L`eau des sols forestiers: un milieu sensible aux changements

Forum für Wissen 2009: 21–30
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L’eau des sols forestiers: un milieu sensible aux
changements
Elisabeth Graf Pannatier, Matthias Dobbertin, Maria Schmitt, Anne Thimonier et Peter Waldner
WSL Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
L’eau du sol forestier est un milieu sensible, réagissant rapidement aux changements de l’environnement. Dans le cadre du projet de recherche à long terme sur
les écosystèmes forestiers (LWF), nous analysons depuis une dizaine d’années la
chimie des dépôts atmosphériques et de l’eau du sol sur sept sites en Suisse afin
d’évaluer l’impact des dépôts atmosphériques acides sur les sols forestiers. Outre
la qualité, la quantité d’eau est également importante pour la vitalité des plantes.
Nous mesurons ainsi le potentiel matriciel sur dix sites afin d’évaluer si l’eau retenue dans le sol est facilement disponible pour les racines ou non. L’effet de la vague de chaleur de l’été 2003 sur la disponibilité en eau et la réaction de la croissance des arbres seront examinés dans cet article.
1 Pourquoi l’observation à
long terme de l’eau du sol
forestier
Le sol est un constituant important de
l’écosystème forestier. Il contient les
nutriments essentiels pour la croissance de la végétation, il filtre la pollution
atmosphérique, régule l’écoulement des
précipitations et les cycles biogéochimiques et par conséquent la quantité et
la qualité des eaux de surface et souterraines. L’eau retenue dans les pores
fins du sol, souvent appelée solution du
sol, véhicule des éléments nutritifs dissous (par exemple azote, phosphore,
calcium), essentiels pour la croissance
et la vitalité des plantes et des organismes du sol. Cependant, des facteurs extérieurs comme la pollution de l’air, les
changements climatiques ou des événements météorologiques extrêmes et
certaines activités sylvicoles peuvent
perturber le régime hydrique du sol et
le cycle des nutriments et menacer des
fonctions importantes du sol. L’observation à long terme des sols dans différents écosystèmes forestiers nous permet de mieux comprendre comment
ces facteurs extérieurs, qu’ils soient
d’origine naturelle ou anthropique, influencent les sols et leurs fonctions.
Les processus menant à des modifications de la composition chimique de
la phase solide du sol (acidification par
exemple) sont lents. Les variations
temporelles des concentrations sont
généralement plus petites que celles
dues à l’hétérogénéité spatiale du sol.
C’est pourquoi l’identification de changements temporels des propriétés chimiques du sol est difficile. Par contre,
l’échantillonnage et l’analyse fréquents
de l’eau du sol au moyen de méthodes
non-destructives (lysimètre par exemple) à un endroit fixe permettent de
montrer des variations temporelles de
la qualité de l’eau. Ces fluctuations reflètent divers processus de rapidité différente: apport d’éléments dissous provenant de la décomposition de la matière organique, des pluvio-lessivats ou
de l’altération des minéraux et de la
roche, perte d’éléments par drainage
ou suite à l’absorption des racines,
échange d’éléments avec le complexe
absorbant du sol.
Afin de mettre en évidence des
changements à long terme de la qualité
de l’eau du sol (par exemple changement du pH ou des concentrations de
calcium), le choix de la fréquence
d’échantillonnage est crucial. Toutes
les variations du milieu observé, qu’elles soient saisonnières, annuelles ou
pluri-annuelles, doivent être saisies
afin de pouvoir identifier un éventuel
changement à long terme. La Figure 1
illustre l’importance du choix de la fréquence d’échantillonnage. Cet exemple
montre une décroissance, illustrée au
moyen d’une régression linéaire, d’un
paramètre mesuré mensuellement ou
toutes les deux semaines sur une période de 17 ans (Fig. 1a). Le même
paramètre qui serait mesuré une fois
par année pendant 17 ans montrerait
une tendance vers la croissance du fait
que les variations saisonnières, de forte
amplitude, n’ont pas été saisies par
l’échantillonnage (Fig. 1b).
2 Les mesures de l’eau du sol
dans le projet LWF
Dans le cadre du projet de recherches
à long terme sur les écosystèmes forestiers LWF (THIMONIER et al. 2001), diverses composantes de l’écosystème
forestier (précipitations hors couvert,
pluvio-lessivats, eau du sol, potentiel
matriciel, croissance des arbres) sont
mesurées sur plusieurs placettes en
Suisse afin de mieux comprendre l’influence de la pollution de l’air et des
changements climatiques sur l’eau du
sol et les arbres. Deux thèmes seront
développés dans cet article, à savoir
l’acidification accélérée de l’eau du sol
sous l’influence de la pollution atmosphérique et l’effet de la vague de chaleur de l’été 2003 sur la disponibilité en
eau dans le sol pour les racines et la réaction de la croissance des arbres.
L’eau du sol est échantillonnée toutes les deux semaines depuis 1999 ou
2000 sur sept des dix-huit placettes du
réseau LWF (Fig. 2). Elle est prélevée à
l’aide de plaques gravitaires sous la litière (Fig. 3a) et par succion (–500 hPa)
à l’aide de lysimètres avec bougie en
céramique (Fig. 3b) à 15 cm, 50 cm et
80 cm de profondeur (GRAF PANNATIER et al. 2004).
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1988–2004
a
6
5
Paramètre
4
3
2
1
0
85
87
89
91
93
95
97
99
01
03
05
97
99
01
03
05
1988–2004
b
6
5
Paramètre
4
3
2
1
0
85
87
89
91
93
95
Figure 1. Influence de la fréquence d’échantillonnage sur la tendance à long terme (illustrée
par une régression linéaire) pendant une période d’observation de 17 ans (1988–2004).
Paramètre mesuré une fois par mois ou tous les 15 jours (a) ou une fois par année (b).
Abb. 1. Einfluss der Probenahmehäufigkeit auf den langfristigen Trend (mit linearer
Regression dargestellt) während einer Beobachtungsperiode von 17 Jahren (1988–2004).
Einmal monatlich oder in 14-täglichem Rythmus (a) oder einmal jährlich (b) gemessener
Parameter.
Afin d’estimer la quantité annuelle
de dépôts atmosphériques des éléments chimiques principaux (N, S, Ca,
Mg, K, Na, Cl) sur les placettes LWF,
les précipitations (hors couvert) et les
pluvio-lessivats (sous couvert) sont
échantillonnés et analysés à l’aide de
plusieurs collecteurs de pluie et de neige (voir méthode dans THIMONIER et
al. 2005). Les échantillons sont prélevés
toutes les deux semaines en même
temps que l’eau du sol.
Une fois les échantillons filtrés au laboratoire, leur composition chimique
est analysée (pH, conductivité électrique, carbone et azote organique dissous, cations et anions principaux).
Dans le cadre d’un autre projet, l’eau
du sol est également analysée depuis
1987 dans une forêt de châtaigniers à
Copera au Tessin (BLASER et al. 1999;
GRAF PANNATIER et al. 2005). Cette série constitue l’enregistrement le plus
long disponible en Suisse.
Outre la qualité de l’eau, nous mesurons la force de succion du sol pour
l’eau, appelée également potentiel
matriciel, à l’aide de tensiomètres
manuels (gamme de mesure entre 0
et –900 hPa). Ces données nous permettent d’évaluer si l’eau retenue dans
le sol est facilement disponible pour les
Fig. 2. Réseau des 18 placettes LWF ( ou ) et localisation des placettes avec échantillonnage de l’eau du sol et mesure du matriciel potentiel.
Abb. 2. Netzwerk der 18 LWF-Flächen ( und ) und Lage der Flächen mit Bodenlösungsprobenahme und Matrixpotentialmessungen.
Forum für Wissen 2009
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racines. Les mesures sont effectuées
toutes les deux semaines depuis 1997
ou plus tard à cinq profondeurs (15, 30,
50, 80 130 cm) sur 10 placettes LWF
(Fig. 2).
Des sondes mesurant automatiquement la teneur en eau dans le sol au
moyen de la technique time domain reflectometry (TDR) ont été installées
en 2001 à Viège, car le sol y était trop
sec pour des tensiomètres (valeurs
< –900 hPa en été). Depuis 2008, nous
installons des sondes sur plusieurs
placettes LWF pour pouvoir mesurer
automatiquement la teneur en eau,
parallèlement au potentiel matriciel.
3 Observation à long terme
de l’acidification de l’eau
du sol
L’apport continu et de longue durée de
dépôts atmosphériques acides peut
modifier la chimie des sols et des eaux
de percolation dans les écosystèmes forestiers et accélérer leur acidification
naturelle. Dans les sols acides en particulier, les apports de substances acidifiantes augmentent la mobilité de l’aluminium (Al) dans le sol, toxique à haute concentration pour les espèces
végétales sensibles. Ils entraînent également un lessivage accru des cations
basiques (Ca, Mg, K). Ces éléments
sont essentiels pour la nutrition des
plantes. Un déficit en nutriments peut
affecter la production de la biomasse,
la santé des arbres ainsi que leur sensibilité aux maladies. Une nutrition déséquilibrée peut nuire à la formation des
racines et à leurs fonctions.
3.1 Les dépôts atmosphériques de
composés acides
Les apports atmosphériques de composés acides sont définis comme la
somme des dépôts atmosphériques totaux de soufre (S) et d’azote (N) moins
les dépôts de cations basiques en équivalents (Mapping manual 2004). Une
correction est réalisée pour soustraire
les retombées atmosphériques d’origine marine (Mapping manual 2004).
La valeur moyenne des apports atmosphériques acides, calculée pour la
période de mesure 2000–2007, varie
entre –0.02 et 1.99 kmolc ha–1 a–1 (Fig.
a
b
Fig. 3. Echantillons d’eau du sol (a) et installation d’un lysimètre sous-tension avec bougie
en céramique (b).
Abb. 3. Bodenlösungsprobe (a) und Installation eines Unterdrucklysimeters mit Keramikkerze (b).
4a). Les apports les plus faibles sont
mesurés dans une région alpine, à Celerina, alors que les plus élevés se trouvent à Novaggio au Tessin et à Schänis
dans les Préalpes. Ces apports élevés
sont caractéristiques des valeurs trouvées dans les contreforts de chaînes de
montagne à proximité des régions industrialisées et fortement peuplées
comme la plaine du Pô en Italie et le
Plateau suisse.
Nous n’avons pas observé de diminution significative (p < 0.001) des retombées de composés acides sur 6 des
7 placettes LWF considérées dans cet
article depuis le début des mesures
(entre 1997 et 2000). À Lausanne, nous
observons par contre une diminution
significative (p < 0.001) des dépôts acides de 0.5 kmolc ha–1 entre 1997 et 2007
(Fig. 4b). Il faut noter que les apports
atmosphériques acides mesurés ces dix
dernières années sur les placettes LWF
sont inférieurs à ceux estimés à la fin
des années 80 (p. ex. entre 3.4 et 5.7
kmolc ha–1 a–1 sur le Plateau dans KURZ
et al. 1998), en raison notamment des
réductions massives des émissions de
soufre au cours des 20 à 25 dernières
années.
3.2 Les charges critiques d’acidité
Afin d’estimer le risque écologique dû
aux effets nocifs de l’acidification,
comme la présence d’aluminium dissous qui est toxique pour les plantes, la
charge critique d’acidité peut être calculée pour chaque site en fonction de
la capacité du sol à neutraliser les apports d’acides (WALDNER et al. 2007).
Si les dépôts atmosphériques sont plus
faibles que les charges critiques, il paraît improbable que l’acidité induise
des effets nocifs pour les plantes. Or la
Figure 4a nous montre que les apports
atmosphériques de composés acides à
Novaggio dépassent nettement la charge critique d’acidité, ce qui pourrait indiquer un risque d’endommagement
de l’écosystème forestier causé par
l’acidification.
3.3 Comment estimer l’acidification
de l’eau du sol ?
Pour suivre l’acidification de l’eau du
sol au cours du temps, nous observons
le rapport BC/Al, soit le rapport molaire entre les cations basiques et l’alumi-
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Forum für Wissen 2009
a
Dépôts atmosphériques de composés acides (moyenne 2000–2007)
Dépôts acides et charges critiques
kmolc ha–1 a–1
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Bettlachstock
Vordemwald
Lausanne
–0.5
Schänis
dépôts
b
Beatenberg
Novaggio
Celerina
3.4 Eau dans les sols formés à partir de substrat acide
charges critiques
Dépôts atmosphériques annuels à Lausanne (1997–2007)
Dépôts acides (kmolc ha–1 a–1 )
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Fig.4. a) Dépôts atmosphériques et charges critiques de composés acides sur les placettes
LWF avec prélèvement de l’eau du sol (moyenne et écart-type entre 2000 et 2007). Les
charges critiques ont été calculées par WALDNER et al. (2007) en appliquant l’approche
«bilan par équilibre» SMB (steady-state mass balance). b) Dépôts atmosphériques annuels
de composés acides à Lausanne entre 1997 et 2007 et régression linéaire.
Abb. 4. a) Atmosphärische Säureeinträge (Mittelwert zwischen 2000 und 2007 und Standardabweichung) und Critical Loads für versauernde Einträge in den LWF-Flächen, wo die
Bodenlösung beprobt wurde. Die Critical Loads wurden mit einer Massenbilanz (steadystate mass balance) in WALDNER et al. (2007) bestimmt. b) Jährliche atmosphärische Säureeinträge in Lausanne zwischen 1997 und 2007 und lineare Regression.
nium dissous total dans l’eau du sol.
Cet indicateur, employé dans le calcul
des charges critiques d’acidité, permet
d’évaluer l’acidification du sol et les
risques écologiques associés à la toxicité de l’aluminium (SVERDRUP et
WARFVINGE 1993). Un rapport supérieur à 1 ne devrait pas causer de dommages aux racines des arbres à long
terme. La Table 2 présente les valeurs
moyennes de BC/Al pour tous les horizons et toutes les placettes échantillonnées. Afin de mettre en évidence des
tendances à long terme pendant la pé-
de matériaux acides comme à Celerina, Novaggio, Copera, Beatenberg,
– ceux qui se sont développés à partir
de substrats contenant du calcaire
comme à Bettlachstock, Schänis,
Vordemwald, Lausanne. L’épaisseur
du sol qui a été décarbonatée au
cours de son histoire diffère d’un site
à l’autre. La limite supérieure de calcaire se situe entre 5 cm de profondeur à Bettlachstock et plus de 450
cm de profondeur à Vordemwald
(Table 2).
riode d’observation, nous avons calculé
une moyenne mobile avec une fenêtre
de deux ans pour chaque paramètre
analysé entre 1999/2000 et 2007. Ceci
nous permet de soustraire les effets potentiellement causés par l’installation
des lysimètres (minéralisation accrue
lorsque le sol est remué et aéré).
L’eau du sol est prélevée dans différents écosystèmes forestiers où le climat, la végétation et le type de sol diffèrent (Table 1). On peut classer les
sols échantillonnés en deux catégories:
– ceux qui se sont développés à partir
Les sols acides développés à partir de
substrat acide et recevant des apports
atmosphériques substantiels de composés acides depuis des décennies sont
les plus susceptibles de subir une acidification accélérée conduisant à des
concentrations élevées d’aluminium
qui pourraient s’avérer toxiques pour
les plantes. A Copera par exemple,
nous avons observé une nette diminution des rapports BC/Al entre 1987 et
2004 (Fig. 5), indiquant une accélération de l’acidification (BLASER et al.
1999). Une analyse temporelle détaillée montre que les rapports BC/Al se
stabilisent à partir de la fin des années
90, suggérant un ralentissement de
l’acidification, probablement dû à
l’amélioration de la qualité de l’air
(GRAF PANNATIER et al. 2005). A Novaggio, les rapports BC/Al sont également restés stables en moyenne de
2001 à 2007, même s’ils montrent des
variations pluriannuelles de forte amplitude (Fig. 5). La forte diminution de
BC/Al observée pendant les deux premières années d’observation pourrait
avoir être causée par l’installation des
lysimètres. Ce phénomène a été observé dans plusieurs placettes (Copera,
Vordemwald, Beatenberg). A Celerina,
une accélération de l’acidification du
sol due à la pollution de l’air paraît improbable, car cette placette est située
dans une vallée alpine où les dépôts
acides sont minimes (Fig. 4). L’acidification du sol y est beaucoup moins
avancée qu’à Novaggio et Copera,
comme en témoignent les rapports
BC/Al élevés à 60 et 80 cm de profondeur (Table 2). Les rapports sont également restés stables en moyenne pen-
Forum für Wissen 2009
25
Table 1. Description des placettes LWF avec observation à long terme de la chimie de l’eau du sol.
Tab. 1. Beschreibung der LWF-Flächen, wo die Chemie der Bodenlösung langfristig beobachtet wird.
Altitude
(m)
Type de sol 1
Roche-mère
> 120
Sol brun calcaire
Calcaire (Hauptrogenstein)
> 240
Sol brun, pseudogley
Moraine carbonatée
300
> 120
Stagnogley
Moraine carbonatée
>450
Grès
> 160
Podzol humique
(pseudogley)
Sol brun, pseudogley
Pinus
cembra
> 120
Podzol ferrugineux
Moraine non- carbonatée
–
Quercus
cerris
Castanea
sativa
> 150
Sol brun
Moraine non- carbonatée
–
> 130
Podzol
Gneiss
–
Région
Site
Jura
Bettlachstock
1200
Fagus
sylvatica
Plateau
Lausanne
800
Vordemwald
480
Fagus
sylvatica
Abies alba
1500
Picea abies
55
Schänis
700
Fagus
sylvatica
Alpes
Celerina
1850
Tessin
Novaggio
950
Copera
650
Préalpes Beatenberg
1
2
Essence
principale
Zone des
racines (cm)
Limite supérieure
de calcaire (cm) 2
5
–
Poudingue carbonaté
(Kalknagelfluh)
100
selon les caractéristiques morphologiques
indique la profondeur du profil à laquelle des carbonates ont été déterminés dans la terre fine. "–" indique que la roche-mère ne
contient pas de carbonates (données de WALTHERT et al. 2003)
Table 2. Caractéristiques chimiques de l’eau du sol (moyenne 2000–2007). DOC: carbone organique dissous. BC : cations basiques (Ca2+ +
Mg2+ + K+).
Tab. 2. Chemische Eigenschaften der Bodenlösung (Mittelwert 2000–2007). DOC: gelöster organischer Kohlenstoff. BC: basische Kationen
(Ca2+ + Mg2+ + K+).
Site
Horizon
Profondeur (cm)
pH
DOC (mg/L)
BC (μmol/L)
Al (μmol/L)
BC/Al
Bettlachstock
L
A
B
IIBC
0
15
50
80
6.3
8.2
8.3
8.3
28.3
12.3
5.4
4.6
420
1525
1573
1591
p.q.1
p.q.
p.q.
p.q.
> 100
> 100
> 100
> 100
Lausanne
L
A(Sw)3
B(Sd)1
B(Sd)1
0
15
50
80
4.7
4.5
5.0
5.6
39.7
4.8
1.5
1.0
275
124
105
110
4.9
41.3
19.0
7.1
59.9
3.2
5.6
19.3
Vordemwald
L+F+Ah
ESw
Sw
Sd1
0
15
50
80
4.3
4.7
4.7
5.4
41.5
5.6
1.2
1.0
69
24
48
84
25.7
21.0
17.7
4.0
4.1
1.1
2.7
23.1
Beatenberg
L+F
H + Ah1
E3
E3, Bs,h1
0
15
50
80
4.1
3.8
4.1
4.4
40.6
54.1
35.9
24.4
86
21
24
31
2.0
16.0
33.8
40.5
46.1
1.3
0.7
0.8
Schänis
L
AB
B(Sd)
B(Sd)
0
15
50
80
7.0
7.6
7.8
8.0
17.2
5.2
1.3
1.1
330
411
475
645
p.q.
p.q.
p.q.
p.q.
> 100
> 100
> 100
> 100
Celerina
L
(E)1
B
BC
0
15
50
80
5.0
5.2
6.5
6.5
55.7
24.0
4.7
3.4
223
72
44
57
13.3
22.8
3.1
1.4
21.7
3.3
15.2
42.4
Novaggio
L+F
Ah3+A
AB
B
0
15
50
80
4.7
4.6
4.9
5.0
42.3
8.3
3.0
2.1
209
48
26
32
8.4
31.1
14.1
11.1
29.7
1.5
1.8
3.0
Copera
(2000-2004)
L
(AE)
(Bh)Bs
B(s)C
0
30
57
110
5.2
4.7
4.8
5.0
19.6
2.5
1.0
1.0
191
42
67
55
7.6
41.4
34.6
32.1
28.7
1.1
2.0
1.9
1
p.q.= pas quantifiable, inférieur à deux fois la limite de détection (2 × 0.56 μmol/L)
26
Forum für Wissen 2009
Copera
10
10
BC/Al
6
6
4
4
2
2
0
Dez
99
0
Dez
00
Dez
01
87 88 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03 04
30 cm
8
80
8
6
60
4
40
2
20
0
0
Dez
07
Beatenberg
6
4
2
0
Jan
99
Jan
00
Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez
00
01
02
03
04
05
06
07
15 cm
80 cm
Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez
00
01
02
03
04
05
06
07
15 cm 80 cm
Lausanne
8
80
8
80
6
60
6
60
4
40
4
40
2
20
2
20
0
0
Jan Jan Jan Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez
98 99 00 00 01 02 03 04 05 06 07
15 cm
80 cm
BC/Al 15 cm
10
Vordemwald
BC/Al 80 cm
BC/Al 15 cm
Dez
06
100
10
BC/Al 15 cm
Jan
00
BC/Al
10
BC/Al 80 cm
100
Jan
99
Dez
05
110 cm
Celerina
10
Dez Dez Dez
02
03
04
15 cm 80 cm
0
Jan
99
Jan
00
100
BC/Al 80 cm
BC/Al
Novaggio
8
8
0
Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez
00
01
02
03
04
05
06
07
15 cm 80 cm
Fig. 5. Rapport molaire des cations basiques BC (BC = Ca + Mg + K) sur l’aluminium dissous total (BC/Al) entre 2000 et 2007 sur les
placettes à sol acide. Moyenne mobile avec fenêtre de deux ans.
Abb. 5. Molares BC/Al-Verhältnis zwischen basischen Kationen (Ca, Mg, K) und gelöstem Aluminium (Al) zwischen 2000 und 2007 in
LWF-Flächen mit sauren Böden. Gleitender Durchschnitt mit 2jährigem Fenster.
dant la période d’observation (2000–
2007), même si des variations interannuelles sont visibles (Fig. 5). A Beatenberg, le sol est très acide. Les valeurs
de BC/Al à 15, 50 et 80 cm de profondeur sont très faibles (< 4, Table 2 et
Fig. 5) et ont tendance à diminuer au
cours du temps, notamment à 15 cm de
profondeur (interface entre horizons H
et Ah), suggérant une acidification plus
rapide.
3.5 Eau dans les sols formés à partir de matériaux calcaires
Examinons maintenant l’eau des sols
formés à partir de matériaux calcaires.
A Bettlachstock et à Schänis, les rapports BC/Al sont supérieurs à 100 aux
quatre profondeurs analysées, compte
tenu du pH élevé (pH > 6.5) et des très
faibles concentrations d’Al dissous
(Table 2). Ils ne présentent aucun risque de phytotoxicité de l’Al et possèdent une large capacité à neutraliser
les dépôts acides. Les valeurs du pH et
les concentrations en cations basiques
sont restées stables pendant toute la
période d’observation (2000–2007).
Les sols à Vordemwald et à Lausanne ont été décarbonatés sur une grande
profondeur (300 cm à Lausanne et plus
de 450 cm à Vordemwald). Les rapports BC/Al sont faibles (< 4) à 15 cm
mais augmentent en profondeur (Table
2), parallèlement au taux de saturation
en cations basiques échangeables du
complexe absorbant (WALTHERT et al.
2003). Les rapports BC/Al à 80 cm de
profondeur sont supérieurs à 20, même
à Vordemwald où le sol est acide dans
tout le profil (pHCaCl2 < 4.3 dans WALet al. 2003). Bien que les apports
atmosphériques acides aient diminué à
Lausanne pendant la période d’observation entre 2000 et 2007 (Fig. 4), nous
n’avons pas observé de réactions dans
l’eau du sol. Les rapports BC/Al dans
l’eau du sol sont restés stables, suggérant une lente acidification (Fig. 5). A
Vordemwald, on observe par contre
une tendance à la baisse de BC/Al
dans les horizons minéraux (15, 50 et
80 cm) entre 2001 et 2007, suggérant
une acidification plus rapide qu’à Lausanne. Le taux de décroissance de
BC/Al dans le sol minéral (entre –3 %
et –5 % BC/Al par année) est comparable à celui mesuré à Copera (BLASER
et al. 1999; GRAF PANNATIER et al. 2005).
THERT
Forum für Wissen 2009
3.6 Les risques écologiques
Nous avons vu que les rapports BC/Al
à Vordemwald, Beatenberg, Novaggio
et Copera étaient proches de 1, voire
inférieurs, indiquant donc un risque dû
à la toxicité de l’aluminium (Table 2).
Les rapports BC/Al sont généralement
calculés en utilisant les concentrations
d’Al total dissous dans l’eau du sol. Or,
il s’agit surtout du ion Al3+ et de l’ion
hydroxylé AlOH2+ qui sont toxiques
pour les racines (LØKKE et al. 1996).
Les concentrations des différents complexes d’Al ont par conséquent été
estimées à l’aide d’un programme de
spéciation (WHAM 6.0, 2001) et publiées dans GRAF PANNATIER et al.
(2006). Lorsqu’on considère uniquement la forme la plus toxique de l’aluminium (Al3+ et AlOH2+), les rapports
deviennent plus grands que 1, suggérant un risque limité lié à la toxicité de
l’Al pour les racines. A Beatenberg,
l’Al se trouve principalement complexé à la matière organique dissoute
et ne devrait pas constituer de risque
pour la végétation. De plus, les racines
des épicéas se situent essentiellement
dans la couche organique (horizons F
et H), riche en cations basiques et
caractérisée par des rapports BC/Al
élevés. A Vordemwald et Novaggio, les
rapports BC/(Al3+ + AlOH2+) atteignent
des valeurs supérieures à 3. De ce fait,
ils constituent aujourd’hui un risque limité pour les racines. En outre, les rapports augmentent en profondeur. A 80
cm, toujours dans l’espace racinaire, les
rapports BC/(Al3+ + AlOH2+) sont supérieurs à 10, indiquant que les risques
écologiques sont minimes. A Copera
par contre, les formes toxiques de l’Al
constituent plus de 80 % de l’Al dissous total dans les horizons minéraux.
Les rapports BC/(Al3+ + AlOH2+) sont
faibles et varient de 1.6 à 2.9, suggérant
que le risque d’impacts négatifs dus à
l’Al sur les racines est élevé.
3.7 Conclusions sur l’acidification
de l’eau du sol
Les apports atmosphériques de composés acides mesurés ces dix dernières
années sur les placettes LWF sont bien
inférieurs à ceux estimés à la fin des
années 80. Nous n’avons pas observé
de tendance significative à la baisse ou
27
à la hausse des dépôts, à part à Lausanne où ils ont diminué.
L’analyse de la composition chimique de l’eau du sol nous montre que
l’acidification se produit de manière
très lente sur cinq des sept placettes
observées depuis 1998. La diminution
du rapport BC/Al sur certaines placettes pendant les deux premières années
de mesures provient probablement de
l’installation des lysimètres. Nous
avons identifié une rapide acidification
de l’eau du sol à Copera (Tessin) dans
les années 90, mais il semble qu’elle se
soit stabilisée depuis la fin des années
90. Nous avons également décelé une
diminution des rapports BC/Al à Vordemwald (Plateau) et à Beatenberg
(Préalpes) depuis le début des mesures
en 1999, ce qui pourrait témoigner
d’une rapide acidification. La modélisation de l’acidification du sol sur les
placettes LWF nous permettra de
quantifier la contribution de la pollution atmosphérique à l’acidification
par rapport aux autres apports d’acides
dans le sol (acides organiques p. ex.).
4 Observation à long terme
de la disponibilité en
eau dans le sol pour la
végétation
Les mesures du potentiel matriciel à
l’aide de tensiomètres nous permettent
d’évaluer si l’eau retenue dans le sol
est facilement disponible pour les racines et de caractériser le régime hydrique. Elles montrent typiquement les
phases de saturation en eau en hiver et
au printemps et les phases sèches en
été.
4.1 Le potentiel matriciel pendant
l’été 2003
L’été 2003, exceptionnellement sec et
chaud, nous a permis de déterminer
comment les sols réagissaient à de telles conditions météorologiques et si
l’eau était toujours disponible pour les
racines. Sur les placettes du Plateau
suisse (Lausanne, Vordemwald, Othmarsingen, Jussy), à Schänis dans les
Préalpes, à Bettlachstock dans le Jura
et à Novaggio au Tessin, la plupart des
tensiomètres se vidèrent pendant l’été,
indiquant que l’eau n’était plus facile-
ment disponible pour les plantes
(<– 900 hPa). A Viège également, la teneur en eau se stabilisa à des valeurs
minimales en été 2003, suggérant que
les racines ne pouvaient plus extraire
l’eau du sol. Dans les Alpes (Celerina,
Parc national), le potentiel matriciel
fut toujours mesurable en été 2003
mais atteignit pour la première fois des
valeurs minimales de –800 hPa. A
Beatenberg, le sol est resté humide et
les valeurs du potentiel matriciel furent
comparables à celles des autres étés. La
Figure 6 illustre quatre exemples (Vordemwald, Novaggio, Celerina, Beatenberg) de réactions typiques du potentiel matriciel aux conditions extrêmes
de l’été 2003.
4.2 Effets de la sécheresse 2003 sur
la croissance des arbres
Les effets de la sécheresse sur la croissance des arbres ont été examinés sur
15 placettes LWF. Un indice de sécheresse, appelé déficit hydrique, a été
calculé à l’aide d’un modèle (WATBAL, STARR 1999). Ce déficit est défini
comme le rapport entre l’évapotranspiration actuelle et potentielle (AET/
PET) cumulée entre mai et août. La
croissance en circonférence des troncs
de 12 cm de diamètre au moins a été
mesurée en octobre 2002 et 2003 à
l’aide de dendromètres installés à hauteur de poitrine. Dix arbres de chaque
espèce représentant plus de 10 % de la
surface terrière ont été sélectionnés.
L’accroissement en surface terrière de
chaque arbre en 2003 a été comparé à
celui de 2002. La croissance et le déficit
hydrique en 2003 ont ensuite été comparés à ceux de 2002, année également
chaude mais humide.
La Figure 7 illustre les résultats. La
croissance des arbres en 2003 s’est fortement réduite sur les placettes à basse
altitude où le déficit hydrique était important, alors que dans les régions
montagneuses, la croissance ne s’est
que légèrement réduite ou est restée
similaire à celle de 2002 (GRAF PANNATIER et al. 2007). A trois sites au-dessus
de 1200 m d’altitude (Beatenberg, Celerina, Chironico), la croissance des arbres a même augmenté, probablement
à cause des températures plus élevées
et des réserves hydriques suffisantes.
Les différences de croissance entre ces
28
Forum für Wissen 2009
Novaggio
Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez
Jan 00 00
01
02
03
04
05
06
07
08
Vordemwald
Jan Jan Jan Jan Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez
97 98 99 00 00 01 02 03 04 05 06 07 08
200
200
0
–200
–200
–400
–400
–600
–600
–800
–800
–1000
–1000
15 cm
15 cm
80 cm
Beatenberg
Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez Dez
Jan 00 00
01
02
03
04
05
06
07
08
Dez
Jan 00 00
200
200
–200
0
0
–200
–400
–400
–600
–600
–800
–800
–1000
–1000
15 cm
80 cm
Celerina
Dez Dez Dez Dez
01
02
03
04
15 cm
80 cm
Dez Dez Dez Dez
05
06
07
08
80 cm
Fig. 6. Potentiel matriciel à Vordemwald, Novaggio, Beatenberg et Celerina. Zone grise: en-dehors de la gamme de mesure des tensiomètres.
Les valeurs diminuent fortement pendant l’été 2003, à l’exception de Beatenberg.
Abb. 6. Matrixpotential in Vordemwald, Novaggio, Beatenberg und Celerina. Graue Zone: ausserhalb vom Messbereich. Die Werte nehmen
während dem Sommer 2003 (ausser in Beatenberg) stark ab.
Croissance en 2003 en % de 2002
140
Chir
120
Bea
Cel
100
Nov
80
Neu
60
Vor
Iso
Alp
Lau
Sch
Jus
Bet
Vis
Oth
40
R2 = 0.63
20
Len
0
20
40
deux années s’expliquent donc clairement par des fluctuations de réserves
hydriques. Une estimation de l’activité
photosynthétique en 2003 dérivée
d’images satellite à travers les Alpes a
également dévoilé une augmentation
de croissance des arbres à haute altitude et une réduction à basse altitude
(JOLLY et al. 2005).
60
80
100
4.3 Conclusions sur la disponibilité
en eau dans le sol en 2003
AET/PET mai-août 2003 en % de AET/PET mai-août 2002
Fig. 7. Relation entre le déficit hydrique (AET/PET) entre mai et août et la croissance des
arbres sur 15 placettes LWF. Les valeurs de 2003 ont été exprimées en pourcentage de celles
de 2002.
Abb. 7. Zusammenhang zwischen dem Wasserdefizit (AET/PET) zwischen Mai und August
und dem Baumzuwachs in 15 LWF-Flächen. Die Werte 2003 sind in Prozenten von den Werten 2003 dargestellt.
L’été chaud et sec de l’année 2003 a
conduit à un épuisement des ressources d’eau facilement disponible (potentiel matriciel < –900 hPa) pour les
plantes dans les placettes situées endessous de 1200 m d’altitude. La sécheresse s’est fait sentir jusque dans les
vallées alpines comme au Parc National et à Celerina en Engadine mais
l’eau du sol était encore facilement disponible pour les plantes (potentiel matriciel > –900 hPa). La croissance des
troncs en 2003 s’est réduite à basse alti-
Forum für Wissen 2009
tude par rapport à celle mesurée en
2002. En région montagneuse, la croissance fut légèrement réduite en 2003
ou fut similaire à celle de 2002. Les variations de croissance s’expliquent par
les variations de réserve hydrique dans
le sol.
5 Zusammenfassung
Das Wasser der Waldböden:
Ein System, das empfindlich auf
Umweltveränderungen reagiert
Im Rahmen der Langfristigen Waldökosystem-Forschung (LWF) wird die
Bodenlösung und die atmosphärische
Deposition auf 7 Waldflächen seit 1998
oder später in 14-Tage Intervallen gesammelt und chemisch analysiert. Die
Ergebnisse deuten darauf hin, dass die
Versauerung an fünf Standorten in den
letzten 10 Jahren sehr langsam verlief.
Eine beschleunigte Versauerung könnte an zwei Standorten stattgefunden
haben. Neben der Wasserqualität ist
auch die Verfügbarkeit des Bodenwassers für die Vitalität Pflanzen wichtig:
Deshalb messen wir auf 10 LWF-Flächen seit 1997 oder später auch die
Saugspannung in 14-täglichem Rythmus. Die Auswirkungen des Hitzesommers 2003 auf die Bodenwasserverfügbarkeit und das Baumwachstum auf 15
LWF-Flächen wird im Beitrag behandelt. In den Tieflagen lag das Stammwachstum im Jahr 2003 signifikant unter dem des Vorjahres, während es in
den Hochlagen im Vergleich zum Jahr
2002 nur wenig oder gar nicht abnahm.
Remerciements
Le projet LWF bénéficie d’un large
soutien financier, logistique et scientifique de nombreux partenaires que nous
ne pourrions nommer dans cet article.
Nous tenons cependant à exprimer notre gratitude aux collaborateurs sur le
terrain et au laboratoire, ainsi qu’à toutes et à tous ceux qui participent au
projet dans les services forestiers, les
communes, les cantons, à l’Office fédéral de l’Environnement et au WSL.
29
6 Références
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@Natural Environment Research Council.
30
Abstract
The water in forest soils: a system sensitive to changes in the environment
In the framework of Long-term Forest Ecosystem Research LWF, the chemistry
of atmospheric deposition and soil solution have been analysed in two week intervals since 1998 or later in seven plots in Switzerland to assess the soil response to
acid atmospheric deposition. The results suggest that acidification has proceeded
very slowly at five sites during these last 10 years. A faster acidification might have
occurred at two sites. In addition to quality, soil water availability is also important
for plant vitality. We have measured in two week intervals the soil matric potential
since 1997 or later at 10 LWF plots to assess whether the soil water is easily available
to plants. We examined the effects of the heat wave of the summer 2003 on soil
water availability and tree growth at 15 LWF plots. Stem growth in sites located at
low altitude was significantly reduced in 2003 as compared to the previous year,
while in mountainous areas, growth was only slightly reduced or comparable to
growth in 2002.
Keywords: soil solution, acidification, drought, matric potential, LWF
Forum für Wissen 2009