périodes de dormance et de végétation. En étudiant expérimentalement l'absorption des nutriments, nous avons observé une asynchronie de l'absorption lors du débourrement de la végétation: à ce stade phénologique, l'espèce sempervirente (pin) a pût prélever plus tôt que l'espèce décidue (bouleau), avec respectivement un avantage et un désavantage pour l'absorption des nutriments dans les parcelles mélangées. En ce qui concerne l'efficience d'utilisation des nutriments (NutUE), nous avons constaté que l'identité des espèces était un facteur plus important que la diversité des espèces. Bien que l'augmentation de diversité ait eu tendance à accroître la productivité aérienne et la biomasse de la litière, la dominance de certaines espèces dans les mélanges était le principal facteur contrôlant la NutUE (le bouleau sur le pin à IDENT-SSM et le pin sur le bouleau à ORPHEE). Ainsi, les processus biogéochimiques de la couche superficielle du sol ont été déterminés par la disponibilité en eau, les processus du sol intermédiaire par le mélange des espèces, et l'efficience d'utilisation des nutriments a été déterminée par l'identité des espèces plutôt que par le mélange. A l'inverse de l'effet prononcé des facteurs pris individuellement, nous n'avons pas observé d'effet interactif entre ceux-ci. Sur la base de l'ensemble de nos résultats, nous concluons que chacun des facteurs étudiés (disponibilité en eau, diversité des arbres et identité des espèces) joue un rôle significatif sur le recyclage des nutriments, même s'il n'y avait pas d'effets interactifs. / Mixed forests are one of the main management strategies to stabilize forest biomass production while reducing the impact of water stress, which is becoming more frequent as a result of global changes. However, the interactive effects between tree diversity and water availability have rarely been studied in situ, let alone while studying soil functioning. In this thesis, we sought to determine whether the positive effects of tree species diversity on nutrient cycling in forests were modulated by water availability. To answer this question, two sites belonging to the global tree diversity network (TreeDivNet) were studied: ORPHEE in southwestern France and IDENT-SSM in Sault Ste. Marie, Canada. These two experimental sites manipulate tree diversity (tree species richness) and water availability (irrigation in both cases, with partial rain exclusion at IDENTSSM). The work is divided into four chapters: (1) vertical spatial complementarity of soil nutrient availability, (2) soil organic nitrogen depolymerization processes, (3) temporal complementarity of nutrient uptake and soil nutrient processes, and (4) nutrient use efficiency by trees. When looking at belowground nutrient cycling, we found that high water availability increased organic matter breakdown (by extracellular enzymes and protein depolymerization), while it decreased net nutrient mineralization. An effect of mixing tree species was only detected in the mid soil layer, where we observed a higher amount of organic matter and enzyme activities compared to the monocultures. Throughout the year, differences in nutrient availability were only visible when water availability was sufficient: more bioavailable nitrogen was produced in the pine monocultures, while more phosphorus was produced in the birch monocultures, compared to the other species treatments. Despite seasonal variation, these trends remained consistent between the dormant and vegetative periods. When experimentally investigating nutrient uptake, we observed an asynchrony of uptake during budburst: at this phenological stage, the evergreen species (pine) was able to take up nutrients earlier than the deciduous species (birch), with an advantage and a disadvantage respectively for nitrogen uptake in the mixed plots. Finally, we found that species identity was a stronger driver than species diversity for aboveground nutrient use efficiency (NutUE). Although increasing tree species tended to increase aboveground productivity and litterfall biomass, certain species dominance drove NutUE trends (i.e. birch dominance over pine at IDENT-SSM and pine over birch at ORPHEE). In summary, surface soil biogeochemical processes were driven by water availability, intermediate soil processes by species mixing, and nutrient use efficiency was driven by species identity rather than mixing. In contrast to the pronounced effect of individual factors, we did not observe an interactive effect between them. Based on all of our results, we conclude that each of the factors studied (water availability, tree diversity, and species identity) had an important role in nutrient cycling, even though there were no interactive effects.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/72256 |
| Date | 01 March 2022 |
| Creators | Maxwell, Tania Louise Gaillard |
| Contributors | Munson, Alison Dale, Augusto, Laurent, Fanin, Nicolas |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxx, 255 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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