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Cycles biogéochimiques et fonctionnement des sols dans les écosystèmes forestiers
(ACR)
- Mot(s) clé(s) :
Objet d'étude : eau du sol, microorganisme du sol, minéral organique, peuplement forestier complexe, sol forestier
Question sociétale et finalité, contexte : changement global, gestion durable, qualité de l'eau, qualité du sol, respect de l'environnement
Démarche, discipline : Écologie et Environnement
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Objet d'étude : eau du sol, microorganisme du sol, minéral organique, peuplement forestier complexe, sol forestier
Question sociétale et finalité, contexte : changement global, gestion durable, qualité de l'eau, qualité du sol, respect de l'environnement
Démarche, discipline : Écologie et Environnement
Echelle d'étude : écosystème forestier, massif forestier, rhizosphère, sol detaille
Localisation géographique : afrique, brésil, champagne ardenne, congo, europe, france, lorraine, morvan, vosges
Dispositif technique et méthode d'étude : biochimie du sol, biochimie végétale, lysimétrie, mesure de flux, mesure en laboratoire, mesure in situ, mesure physicochimique, modèle biogéochimique, modèle conceptuel, modélisation, site atelier, spectrométrie d'émission optique par plasma, spectrométrie de masse à plasma
Composé chimique, Facteur du milieu : variabilité du sol, variabilité intra parcellaire, variation climatique, variation inter-annuelle, variation inter sites
Phénomène, processus et fonction : acidification, altération, altération biologique, apport atmosphérique, croissance aérienne, croissance racinaire, cycle biogéochimique, dépérissement forestier, drainage, dynamique de l'écosystème, fertilité du sol, fonctionnement des écosystèmes, minéralisation, transfert d'elements
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- Description détaillée :
Recherche et Innovation
Les connaissances et l’expertise de l’unité, dans le domaine de l’ Afficher la suite
Recherche et Innovation
Les connaissances et l’expertise de l’unité, dans le domaine de l’écologie quantitative et fonctionnelle appliquée aux écosystèmes forestiers, sont basées sur des études combinant différents échelles spatiales (sol-plante) et temporelles (de la semaine à plusieurs décades) pour comprendre le fonctionnement des écosystèmes forestiers. Grâce à une identification des processus fondamentaux (minéralisation de la matière organique, altération des minéraux du sol, dépôts atmosphériques, transfert et chimie des solutions du sol, etc..) et leurs facteurs qui les pilotent, cette unité est capable de proposer des solutions pratiques pour optimiser la gestion des écosystèmes forestiers dans un environnement changeant (climat, changement d’usage des terre, forte pression pour l’approvisionnement en bois, notamment bois énergie). L’unité est fortement impliquée dans le développement de modèles pour simuler la croissance des arbres et les interactions sol-plante, le stockage de carbone dans les sols, et plus généralement, la dynamique de la matière organique du sol.
Les applications de ces recherches concernent : (i) les recommandations pour la gestion durable des écosystèmes forestiers, en identifiant les contraintes écologiques des aménagements forestiers, (ii) la spatialisation de l'information obtenue localement, en particulier pour déterminer les contraintes tolérables par les écosystèmes forestiers,(iii) l’élaboration de modèles prévisionnels dans le domaine de la croissance et des exportations en éléments minéraux en fonction des scénarios sylvicoles, (iv) la proposition de remèdes pour les problèmes d'acidification des sols et des eaux de surface : amendements et fertilisation, (v) effet des amendements sur le fonctionnement de l'écosystème : amélioration du statut nutritif des peuplements, de la fertilité du sols, de la qualité des eaux superficielles, de la biodiversité et du fonctionnement radiculaire , (vi) quantification des éléments issus de l'altération des minéraux des sols, (vii) quantification de l'azote minéral disponible dans les sols (minéralisation in situ - utilisation de litières marquées), (viii) impact des essences forestières sur les sols (phase solide, solution, biodiversité, fonctionnement biologique).
Une des forces majeures de l’unité est son expérience unique dans l’établissement et la gestion de sites d’observation (mesures, utilisation des traceurs naturels) et d’expérimentation (manipulation d'écosystèmes, introduction de traceur externe organiques ou minéral) fortement instrumentés en zone tempérée ou tropicale. Ces sites sont suivis sur le long terme en mesurant les stocks et les flux (équivalent de 250 ans de mesures intensives sur le fonctionnement des écosystèmes, avec les bases de données correspondantes), et permettent, notamment, d’établir des bilans environnementaux. Ils ont été labellisés en 2010 au sein du SOERE FORET par AllEnvi. Outre les sites ateliers, l'Unité utilise de nombreux dispositifs de pérennité plus ou moins grande (dispositifs à long terme d'amendement calcaire et de fertilisation, dispositifs in situ utilisant des minéraux-tests dont l'évolution permet d'identifier les mécanismes actuels du fonctionnement des sols, dispositifs utilisant des traceurs naturels ou artificiels dans le cadre de projets concernant le suivi de la minéralisation de la matière organique (15N), le traçage de la migration de l'eau du sol (Cl), le suivi des cycles des cations majeurs (Ca, Mg), la localisation du prélèvement d'eau et des éléments nutritifs en utilisant un enrichissement différentiel naturel ou artificiel des différents horizons du sol (16O /18O, 15N/14N, 87Sr/86Sr). Les approches sont synchroniques ou diachroniques. Des travaux en conditions contrôlées viennent en appui pour expliquer les mécanismes. La généralisation des données locales s'appuie sur les réseaux spécialisés ou généraux (Renécofor-ONF, Réseau Forestier Européen) de placettes d'observation ou des réseaux de laboratoires. Cette Unité dispose d'un laboratoire propre d'analyse des sols, des solutions et des végétaux (ICP AES, ICP MS, GC-LC IRMS en commun avec la plateforme d’écologie fonctionnelle de l’UMR EEF-Nancy, Colorimétrie, TOC-TON, NIRS-MIRS, spectrocolorimètre, colorimètre à flux continu, chromatographie ionique, chromatographie gaseuze) et collabore avec les laboratoires spécialisés pour les observations plus spécifiques (MEB, MET, microsondes, NanoSIMS, STXM-NEXAFS).

Opérations phare
Actuellement, l’unité gère trios sites ateliers dans le nord-est de la France : Azerailles et Grand-Pays pour l’étude des conséquences de la compaction du sol après exploitation des bois ; Breuil combinant l’impact des essences et de la fertilisation sur le fonctionnement de l’écosystème ; et Montiers qui va combiner pédoséquence, gestion des résidus d’exploitation et des litières, et régime hydrique). L’unité est également impliquée dans deux sites tropicaux (Congo et Brésil sur l’etude des plantations. d’eucalyptus). Chacun de ces sites accueille des recherches interdisciplinaires de différents domaines scientifiques (géosciences, sciences du sol, foresterie, biologie des plantes, microbiologie, etc..). Breuil et Montiers sont deux sites sélectionnés dans le cadre du projet de Labex ARBRE (porteur F. Martin). Montiers appartient également à l’Observatoire Pérenne de l’Environnement (ANDRA).

Programme de recherches
Le dépérissement forestier des années 80 a mis en évidence les lacunes dans les connaissances de base du fonctionnement des écosystèmes forestiers, autorisant des prévisions à moyen terme sur leur stabilité. Les programmes français DEFORPA et européens STEP ont fédéré les recherches dans ce domaine. Le programme "Cycles biogéochimique" est issu de ce mouvement scientifique et continue à œuvrer dans ce domaine. Le questionnement est clairement identifié : améliorer les connaissances et transmettre les recommandations pour la gestion des écosystèmes forestiers. Lors des 10 dernières années, l’unité consacré ses recherches sur l’étude des cycles biogéochimiques en forêt, notamment sur la quantification des stocks et des flux entre compartiments (voir le modèle conceptuel Ranger et Turpault 1999). Ces recherches ont fourni des résultats innovants sur les bilans environnementaux et leur variabilité entre écosystèmes. Elles ont également considérablement amélioré notre connaissance de certains processus impliqués dans la durabilité des écosystèmes forestiers (par exemple le contrôle biologique de l’altération des minéraux du sol dans la rhizosphère, l’impact de la végétation sur les cycles des éléments nutritifs et en particulier sur la nitrification, le prélèvement de l’eau et des nutriments par la végétation). Pour les prochaines années, le programme de recherches est focalisé sur les interactions sol-plante et leur modélisation. Nous avons mis en place un ambitieux programme de recherches multidisciplinaire comprenant (i) le tassement du sol et son impact sur les solutions et les gaz dus sol ; (ii) la devenir du Ca et Mg dans les écosystèmes forestiers en utilisant des isotopes stables et une expérimentation de multitraçage in situ ; (iii) les processus de stabilisation et de destabilisation de la matière organique du sol en utilisant des technologies de pointe dans ce domaine (GC-LC IRMS en cours de développement au sein de la plateforme d’écologie fonctionnelle du centre de Nancy et en collaboration : STXM-NEXAFS, NanoSims avec le Museum d’Histoire Naturelle et la Berkeley Unversity) ; (iv) le fonctionnement de la rhizosphère en utilisant les concepts émergeant de la microbiologie fonctionnelle (diversité et fonction des micro-organismes) ; (v) les dépôts atmosphériques et leurs contributions à la durabilité des écosystèmes forestiers, (vi) le développement d’une nouvelle génération de modèles dendrométriques intégrant les concepts issus de l’écophysiologie et de la biogéochimie, et spatialisables (notamment à l’aide de mesures LIDAR).

Valorisation / Exploitation des résultats
Toutes ces recherches ont généré des articles scientifiques dans des revues internationales de haut niveau (1ier quartile dans chaque domaine scientifique – Géosciences, sciences du sol, Ecologie, Foresterie et agronomie – par exemple : SSAJ, SBB, Ecology, Journal of Ecology, Trends in Microbiology, Ecosystems, Forest Ecology and Management). L’unité produit également de nombreux rapports techniques et papiers de synthèses à destination des gestionnaires et des décideurs. Au-delà de la littérature et des communications (ex ateliers REGEFOR), les mécanismes de transfert aux gestionnaires forestiers sont variés. Par exemple, notre collaboration avec l’ONF comprend l’accueil d’un ingénieur forestier sur un poste d’interface pendant 3 ans (M. Nicolas est à présent au département R&D de l’ONF et est en charge du réseau RENECOFOR) ; des collaborations sur des projets de recherches (tassement des sols ; modèles génériques de biomasse et de minéralomasse – ANR EMERGE ; indices de fertilité et estimation de biomasse à l’echelle de massifs forestiers à l’aide de LIDAR Aérien – ANR FORESEE) ; et des opérations ponctuelles d’expertises sur des questions spécifiques. Nous contribuons aussi à des conférences à large public (ex pour les dernières : fête de la science, FIG-Festival International de Géographie), à des articles de presse (locale ou nationale) ainsi qu’à des interviews à la radio ou à la télévision (RFI, France Bleue, etc..). Les sites expérimentaux sont également le support privilégié pour accueillir des visiteurs de différents horizons (écoles, gestionnaires forestiers, décideurs locaux et régionaux).

Enseignement supérieur
Les chercheurs de l’unité sont également fortement impliqués dans les cursus des écoles doctorales (à Nancy, Poitiers, Strasbourg) ou dans les écoles d’ingénieurs (AgroParisTech, NFZ) sur les cycles des éléments dans les écosystèmes forestiers, l’acidification des sols, l’altération des minéraux du sol, la minéralisation de la matière organique et les modèles de biomasse/minéralomasse. Nous avons aussi co-organisé des écoles chercheurs sur les “Philllosilicates dans les sols” ou les “Modèles de dynamique de la matière organique du sol”).Sur le dernier quadriennal, cela représente une somme d’environ 100 heures par an. L’unité accueille aussi en moyenne 30 personnes par an (depuis le DUT jusqu’au chercheur confirmé) de France mais aussi d’Europe ou d’autres continents (ex: Congo, Chine, Thaïlande, Madagascar, Brésil).

Collaborations
Les collaborations locales sont importantes du fait de notre position à l’interface entre géosciences et biologie/foresterie : - du coté géosciences, la FR-est et l’OSU OTElo (Géologues : LEM (UMR- CNRS-UHP) ; G2R ; CRPG (UP CNRS) - Pédologues et Biologistes LIMOS (UMR- CNRS-UHP) ; LSE UMR ENSAIA-INPL ; LIEBE U. Metz) et l’université de Strasbourg; - du coté biologie/foresterie, l’IFR110 EFABA et le centre de INRA Nancy (collaborations avec toutes les unités ; un chercheur (S. Uroz) est positionné à l’interface entre BEF et l’UMR IaM -Interactions arbres-microorganismes). Des collaborations intensives sont en place avec le Cirad : un chercheur est mis à disposition (L. Saint-André) et deux chercheurs sont associés à BEF (L. Mareschal basé au Congo et Jean-Paul Laclau au Brésil). Pour renforcer nos activités de modélisation, des collaborations se mettent en place avec les chercheurs en mathématique et en statistique de l’institut Elie Cartan de Nancy. Nationalement, nous collaborons actuellement avec l’INRA Aix, Grignon, Montpellier, Orléans, Reims ; l’ONF (Dir. Recherches Tech.), le CGS Strasbourg, l’ANDRA, le CEA, les universités de Lyon, Besançon, Limoges, Paris VI et VII, Toulouse, Strasbourg, Poitiers ; le Museum National d’Histoire Naturelle, et LTHE (Grenoble). Internationalement, nous collaborons actuellement avec : le CIRAD au Costa Rica, Congo et Brésil, le CIFOR, l’ Université de Sao Paulo, l’ESALQ (Brésil), l’ Université de Brazzaville (Congo), en Europe: I. Max Planck, U. Freiburg, U. Munich, U. Bonn, U. Berlin, U. Göttingen (Allemagne), U. Uppsala, U. Lund (Suède), U. Gent, UCL(Belgique), NIOO (Pays Bas), Académie des Sciences Novosibirsk (Russie), Macaulay Institute (Ecosse), U. Barcelone (Espagne) ; aux Etats Unis: U. Nevada, U. Oregon, UC Berkley (USA).
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