Indeed, the applied 26Mg and 44Ca were very quickly retained in the fine debris layer by ion exchange processes. Compared to magnesium, calcium was more strongly retained in the litter layer and transferred more slowly to the soil profile due to the higher affinity of calcium for organic CEC.
Introduction Générale
Cycles biogéochimiques et nutrition des plantes
Le magnésium (Mg) et le calcium (Ca) sont deux éléments de la famille des alcalino-terreux. Le transport de la bande de Caspary vers les vaisseaux du xylème nécessite une voie transmembranaire (transport passif par diffusion à travers des canaux ioniques ou transport actif par pompe transmembranaire).
La fertilité des sols forestiers face aux différents changements
Une étude récente de Riofrio-Dillon et al. 2012) ont montré, à partir de la répartition des communautés d'espèces végétales en France, une restauration naturelle générale des écosystèmes en France. La carte de sensibilité des terres aux exportations de minéraux (Nicolas et al. 2007) a été réalisée par Alain Brêthes, Jean-Paul Party, Jean-Claude Goût, Etienne Dambrine et Manuel Nicolas.
Outils « conventionnels » pour quantifier la pérennité de la fertilité chimique et limites des approches
- Comparaison des stocks de nutriments à deux dates différentes
- Calcul de bilans de flux « entrées-sorties »
- La modélisation des cycles biogéochimiques du Mg et du Ca
- Limites des approches bilans de de flux « entrées-sorties » et modélisation
- Immobilisation dans la biomasse
- Dépôts atmosphériques
- Altération des minéraux du sol
- Pertes par drainage profond
- Estimation de l’incertitude autour des différents termes du bilan de flux « entrées-sorties »
- Limites des connaissances sur la relation sol-plante
Les bilans de flux entrées-sorties ont été appliqués à plusieurs échelles, de la parcelle forestière au bassin versant (Henderson et al. Sur ce même site, les concentrations de Ca dans les feuilles étaient supérieures aux niveaux optimaux, tandis que les réserves de Ca. Le Ca échangeable dans le sol était très faible (van der Heijden) et al. 2011).
Utilisation de l’outil isotopique
- Isotopie naturelle
- Enrichissement, traçage et dilution isotopique
- Principe des techniques de marquage, traçage et dilution isotopique
- Traçage du prélèvement racinaire et de la translocation
- Traçage du recyclage interne à la plante
- Traçage isotopique à l’échelle de l’arbre
- Mesures des compositions isotopiques du magnésium et du calcium
- Le fractionnement instrumental
- Les interférences spectrales
Le fractionnement instrumental ou biais de masse correspond à la sur- ou sous-estimation d'un rapport isotopique lors de l'analyse. Pour les systèmes ICP-MS, le fractionnement instrumental est indépendant de l’échantillon et la dérive temporelle du fractionnement instrumental est supposée linéaire.
Objectifs de la thèse
Vries W, Posch M and Kämäri J 1989 Simulation of the long-term soil response to acid deposition in different buffer zones. Warfvinge P, Kreutzer K, Rothe A and Walse W 1998 Modeling the effects of acid deposition on the biogeochemistry of the Hoeglwald spruce stand, FRG.
Matériels et Méthodes
- Description du site
- Installations permanentes
- Expérience de multi-traçage isotopique
- Suivi, échantillonnages réalisés et méthodes analytiques
- Echantillonnage des pluies, pluviolessivats, écoulements de tronc et solutions de sol
- Echantillonnage des sols et de l’humus
- Echantillonnage de la biomasse végétale
- Analyse de la composition chimique et isotopique des échantillons
- Notation des rapports isotopiques et calculs de stocks de traceurs dans les compartiments de l’écosystème
Le carbone total et les cations échangeables ont été déterminés (extractions CEC du sol avec de l'acétate d'ammonium à 1 mol.L-1). Les échantillons (feuilles et branches) ont été séchés à l'étuve (65°C), broyés puis minéralisés avec de l'acide nitrique (50%).
Traçage et modélisation du cycle de l’eau
Résumé de l’étude
- Introduction
- Principaux résultats
- Mise en évidence de flux préférentiels d’eau dans le sol
- Quantification des flux préférentiels d’eau dans le sol
- Incidence possible des flux préférentiels d’eau sur les flux de drainage de nutriments
Le but de cette recherche était d'estimer les débits d'eau rejetés dans le profil pédologique de la hêtraie. L'existence d'écoulements d'eau préférentiels dans le profil du sol (une partie de l'eau s'infiltrant dans le sol ne participe pas au transfert de la nappe trace). Impact possible des débits d’eau préférentiels sur les débits de ruissellement des nutriments.
Ce chapitre a également permis de mettre en évidence l'existence d'écoulements d'eau préférentiels dans le profil du sol.
Tracing and modeling preferential flow in a forest soil - potential impact on nutrient leaching
- Introduction
- Materials and methods
- Study site
- Soil physical properties
- Weather data
- Tracing experiment and sample analysis
- Hydrological models
- Modeling preferential flow
- Deuterium mass balance and nutrient leaching fluxes
- Results
- Breuil-Chenue weather data validation
- Tracing water fluxes with deuterated water
- Modeling water and solute preferential flow
- Impact of preferential flow paths on the deuterium mass balance and nutrient leaching fluxes
- Discussion
- Water tracing experiment and evidence of preferential flow
- Hydrological modeling and preferential flow at the soil profile scale
- Comparing HYDRUS-1D and BILJOU
- Consequences on the nutrient drainage flux
- Conclusion
In the present study, preferential flow (PF) is defined as a water flow that bypasses most of the total soil volume. The rapid deuterium leaching flux was estimated by multiplying the simulated preferential water flux by the deuterium concentrations in the ZTL at 10 cm depth. Quantification of the percentage of preferential flow occurring in the soil profile had to be performed with a modeling approach.
Thus, water flow modeling is essential for calculating accurate input-output nutrient budgets (Ranger and Turpault, 1999).
Approches « conventionnelles » des cycles biogéochimiques et de l’évolution des réserves de
Cette diminution des réserves de Mg s'explique en partie par l'immobilisation du magnésium dans la biomasse aérienne et l'humus durant la période kg.ha-1.an-1). Cependant, cette diminution n’est pas significative car elle est inférieure à la variabilité spatiale des stocks aux deux dates. La stabilité des réserves de Ca échangeable au cours de la période 1974-2001 est surprenante étant donné les pertes de magnésium, le flux important d'immobilisation de Ca dans la biomasse aérienne (~5 kg.ha-1.an-1) et l'humus (~1,8 kg). ha-1.an-1).
Il est cependant difficile de démontrer statistiquement ces changements car ils sont souvent inférieurs à la variabilité spatiale des réserves des sols.
Bilans de flux « entrées-sorties » sur la période 2003-2008
Bien que les méthodes d'échantillonnage et d'extraction entre les deux dates soient différentes, cette comparaison a permis de mettre en évidence les grandes tendances d'évolution. Les pertes de magnésium restent inexpliquées (~3,7 kg.ha-1.an-1) probablement dues aux pertes de drainage liées au La comparaison des réserves à deux dates différentes par échantillonnage des sols est le seul moyen de mesurer directement l'évolution.
Cependant, mesurer les différents flux et estimer l’incertitude autour de chaque flux est très complexe.
Les évaluations de flux « entrées-sorties » permettent de mettre en évidence l'importance relative de chaque flux dans les cycles biogéochimiques. En conséquence, il est pratiquement impossible de connaître l’incertitude entourant les estimations de la fertilité minérale. À cela s’ajoute la difficulté de valider les bilans de flux « entrées-sorties » du fait de la difficulté de mesurer l’évolution des réserves nutritives du sol.
Apport du traçage multi-isotopique (2H, 15N, 26Mg et 44Ca) à la connaissance des flux d'éléments minéraux dans les écosystèmes forestiers.
Assessing Mg and Ca depletion from broadleaf forest soils and potential causes - A case study in the Morvan
- Material and methods
- Study site
- Data collection
- Nutrient fluxes and input-output budget calculation
- Statistical analysis
- Soil nutrient pool change over 1974-2001
- Atmospheric deposition and soil solution composition
- Nutrient fluxes and input-output budgets
- Foliar nutrient concentration
- Evidence of past and ongoing soil Mg and Ca depletion
- Limits to conventional approaches to soil nutrient depletion
- How the ecosystem may cope with such low levels of nutrients?
Assessing Mg and Ca depletion from broadleaf forest soils and possible causes - a case study in Morvan. The relative importance of different pools and fluxes between ecosystem pools in the turnover of soil exchangeable Mg and Ca pools was assessed (Fig. 6). Average nutrient fluxes and input-output budgets calculated during the period 2003–2008 in a beech plot at the Breuil-Chenue site.
The organic layer and aboveground biomass represent a very large proportion of Mg and Ca reserves in the ecosystem.
Développement et validation des méthodes d’analyses isotopiques
Ces résultats démontrent donc la nécessité de diluer ou d'évaporer les échantillons pour obtenir la même concentration (100 ppb) pour tous les échantillons et étalons de mesure des rapports isotopiques 26Mg/24Mg et 44Ca/40Ca. Ces rapports de concentration (K/Ca et Sr/Ca) sont peu probables dans les échantillons de traces. La méthode d'analyse des rapports isotopiques 26Mg/24Mg et 44Ca/40Ca a été validée en mesurant les mêmes échantillons sur un autre système ICP-MS : Agilent 7500CE.
La méthode d'analyse du rapport isotopique de 26Mg/24Mg a également été validée en mesurant les mêmes échantillons sur un système TIMS.
Résultats préliminaires de l’expérience de multi-traçage isotopique
- Transfert vertical de traceurs dans le sol
- Prélèvement racinaire des traceurs dans le sol
26Mg/24Mg and 44Ca/40Ca isotope ratio analysis by ICP-MS – method development and validation.
Hereafter, all ICP-MS results corrected for mass bias with the double-standard bracketing method are presented for Mg and Ca ratios and both instruments. Isotope ratio analysis results from the two ICP-MS instruments were compared using the Bland-Altman method (Figure 2). Isotope ratio analysis by ICP-MS is not precise and accurate enough to measure natural isotopic variations.
The isotope ratios of 26Mg/24Mg and 44Ca/40Ca were measured successively with ICP-MS Bruker 820MS.
Mg and Ca root uptake and vertical transfer in soils assessed by an in situ ecosystem-scale multi-isotopic ( 26 Mg &
2 Modeled and measured isotopic composition (δ26Mg andδ44Ca;‰) of the CEC Mg and Ca pools in the soil, 1 year after the tracing experiment (March 2011). The results of the tracing experiment indicate high retention of Mg and Ca in the organic layer. Our results demonstrate the importance of the organic layer in the retention and gradual release of Mg and Ca inputs in forest ecosystems.
IsoMod predicted lower enrichments in the soil layers below 10 cm depth for both Mg and Ca.
Transfert vertical des traceurs dans le profil de sol
Rétention et remobilisation du magnésium et du calcium dans la couche de litière au sol
Les traceurs isotopiques de magnésium et de calcium ont été très rapidement retenus dans la couche de litière au sol, essentiellement composée de la couche OL de litière de l'année. Le lendemain de l’expérience de détection, environ 80 % et ~ 100 % des 26 Mg et 44Ca appliqués étaient respectivement retenus dans la litière du sol. Les cations nutritifs étaient probablement retenus par la capacité d'échange cationique de la litière.
Les oligo-éléments magnésium et calcium pourraient avoir été libérés par échange d'ions avec l'eau de pluie ou de pluie ou par minéralisation de matières organiques.
Rétention du magnésium et du calcium dans le sol
Différents types de transferts de magnésium et de calcium dans le profil de sol
The role of soil organic matter in the biogeochemical cycling of Mg and Ca in forest ecosystems on base poor soils. 153
- Multi-isotopic tracing experiment design
- Application of the stable isotope tracers
- Isotope ratio notation
- Measuring tracers in the ecosystem
- Soil solution sampling
- Sampling of the litter and soil layers
- Sample analysis methods
- Monitoring of soil solution
- Soil solutions collected with zero-tension lysimeters at 0 and 10cm depth
- Soil solutions collected with tension-cup lysimeters at 15 cm and 30 cm depth
- Retention and release of 26 Mg and 44 Ca from the litter-layer
- High retention of 26 Mg and 44 Ca in the OL-layer of the litter layer
- Slow release of 26 Mg and 44 Ca from the litter-layer
- Vertical transfer of Mg and Ca from the topsoil to deeper soil horizons
- The soil is a chromatographic column
- Evidence of rapid and slow transfer of Mg and Ca tracers
- Influence on the nutrient leaching flux
- Reference list
The role of soil organic matter in the biogeochemical cycle of Mg and Ca in forests. Tracer pools were estimated by applying equation (4) to Mg and Ca pools in the litter and soil layers. Subsequently, the 26Mg and 44Ca trends in the litter layer suggested that (1) retained Mg was mainly released by ion exchange processes involving fall-through cations and (2) retained Ca was mainly released by organic matter mineralization processes (exchange site degradation).
Monitoring of soil solutions evidenced different types of transport of Mg and Ca in the soil (Figure VI-5 and Figure VI-6).
Cartographie du prélèvement de magnésium et de calcium dans le profil de sol
L'absorption de 26Mg et 44Ca dans le sol a été modélisée de deux manières différentes : (1) à partir du flux de transpiration lié aux concentrations de 26Mg et 44Ca dans les solutions du sol (échantillonnage par débit massique d'eau) et (2) à partir de l'absorption totale estimée de 26Mg et 44Ca dans le sol. élimination de Mg et Ca et les concentrations de 26Mg et. Modélisation basée sur l'élimination totale estimée de Mg et Ca et leurs concentrations. Les 26Mg et 44Ca dans les bassins de sol échangeables (2) ont permis de calculer la répartition verticale de l'absorption de Mg et Ca dans le sol, indépendamment de l'absorption d'eau.
Les résultats ont également mis en évidence des différences entre les échantillons de magnésium et de calcium.
Translocation du magnésium et du calcium des racines vers la canopée
La modélisation prévoit un retrait du magnésium principalement dans les horizons superficiels du sol et un retrait mieux réparti dans le profil du sol pour le calcium. Cependant, étant donné la faible disponibilité du calcium en profondeur et le faible flux provoqué par l'altération minérale, une telle contribution des horizons profonds au retrait du calcium est peu probable. Une autre source de calcium de composition isotopique proche de l'abondance naturelle est prélevée (absorption foliaire).
Une partie du calcium peut également précipiter sous forme d'oxalate de calcium (Nakata, 2003 ; Franceschi et Nakata, 2005).
Tracing Mg and Ca uptake and allocation in a beech stand on base-poor soil with 26 Mg and 44 Ca
- Monitoring 26 Mg and 44 Ca in soil solution
- Monitoring 26 Mg and 44 Ca in the litter and soil layers
- Immobilization of 26 Mg and 44 Ca in above-ground biomass
- Modeling 26 Mg and 44 Ca uptake by trees
- Water mass flow based model
- Exchangeable pool source base model
- Sources of 26 Mg and 44 Ca for tree uptake in the soil profile
- Mg and Ca uptake based on water mass flow
- Mg and Ca uptake based on exchangeable pool sources
- Translocation from root to crown
- Monitoring fine root tracer concentrations
- Monitoring foliar tracer concentration
- Mapping of 26 Mg and 44 Ca in above-ground ligneous tree organs
- Mapping Mg and Ca uptake in the soil profile
- Mg and Ca uptake was not related to water mass flow
- The litter layer was the main Mg and Ca source for tree uptake
- Translocation of base cations from the roots to the canopy
- The transpiration xylem sap stream is a chromatography column
- Radial transfer of Mg and Ca
- References
The isotopic composition of the exchangeable pool of Mg and Ca in the waste layer was estimated from the isotopic composition of the ZTL at 0cm depth. However, the maximum contribution of exchangeable waste accumulation and total Mg and Ca differed. The maximum contribution of the exchangeable groups of Mg and Ca was higher than the total groups.
The 26Mg and 44Ca uptake was therefore modeled using the soil exchangeable Mg and Ca pools as the source of Mg and Ca uptake.
Bilans des traceurs dans l’écosystème deux ans après leur application
Evolution des réserves échangeables de magnésium et de calcium dans le sol
Bilans des traceurs dans les différents compartiments de l’écosystème
Fate of calcium and magnesium rainfall inputs in a forest ecosystem on base poor soil assessed with a isotopic tracing
Synthèse et Conclusions Générales
Apports des approches conventionnelles à l’étude des flux d’éléments minéraux
- Evolution des réserves en Mg et Ca du sol entre 1974 et 2008
- Synthèse des évolutions
- Causes potentielles des pertes de Ca et Mg depuis la coupe-à-blanc du peuplement précédent
- Cycles biogéochimiques du magnésium et du calcium illustrés à partir de l’approche classique de la mesure des réserves et flux
- Importance des différents flux dans les cycles du magnésium et du calcium
- Importance du recyclage interne
- Autres sources potentielles de magnésium et de calcium dans l’écosystème
- Autres sources potentielles de magnésium et de calcium « extérieures » à l’écosystème
- Rétention dans la couche de litière au sol
- Immobilisation de magnésium dans la biomasse microbienne du sol
- Transfert vertical dans le profil de sol
- Différents types de transfert dans le sol
- Pertes par drainage
- Prélèvement de Mg et Ca par les arbres
- Sources de Mg et Ca pour le prélèvement racinaire
- Prélèvement d’eau et de cations nutritifs
- Cartographie verticale du prélèvement des traceurs par l’arbre
- Translocation des racines vers la canopée
- Les vaisseaux du xylème sont une colonne chromatographique
Test des bilans de flux « entrées-sorties » par dilution isotopique
Bilans des traceurs isotopiques dans l’écosystème
Conclusions
Perspectives
- Couplage des cycles du magnésium et du calcium avec le cycle de l’azote
- Modélisation de l’expérience de traçage et dilution isotopique
- Suivi de la placette expérimentale sur le moyen-terme
- Les « entrées » de magnésium et de calcium dans l’écosystème
- Essai de quantification ex situ du flux d’altération
- Expérience d’absorption foliaire
- Matière organique et cycles du magnésium et du calcium
- Pool échangeable de la litière au sol
- Cartographie des traceurs à l’échelle micro ou nanométrique
- Expérience de décomposition de litière
- Recyclage de magnésium et de calcium interne à l’arbre
- Applicabilité de la technique de dilution isotopique pour estimer des évolutions de stocks dans les sols de placettes
Introduction générale
Matériels et méthodes
Développement méthodologique pour l’analyse des rapports isotopiques 26Mg/24Mg et 44Ca/40Ca par ICP-
Synthèse et conclusions générales
