Changements climatiques et cycles biogéochimiques 22.3 Flux d’éléments nutritifs – les cas de l’azote

et des cations basiques Peter Waldner1, Sabine Braun2, Daniel Kurz3 et Anne Thimonier1

1 Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage WSL, Birmensdorf 2 Institut de biologie végétale appliquée IAP, Schönenbuch3 EKG Geoscience, Berne

Correspondance : peter.waldner@wsl.ch

Les réserves en éléments nutritifs et leur disponibilité revêtent une grande importance pour la croissance des forêts et leur résistance aux intempéries, aux agents pathogènes et aux insectes. Elles influencent également les prestations fournies par les forêts, comme la mise à disposition d’eaux souterraines de qualité potable. La hausse des températures et la multiplication d’épisodes de sécheresse ont des effets opposés sur les flux de nutriments en forêt. Leurs conséquences sont multiples et dépendent des conditions stationnelles. Elles comprennent par exemple une tendance à l’accroissement de la décomposition de la matière organique, à la hausse des pics de concentration de nutriments et à la diminution des charges dans l’eau d’infiltration, ou au déplacement, voire à la réduction, des réserves d’éléments nutritifs.

Les cycles de nutriments et, dès lors, leur disponibilité pour les plantes sont influen-cés par une modification des apports et des pertes d’éléments nutritifs. Les stations où les dépôts d’azote sont élevés risquent un lessivage accru de nitrates, qui diminue à son tour les réserves des autres nutriments et altère la qualité de l’eau d’infiltration. Un échelonnement spatial de la récolte de bois dans un bassin versant fournissant de l’eau potable permet d’atténuer les hausses temporaires des concentrations de ni-trates. À court terme, la récolte par arbre entier permettrait certes d’obtenir davantage de bois-énergie destiné à remplacer les combustibles fossiles. À long terme, elle réduit toutefois les réserves d’importants nutriments présents dans le sol, réduction qui peut ralentir la croissance des arbres. Une augmentation de la part d’essences capables de puiser plus efficacement les nutriments dans la zone d’enracinement semble avoir un effet positif sur la disponibilité des nutriments.

< Gros plan dans un profil pédologique à Vordemwald, AG. Photo : M. Walser. 63

Cycles biogéochimiques

colte par arbre entier (utilisation du bois-énergie) et la modification du mélange d’essences.

Du point de vue des quantités et de leur fonc-tion, l’azote (N), le phosphore (P), le calcium (Ca), le magnésium (Mg) et le potassium (K) comptent parmi les principaux éléments nutritifs (mengel 1991 ; Walthert et al. 2013). La disponibilité de ces éléments exige, à court et à moyen terme, que le cycle forestier interne fonctionne bien, moyennant des réserves appropriées dans la biomasse et la matrice du sol, et, à long terme, un bilan équili-bré entre sources externes et pertes (fig.  2.3.1). Les principales sources externes de nutriments comprennent les dépôts atmosphériques (N, Ca, Mg, K), l’altération de la roche (P, Ca, Mg, K) ou

Cycles des éléments nutritifs en forêt – brève introduction

Pour croître, les végétaux ont besoin du carbone (C) présent dans l’air, d’eau et de différents élé-ments nutritifs minéraux. Ceux-ci se trouvent le plus souvent dans la solution du sol, que les arbres absorbent grâce à leurs racines, et y retournent via la dégradation de la litière (larcher 1994). Ces cycles de nutriments subissent l’influence de diffé-rents phénomènes : apports accrus d’azote atmos-phérique, changements climatiques attendus (avec hausse des températures et multiplication des épi-sodes de sécheresse) et modification de la gestion forestière, comme le recours plus fréquent à la ré-

NH4+

H+

NO3- avec BC, Mn2+, Al3+

Complexeabsorbant

Feuilles

Branches

Tronc

Roche

P

Sol

CO2

NO2

NO3-

NH3

NH4+ Processus

1 Photosynthèse 2 Absorption par les racines 3 Pluviolessivats (précipitations sous couvert forestier) 4 Chute de litière (feuilles, branches, etc.) 5 Décomp. de la mat. organique 6 Dépôts atmosphériques 7 Absorption au niveau de la couronne 8 Nitrification 9 Dénitrification 10 Réduction des nitrates 11 Altération de la roche 12 Lessivage 13 Récolte

1

2

4

5

6

7

13

3

Sous-sol

11

10

H+

Cycle interne

9

12

H+ H+

2 H+

NH4+ Mn2+

Al3+

BCBCBC

Matièreorganique

N2, N2O

NO3-

8CO2

N

H+ (protons)

BC (Ca2+, Mg2+, K+)

C, N, BC, P

Figure 2.3.1. Flux de quelques éléments nutritifs (schéma fléché) et processus (numérotés de 1 à 13) dans la forêt. Le système forêt est entouré d’un cercle (pointillé).

64

Changements climatiques et cycles biogéochimiques 2la fixation symbiotique (N) (kurz et al. 1998). Les principales pertes comprennent le essivage de nu-triments via les eaux d’infiltration (N, Ca, Mg, K) et les pertes dues à la récolte de biomasse (N, Ca, Mg, K, P) (likenS et Bormann 1995).

Cycles internes dans l’écosystème forestier et changements climatiques

Les changements climatiques exercent une in-fluence sur la croissance des arbres d’une part, sur la décomposition de la matière organique d’autre part. Des températures accrues et des épisodes de sécheresse plus fréquents ont des effets op-posés sur la croissance et dès lors sur l’absorp-tion d’éléments nutritifs : en altitude, la hausse des températures a surtout un impact positif sur la croissance, tandis que la multiplication des sé-cheresses ralentit la croissance à basse altitude (Jolly et al. 2005 ; cf. chap. 3.4, rohner et al. 2016

et chap. 3.5, Bircher et al. 2016). La dégradation des substances organiques et donc le taux de re-nouvellement des nutriments sont, quant à eux, ralentis en cas de sécheresse et favorisés par des températures élevées (Fotelli et  al. 2004 ; Jolly et al. 2005 ; graF Pannatier et al. 2012).

graF Pannatier et al. (2012) ont étudié la dé-composition de la matière organique (respiration du sol) dans trois sites en Suisse (Vordemwald AG, 480 m d’altitude, Schänis SG, 740 m et Beatenberg BE, 1515 m) et observé que cette décomposition a augmenté davantage ou diminué moins sensible-ment que la croissance durant l’été chaud et sec de 2003. Dans ces trois sites, la production nette de l’écosystème en 2003 a donc été inférieure à celle des autres années (tab. 2.3.1). Sur les pentes du Stillberg, à Davos (GR), hagedorn et al. (2010) ont obtenu des résultats similaires en réchauffant artificiellement le sol d’une forêt de montagne située dans la zone de limite altitudinale de la fo-rêt (2180 m d’altitude ; tab. 2.3.1). Dans cette ex-

Tableau 2.3.1. Modification du bilan de carbone (en kg C/m2/an) engendrée par une température plus élevée (et des conditions plus sèches) sur quatre stations en Suisse, (± erreur standard). PPN (production primaire nette) ; flux sortant (respiration et lessivage de carbone organique dissous) ; PNE (production nette de l’écosystème) ; Δ (modification).

Stillberg1 (GR, 2180 m) Beatenberg2 (BE, 1515 m)

Paramètre réf. Ts +4 °C Δ réf.Ts2 +2,0 °C préc. –36%

Δ

PPN 0,23 (±0,03) 0,26 (±0,03) +0,04 0,23 (±0,02) 0,24 (±0,02) +0,01

Flux sortant 0,38 (±0,04) 0,50 (±0,04) +0,13 1,07 (±0,10) 1,18 (±0,11) +0,12

PNE –0,15 –0,24 –0,09 –0,84 (±0,04) –0,95 (±0,04) –0,11

Schänis2 (SG, 740 m) Vordemwald2 (AG, 480 m)

Paramètre réf. Ts2 +2,4 °C préc. –29 %

Δ réf. Ts2 +1,7 °C préc. –31 %

Δ

PPN 0,59 (±0,03) 0,53 (±0,03) –0,07 0,87 (±0,04) 0,67 (±0,04) –0,20

Flux sortant 0,66 (±0,06) 0,74 (±0,08) +0,08 0,92 (±0,08) 0,86 (±0,10) –0,06

PNE –0,06 (±0,04) –0,21 (±0,04) –0,15 –0,05 (±0,05) –0,19 (±0,05) –0,14

1 Réchauffement expérimental du sol (hagedorn et al. 2010) : Ts +4 °C, placettes où la température du sol est de 4 °C supérieure à celle des placettes de référence (réf.) dans une expérience menée en 2007.

2 Sites LWF (graf Pannatier et al. 2012) : Ts2 + x °C et préc. –y %, différence de température moyenne du sol mesurée de juin à août (x) et différence de précipitations annuelles (y) en 2003 par rapport à la référence (la référence est calculée pour chaque station comme la moyenne de la température du sol et des précipitations, respectivement, pour la période 2001 à 2005 sans l’année 2003).

65

Cycles biogéochimiques

Dépôts azotés et cycle de l’azote

Apports d’azote et leurs conséquences

Durant la seconde moitié du XXe siècle, les apports d’azote atmosphérique ont considérablement aug-menté (galloWay et al. 2004 ; auguStin et acher-mann 2012), atteignant plus de 40 kg par hectare et par an à certains endroits du Plateau (fig. 2.3.2). Dans une grande partie des forêts suisses, ils dé-passent les charges critiques établies par la CEE-ONU (UNECE 2004, 2011) pour l’eutrophisation (PoSch et al. 2012 ; CFHA 2014). Or le niveau de ces apports joue un rôle essentiel pour la disponibilité d’éléments nutritifs et diverses prestations de la forêt, comme l’approvisionnement en eau potable et la fonction protectrice.

périence, la concentration d’azote minéral sous forme d’ammonium (NH4

+) s’est accrue dans le sol réchauffé (daWeS et al. 2011). Une augmentation expérimentale de la concentration de CO2 a éga-lement accru la disponibilité de l’azote dans l’eau du sol d’une forêt mixte située à Hofstetten (BL, 550 m d’altitude ; SchlePPi et al. 2012).

En compilant plusieurs études, Borken et matzner (2009) ont conclu que, dans les forêts des régions tempérées, la sécheresse tendait à réduire les taux de décomposition de même que les déperditions de l’azote contenu dans le sol. Se-lon Sutton et al. (2013), les apports accrus d’azote atmosphérique exercent toutefois, dans de nom-breuses stations forestières, une plus grande in-fluence sur les flux d’éléments nutritifs que les changements climatiques.

Dépôts d’azote en forêt ≤10 kg N/ha/an 10–15 15–20 20–30 30–40 >40

50 km

Figure 2.3.2. Dépôts d’azote en forêt modélisés pour la période 2008 à 2012 (Source : OFEV/Météotest, 18.09.2015 ; Réseau fores-tier IFN/WSL 1990–1992). En Suisse, les charges critiques pour les écosystèmes forestiers se situent entre 10 et 20 kg N/ha/an.

66

Changements climatiques et cycles biogéochimiques 2Dans les stations où les quantités d’azote dis-

ponible sont limitées, la hausse des apports peut stimuler la croissance des végétaux. SolBerg et al. (2009) ont estimé que l’augmentation de la croissance était de l’ordre de 20 à 30 kilogrammes de bois par kilogramme d’azote, la fonction de réponse n’étant toutefois pas linéaire (etzold et al. 2014). Lorsque la forêt est saturée en azote, d’autres éléments nutritifs deviennent limitants. Ces nouveaux facteurs limitants ou l’acidification du sol inhibent la stimulation de la croissance et peuvent même la ralentir (nellemann et thomSen 2001 ; Braun et al. 2010 ; kint et al. 2012). Parmi les possibles effets négatifs d’une saturation en azote, on peut citer : 1) un déséquilibre entre les éléments nutritifs (N par rapport à Ca, à Mg, à K ou à P dans le feuillage), qui entraîne une diminution de la résistance au gel (thomaS et ahlerS 1999), à la sécheresse (mcnulty et al. 1996 ; magill et al. 2004 ; Braun et Flückiger, 2013) ou aux ravageurs (Flückiger et Braun, 1999) ; 2) des pertes accrues de nitrates (NO3

-) par lessivage via l’eau d’infiltra-tion (diSe et Wright 1995 ; gunderSen et al. 1998). Le lessivage de nitrates est toujours associé à des pertes de cations, ce qui conduit à un appauvrisse-ment du sol en nutriments et à son acidification.

Lessivage d’azote

La concentration de nitrates dans l’eau d’infiltra-tion en forêt permet de mesurer le degré de satu-ration en azote (statut azoté ; Sutton et al. 2013). Comme nombre de captages d’eaux souterraines de Suisse sont situés dans des bassins boisés, cette concentration est un indicateur essentiel pour l’exploitation d’eau potable (hartmann et al. 2003). En moyenne, les concentrations de nitrates dans les eaux souterraines provenant de régions couvertes de forêts se situent entre 5 et 10 mg/l, alors que les valeurs mesurées dans les eaux souterraines en zone agricole, influencées par les grandes cultures faisant l’objet d’une fumure in-tensive, dépassent souvent l’objectif en matière

de qualité (25 mg NO3-/l ; soit 5,6 mg N/l ; Rapport

NAQUA, OFEV 2009). En Suisse, le Programme intercantonal d’ob-

servation permanente des forêts (IAP) et le pro-gramme de Recherches à long terme sur les écosystèmes forestiers (LWF) prélèvent de l’eau d’infiltration dans la partie inférieure de la zone d’enracinement sur certains sites soigneusement sélectionnés (fig.  2.3.3). Le lessivage annuel d’azote minéral a été déterminé pour la période 2005–2010 sur 35 sites IAP et 6 sites LWF. À cet ef-fet, les flux d’eau ont été calculés pour chaque pé-riode d’échantillonnage et chacun des sites, à l’aide du modèle hydrologique WaSiM-ETH (Schulla et JaSPer 2007) et multipliés par les concentrations de nitrates mesurées dans les échantillons d’eau correspondants. Seuls les nitrates sont pris en considération, car, dans le sol, l’ammonium est

Figure 2.3.3. Eau du sol échantillonnée à l’aide de lysimètres à Vordemwald, AG (photo : E. Graf Pannatier, WSL).

67

Cycles biogéochimiques

de la zone d’enracinement, la concentration de nitrates dans l’eau d’infiltration est faible sur de nombreux sites, mais atteint parfois des valeurs considérables (plus de 25 mg/l).

Le lessivage des nitrates est positivement cor-rélé à la quantité d’eaux d’infiltration. Durant les années sèches, les concentrations de nitrates se sont toutefois révélées supérieures à la moyenne : la solution du sol était ainsi plus concentrée lorsque le flux d’eau était plus faible (Braun 2013). Ces années-là, les charges annuelles sont malgré tout restées plus faibles, car les quantités d’eau d’infiltration étaient réduites.

Facteurs contribuant au lessivage d’azoteUne régression log-linéaire a permis d’identifier les facteurs qui expliquent le mieux le lessivage moyen d’azote (kg/ha/an) sur les placettes IAP et

rapidement transformé en nitrates (nitrification) par les microorganismes et c’est sous cette forme qu’il est lessivé (fig. 2.3.1).

Comme l’agriculture contribue aux apports d’azote dans les forêts (CFHA 2014), les surfaces forestières où le risque de lessivage de nitrates est relativement important et les emplacements de nappes d’eaux souterraines présentant déjà une concentration de nitrates relativement élevée se superposent sur de grandes portions du territoire suisse (fig. 2.3.4).

Le lessivage d’azote sur les sites IAP et LWF affiche une grande variabilité dans le temps. Pour chaque site, le coefficient de variation (CV) des flux annuels a été calculé en divisant l’écart type par la moyenne des pertes annuelles d’azote mi-néral. La moyenne des valeurs CV des différentes stations avoisine 60 %. Dans la partie inférieure

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Lessivage d’azote [kg/ha/an] 0–2 2–5 5–10 10–20 20–80

Nitrates dans les eauxsouterraines [mg/l] <25 >25

Figure 2.3.4. Sites IAP et LWF où le lessivage d’azote a été déterminé sur la base de l’eau d’infiltration (moyenne des années 2005 à 2010) et concentrations de nitrates dans les eaux souterraines selon l’OFEFP/OFEG (2004).

68

Changements climatiques et cycles biogéochimiques 2Des études similaires, portant sur d’autres ré-

gions d’Europe, ont déterminé que le rapport C/N dans l’humus de surface jouait un rôle dans le lessivage d’azote (gunderSen et al. 1998 ; macdo-nald et al. 2002 ; rothWell et al. 2008 ; diSe et al. 2009). Lorsque ce rapport était supérieur à 25, le lessivage était moins important que lorsque le rapport était inférieur à 25. En ce qui concerne nos travaux, le rapport C/N ne dépasse cette valeur que sur 7 des 41 sites étudiés. Voilà peut-être pourquoi nous n’avons pas identifié de relation entre lessi-vage d’azote et rapport C/N sur les sites suisses.

LWF entre 2005 et 2010. Le modèle le plus pertinent utilise les dépôts modélisés d’azote (kg/ha/an, an-née de référence : 2007, calculs selon rihm 1996), le facteur de dénitrification (kurz et al. 1998) et la régénération (nombre de jeunes arbres mesurant entre 1,3 et 2,5 m de haut par mètre carré) comme facteurs explicatifs (fig. 2.3.5 ; tab. 2.3.2).

Le facteur de dénitrification dépend de l’engor-gement du profil de sol (rihm 1996). Son influence découle du fait qu’en conditions anaérobies, c’est-à-dire lorsque tous les pores du sol sont remplis d’eau, les nitrates sont transformés en N2, en NO ou en N2O. La régénération peut réduire le lessi-vage d’azote, car les jeunes arbres absorbent cet élément. Une strate arbustive développée exerce la même influence. Bien que la densité de la strate herbacée ne soit pas apparue, dans la régression, comme un facteur d’influence notable sur le lessi-vage d’azote, l’analyse d’échantillons prélevés en 2012 sur huit sites LWF (8 fois 1 m2 par site LWF) a permis d’estimer que la végétation du sol absorbe entre 1 et 50 % de la quantité totale d’azote assi-milée par la végétation en une année (S. Etzold, WSL, communication orale). L’azote contenu dans la végétation herbacée est toutefois libéré au bout d’un laps de temps relativement bref.

25

20

15

10

5

0

a)

b)

c)

10 20 30 40 50 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,0 0,2 0,4 0,60,7

Less

ivag

e d’

azot

e [k

g N

/ha/

an]

Apport d’azote [kg N/ha/an] Facteur de dénitrification Régénération [nbre/m2]

Figure 2.3.5. Relation entre le lessivage d’azote et les dépôts d’azote (a), le facteur de dénitrification (b) et la régénération (nombre de jeunes arbres mesurant entre 1,3 et 2,5 m de haut par mètre carré ; c) les graphiques indiquent les valeurs mesurées (triangles noirs) et les valeurs prédites par le modèle de régression, construit sur les valeurs moyennes des paramètres pour la période 2005–2010 (ligne rouge). Représentation des résultats du tableau 2.3.2. Le facteur de dénitrification est de 0,1 dans un sol non en-gorgé d’eau et de 0,7 dans un sol engorgé.

Tableau 2.3.2. Log10 du lessivage d’azote en fonction du Log10

des dépôts d’azote, du facteur de dénitrification et de la régé-nération (nombre de jeunes arbres mesurant entre 1,3 et 2,5 m de haut par mètre carré) sur 41 sites IAP et LWF entre 2005 et 2010. ES = erreur standard, R 2 = 0,35 du modèle total. Les ré-sultats sont représentés dans la figure 2.3.5.

Paramètre Coefficient ES Valeur P

(Ordonnée à l’origine) –5,362 1,445 0,001

Log10 des dépôts d’azote 4,409 1,036 0,000

Facteur de dénitrification –1,744 0,633 0,009

Régénération –4,607 2,797 0,108

69

Cycles biogéochimiques

ments nutritifs aussi profondément que les racines du hêtre. Il n’a cependant pas été établi si cette différence dans le lessivage d’azote se retrouve pour d’autres essences de feuillus et de conifères.

Dans la perspective des changements clima-tiques, il convient de promouvoir des essences ligneuses plus résistantes à la sécheresse, dont les racines plongent par exemple plus profondé-ment dans le sol (Bréda et al. 2006 ; göranSSon et  al. 2006). Il s’agit le plus souvent d’essences feuillues telles que le chêne (Quercus sp.). Se-lon les connaissances actuelles, ces essences ré-duisent le lessivage d’azote, puisent les nutriments dans des couches plus profondes du sol et, leur litière se décomposant plus rapidement, elles fa-vorisent le recyclage des éléments nutritifs et la formation d’humus. Les essences à racine pivot – p. ex. chêne, pin et mélèze – et à racine fascicu-lée pénètrent plus profondément et peuvent donc réduire davantage le lessivage d’azote que les es-sences à racines superficielles telles que l’épicéa et le bouleau (classification selon leiBundgut 1970).

Il se pourrait que des apports d’azote élevés sur de longues périodes aient diminué la valeur du rapport C/N.

Comparaison entre pessières et hêtraiesUne comparaison directe entre placettes d’épicéas et placettes de hêtres voisines dans huit sites a révélé un lessivage d’azote nettement plus élevé sous les pessières que sous les hêtraies (fig. 2.3.6). La différence s’explique en partie par le fait que les houppiers des épicéas, qui présentent une sur-face foliaire totale plus élevée et qui conservent leur feuillage toute l’année, filtrent davantage les aérosols et les gaz atmosphériques contenant de l’azote que les houppiers de hêtres. La modélisa-tion des dépôts tient compte de cet effet (fig. 2.3.2) en utilisant des vitesses de dépôts plus élevées. Dans les forêts de conifères, les apports sont le plus souvent de 5 à 10 kg/ha/an plus élevés que dans les forêts de feuillus. Une autre raison qui ex-plique le lessivage accru d’azote sous les pessières est que les racines d’épicéa ne puisent pas les élé-

0

10

20

30

40

50

Brislach, BL Muri, BE Bachtel, ZH Höglwald (D) Schongau, D Eurasburg, D Munich, D Landsberg, DBRAUN (2013) ROTHE et al. (1998) ROTHE et MELLERT (2004)

Less

ivag

e d’

azot

e [k

g N

/ha/

an]

HêtreÉpicéa

Figure 2.3.6. Lessivage d’azote sous des peuplements adjacents d’épicéas (Picea abies) et de hêtres (Fagus sylvatica) dans des conditions stationnelles similaires sur trois sites en Suisse (Braun 2013) et cinq sites en Bavière (rothe et al. 1998 ; rothe et Mellert 2004).

70

Changements climatiques et cycles biogéochimiques 2nettement plus élevées au cours des premières années suivant une perturbation (cf. compilation dans hegg et al. 2004) et qu’elles sont associées à un lessivage accru de cations. Dans les sols qui ne sont pas encore très acidifiés, ce sont des cations basiques ; dans les sols très acidifiés, il s’agit d’alu-minium, de fer et de manganèse. Ce lessivage de cations accélère le processus d’acidification du sol et l’appauvrit en nutriments, ce qui compromet la nutrition minérale des arbres à long terme.

Exploitation de bois-énergie et disponibilité en cations basiques nutritifs

Valorisant les éléments des houppiers pour le chauffage au bois déchiqueté, l’exploitation de bois-énergie, qui est destiné à remplacer les com-bustibles fossiles, peut accroître la déperdition d’éléments nutritifs. Lors de cette récolte par arbre entier, la perte de certains éléments nutritifs (Ca, Mg, K et P, p. ex.) est plus que proportionnellement

La litière des résineux (mélèze, pin et épicéa) se décompose plus lentement et tend davantage à for-mer une couche d’humus brut que celle des feuillus (frêne, chêne et hêtre), qui se décompose plus vite et se mélange à la fraction minérale sous l’action des organismes vivant dans le sol (lüScher 1989 ; Walthert et al. 2004). coolS et al. (2014) ont établi une régression à partir des données du réseau de mesure européen d’un maillage de 16 × 16 km, qui a révélé que l’essence ligneuse en présence ex-plique en bonne partie le rapport C/N des couches organiques et de la couche supérieure du sol.

Influence de la gestion forestière et des perturbationsL’influence de la gestion a été déterminée sur la base d’essais d’abattage (menés aux États-Unis, en France, en Suède et en Allemagne), de surfaces de chablis (hegg et al. 2004) et d’une expérience qui a consisté à simuler une infestation des épi-céas par le bostryche dans l’Alptal (SZ ; krauSe et al. 2013). Ces études ont montré que les concen-trations de nitrates dans l’eau d’infiltration sont

Sans lessivage

Ca K Mg PÉlément

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Avec lessivage

Ca K Mg PÉlément

>10%0 à 10%–50 à 0%–100 à –50%< –100%

Bilan des nutrimentsen % de la quantitéde nutriments stockésdans la biomasseaérienne

a) b)

Pour

cent

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, BL,

BS,

SO,

TG,

ZH

[%]

Figure 2.3.7. Bilan des éléments nutritifs Ca, K, Mg et P en cas de récolte par arbre entier, sans lessivage (a) et compte tenu d’un lessivage des nutriments correspondant au niveau actuel (b). Le bilan est établi en calculant la différence entre les apports par les dépôts atmosphériques et l’altération de la roche, d’une part, et les pertes engendrées par la récolte, auxquelles s’ajoutent celles dues au lessivage dans le cas b), d’autre part. Ce calcul a été effectué pour une révolution de 120 ans. Les pertes lors d’une récolte par arbre entier correspondent à la quantité de nutriments stockés dans la biomasse aérienne. Le graphique montre la part des surfaces forestières des cantons AG, BL, BS, SO, TG et ZH où le bilan est négatif (jaune à rouge) et positif (vert). Un bilan de –50 % signifie que le bilan négatif correspond à la moitié de la quantité d’éléments dans la biomasse aérienne.

71

Cycles biogéochimiques

Conclusions

La hausse des températures et la multiplication des épisodes de sécheresse ont des effets oppo-sés sur les cycles de nutriments en forêt. Il est dès lors difficile de formuler des conclusions géné-rales. Les deux scénarios ci-après paraissent plau-sibles dans certaines régions : 1) hausse des pics de concentration et baisse des charges annuelles de nutriments après des épisodes de sécheresse, notamment en raison d’un ralentissement géné-ral de la décomposition de la matière organique en conditions sèches; 2) tendance à une décom-position accrue de la matière organique lorsque les températures sont plus élevées. Les deux scé-narios peuvent modifier la disponibilité des nutri-ments à court et à long terme.

Les apports d’azote atmosphérique et la ré-colte par arbre entier jouent un rôle important pour la nutrition minérale des arbres forestiers dans certaines régions de Suisse. Le risque de lessivage de l’azote et, dès lors, de lessivage d’autres élé-ments nutritifs (cations basiques Ca, Mg et K) est le plus élevé lorsque les dépôts d’azote sont im-portants et lorsque l’engorgement du sol et la ré-génération sont faibles. Lors de la récolte du bois, un échelonnement spatial (à petite échelle) et une régénération existante peuvent réduire le risque de pertes d’azote et de nutriments. À l’échelle de grands bassins versants alimentant des captages d’eau potable, l’échelonnement devrait atténuer plus efficacement les hausses temporaires des concentrations de nitrates engendrées par la ré-colte du bois. Si la récolte par arbre entier accroît certes le rendement en combustible à court terme, elle réduit néanmoins le plus souvent la disponibi-lité des nutriments et le rendement à long terme.

En ce qui concerne le choix des essences, celles qui puisent mieux l’eau et les nutriments dans la zone d’enracinement tendent à présenter des avan-tages au niveau des nutriments. Pour nombre d’es-sences, telles les essences exotiques, cette tendance n’a toutefois pas encore été spécifiquement étudiée dans des stations caractéristiques de Suisse.

supérieure à celle engendrée par la récolte de gru-mes et de bois fort, car les branches et les rameaux portent davantage d’écorce contenant une concen-tration élevée de ces éléments et que les feuilles sont riches en nutriments (JacoBSen et al. 2002).

Braun et al. (2015) ont calculé des bilans d’élé-ments nutritifs pour leurs sites d’observation et les ont extrapolés pour de plus grandes superficies à l’aide d’informations cartographiques (géologie et associations forestières, p. ex.). Ils ont ensuite évalué, pour plusieurs cantons, la part (surfacique) de forêts où les pertes de P, de Ca, de Mg et/ou de K lors de la récolte par arbre entier sont supé-rieures aux apports de ces éléments, via les dépôts atmosphériques et l’altération de la roche, durant une rotation (fig. 2.3.7). Le bilan du phosphore est négatif pour une grande proportion de la surface forestière. En ce qui concerne les cations basiques, la proportion de la surface forestière présentant un bilan négatif augmente fortement lorsque les calculs incluent le niveau actuel du lessivage des nutriments. Étant donné que les régions où le bi-lan de l’un des nutriments est négatif se recoupent et que le bilan est toujours négatif pour l’un des éléments au moins, une récolte par arbre entier n’est en aucun cas durable si l’on tient compte du lessivage.

Plusieurs études expérimentales font état de résultats similaires, avec une diminution de la dis-ponibilité des nutriments et un ralentissement de la croissance après récolte par arbre entier ob-servés pour l’épicéa de Sitka (Picea sitchensis) au Royaume-Uni (WalmSley et al. 2009 ; vanguelova et al. 2010), le pin sylvestre (Pinus sylvestris) et l’épicéa en Finlande (tamminen et SaarSalmi 2013 ; kaarakka et al. 2014), le sapin de Douglas (Pseu-dotsuga menziesii) en Amérique du Nord-Ouest (himeS et al. 2014 ; kaarakka et al. 2014) et le pin sylvestre en Suède (egnell et ulvcrona 2015). La récolte par arbre entier accroît certes le rendement en combustible à court terme. Selon les connais-sances actuelles, elle réduit toutefois à long terme la disponibilité des nutriments et le rendement en bois.

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RemerciementsNous remercions le programme « Forêts et changements cli-matiques » de l’Office fédéral de l’environnement OFEV et de l’Institut fédéral de recherche WSL pour le financement des projets ci-après (responsable ; coauteures et coauteurs du chap. 2.3) : NitLeach (P. Waldner ; S. Braun, A. Thimonier) ; For-SAFE (D. Kurz ; P. Waldner). La carte des dépôts d’azote modéli-sés dans les forêts suisses a été établie par B. Rihm (Météotest) sur mandat de l’OFEV.

Les analyses de la solution du sol ainsi que l’établissement des bilans de nutriments dans les placettes IAP ont bénéficié de l’appui de l’OFEV (divisions Forêts et Protection de l’air) et des offices des forêts des cantons AG, BE, BL, BS, FR, SO, TG, ZG et ZH. L’étude des réserves de nutriments dans la végétation du sol sur les placettes LWF (S. Etzold) a été soutenue par l’OFEV.

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