Utilisation des isotopes du strontium pour évaluer la dynamique des éléments minéraux dans des ...

245 Pages·2009·35.64 MB·French

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RU$ du Jardin Botanique
54600 VILLERS-LES-NANCY
.'
FACUl.T~; DES SCIE:-lCES
U.F.R. Sciences et Techniques de la Matière et
des Procédés INRA, Centre de Nancy
Formation doctorale Sciences de la Terre Unité Ecosystèmes Forestiers
Ecole Doctorale Ressources, Procédés, Equipe Cycles Biogéochimiques
Produits et Environnement S4 280 Champenoux
S4 S06 Vandoeuvre-les-Nancy
Thèse
présentée à
l'Université Henri Poincaré, Nancy-I
pour l'obtention du grade de
Docteur en Sciences de la Terre
par
Anne Poszwa
Utilisation des isotopes du strontium pour évaluer la dynamique des
éléments minéraux dans des écosystèmes forestiers sous climat
boréal, tempéré et tropical.
Soutenue publiquement le 13 octobre 2000 devant la Commission d'Examen:
MM. M.JAUZEIN Président
Professeur à l'Université de Nancy 1
G. JACKS Rapporteur
Professeur à l'Institut Royal de Technologie de Stockholm
B. DUPRÉ Rapporteur
Directeur de Recherches au CNRS de Toulouse
Mme. C. GRIMALDI Examinateur
Chargée de Recherches à l'INRA de Rennes
MM. J.F. DHÔTE Examinateur
Chargé de Recherches à l'ENGREF de Nancy
E.DAMBRINE Examinateur
Directeur de Recherches à l'INRA de Nancy
Petit a'Vant propos
CEtienne (])am6rine 11l 'a appris et aù{ée énonnément, i[ m 'a encouragée et m'a offert aes conditions oli
com6ien favora6Ces pour réa[iser ce travaiL I[ m'a offert son amitié.... C'est natureC[ement à Cui que
faaresse mes p[us « titanesques» remerciements.
Vn immense merci à Œruno Perry. Son aicfe m'a été très précieuse. J{ m'a offert « L 'outi[» sans
CequeC mon travai[ n'aurait pas été ce qu'if est. }lpprenare a"CJec Cui à manipuCer« fa qame Œoy » a été un
un réeC pfaisir.
Je remercie très cfiaCeureusement Œenoît Po[Cier. J'ai toujours pu compter sur son aiae " sur [e terrain
(tant ae mémora6Ces campagnes dé pré{èvement!) au fa6oratoire, aevant un ordinateur, souris en main .....
et liors travaiL ... }Imi !
:Merci à Jacques (j(anger, à Jean Luc (])upouey, à :Marie Pierre rrurpauCt, Cfauae :Nys pour [eur aidé
et Ceurs conseifs avisés.
:Merci à :MiclieC Lou6et, pour m'avoir pennis ae travai[Cer au La6oratoire ae qéocliimie à
C'Vniversité ae rr'ou[ouse et auti[iser à cliaque fois que j'en avais 6esoin Ce matérieC nécesaire à mon
travaiL
Je remercie '(Jivement [es mem6res au Jury, Catlierine qrimaUi, Jean Prancois (])liôte, Œernara (])upré,
qunnar JaâJ, :MiclieC Jauzein.
qrana merci à mon amie rr'onie 'lttJic/(man, qui m'a enseigné [es secrets aes isotopes cru strontium. Je me
suis si souvent inspirée ae ses propres travaW(,
Je remercie spéciaCement Cfaudé Œrécliet pour son aiae, pour toute C'e;.;périence au fa6oratoire qu'if
m'a fait partager et Pierre Œrunet pour m'avoir tout appris ae C'uti[isation aun spectromètre ae masse.
:Merci à tous ceu:{ qui à un moment ou à un autre m'ont offert Ceur aiae, Ceurs conseifs uti[es et [eur
sourire,' :NicoCe Ca ta nia, :Marie Lyse Cfause, (])ominique qe[liaye, Serge (])idier, Pierre :Montpiea,
:Maurice Œonneau, :NatfiaCie Sclivester, :Naâege Œarroy, Pasca[ Œonnaua, Séverine Œienaimée, :Maryse
Œitscfi, Louisette qeCliaye, Sy[vie Cocaua, :MicfieCine CoCin-ŒeCgrana, qi[Ces :Nourrisson, Jorg Picfiter,
José qenon, JacqueCine :Marcliana, (])anieC J(um6ert, 'Yves Lefevre, PauCette qui[Ciem, :Marie 1(nipper,
:Natacfia rressier, Séverine <Rjcfiara, Cfauae Coppin, }I[fiame CEzzaïm, CfiristeC[e Vtérano, }Inaré C[ément.
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ra
qranas remerciements aU)(. personnes qui m'ont accueime et aiaée à station ae S()art6erget en
Suèae ; je pense en particulier à 7Vvin Œisfzop, à cerCes qui m'ont accuei[[ie et procuré [eur aiae " à
rVniversité aes Sciences JIgricuCturaCes ae Vmed, à finstitut ~oya[ ae rr'ec!ino[ogie ae Stocfifzo[111, ell
quyane (à 1(ourou et sur mes sites ri'étuae), au La60ratoire ae qéoc!iimie ae rfou[ouse. 'Merci à Ouvier
JItteia pour son aicfe [ors ae nos pré[èvements en Suisse.
'Merci à Concna 'Moares, ma co[ocataire ae 6ureau nors pair, pour sa gaité qaucienne. 'Merci à
Laurent JIugusto pour sa genti[[esse et pour tous Ces ser()ices qu 'i[ a pu me renare.
Je sounaite remercier Ces personnes qui ont fait avec moi un 60ut ae cnemin. JI [eur soutien et à [eur
amitié " 'Mar/( Œal(l<gr et :Magau qeai, Vincent Œaaeau, Jean J{ugues Jussy, WaCtraua 1(oerner, Saia
Œe[Rg.cem, Œerna Ze[Cer toujours paré ae sa Cégenaaire «e:c:cce[Cente» numeur et Cat!iy, rJ7reaeric
qérara, Sé6astien JI[[ié, Jean (Pierre CR.§naua, CUric :M.enetrier, 'Matnieu rJ7rancois, Quentin Ponette,
Cnristian J{ossann, CR.§nato 'Marques, CéciCe Quantin, Pierre Wagner, JInmea Cnaraj, qéraM qoed
rfout au [ong ae ce travai~ j'ai 6énéficié au soutien scientifique, tecnnique et numain ae 6eaucoup ae
personnes. Je tiens à ex:primer mes remerciements à tous.
ra
:M.erci à L 'I:NCJ?Jl- et à ~gion Lorraine pour m'avoir permis financièrement cfe réa{iser ce tra'()ai[
JI mes amis ae Œourgogne et ae :Mose[Ce
JI r aiae affectueuse cfe ma Petite rJ7ami{Ce,
JI Œruno, que je suis neureuse ri' avoir rencontré sur mon cnemin ae tnésarae ....
Table des matières
Première partie
1. INTRODUCTION ............................................................................... 1
1.1 CONTEXTE DE L'ETUDE ....................................................................................................... 1
1.1.1 Acidité des sols: définition, extension et contraintes .......................................................... !
1.1.1.1 Définition de l'acidité d'un sol. ................................................................................... 1
1.1.1.2 Les sols acides: extension ....................................................................................... 2
1.1.1.3 Effet de l'acidité des sols sur les êtres vivants ................................................................. 2
1.1.1.4 Mécanismes par lesquels le Ca réduit les effets de l'acidité .................................................. 3
1.1.2 Acidification et alcalinisation des sols ..............................................................................4
1.1.2.1 Evolution récente de l'acidité des sols .......................................................................... .4
1.1.2.2 Mécanismes ......................................................................................................... .4
1.1.2.3 Origine des cations alcalins et alcalino-terreux dans les écosystèmes forestiers ....................... 5
1.1.2.4 Sorties .................................................................................................................7
1.2 L'OUTIL STRONTIUM, TRACEUR DU CA ................................................................................ 8
1.2.1 Similitude entre calcium et strontium .............................................................................. 8
1.2.1.1 Abondance naturelle du strontium ................................................................................ 8
1.2.1.2 Rapport Sr/Ca dans les roches, les sols et les eaux ........................................................... 8
1.2.1.3 Calcium et strontium dans les plantes ........................................................................... 9
1.2.2 Les isotopes de Sr. ..................................................................................................... /0
1.2.2.1 Caractères généraux ............................................................................................... 10
1.2.2.2 Variations du rapport 87Sr/86Sr des sources de Sr. ............................................................ 10
1.2.2.3 Principe de la méthode de traçage par les isotopes du Sr ................................................... 1 1
1.2.3 Application des isotopes du Sr à l'étude des sources de Ca ................................................. /2
1.2.3.1 Estimation des vitesses d'altération et de l'équilibre des bilans minéraux ............................. 12
1.2.3.2 Etude rétrospective des changements environnementaux .................................................. 13
1.2.3.3 Gradients isotopiques dans les sols et profondeur de prélèvement minéral par les arbres ........... 14
1.3 OBJECTIFS DE LA THESE ..................................................................................................... 14
2. lVIA TERIEL ET METHODES ............................................................... 1 7
2.1 SITES D'ETUDES ............................................................................................................... 17
2.1.1.1 Site de Petit Saut, sous climat tropical humide ............................................................... 1 7
2.1.1.2 Bassin versant de Svartberget, sous climat boréal .......................................................... 1 8
2.1.1.3 Bassin versant du Strengbach, Aubure, sous climat tempéré .............................................. 1 9
2.1.1.4 Site du Jura, sous climat tempéré ............................................................................... 21
8. ["')" r." r f)
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2.2 ECHANTILLONNAGES DE LA VEGETATION ET DES SOLS ............................................................ 2 1
2.3 ANALYSES SySTEMATIQUES ............................................................................................... 22
2.3.1 COllcentratiolls en Ca et Sr .......................................................................................... 23
2.3.2 Analyses isotopiques du rapport 875,.;651' ........................................................................ 23
2.3.2.1 Prétraitements ...................................................................................................... 23
2.3.2.2 Chimie du Sr ........................................................................................................ 24
2.3.2.3 Mesure du rapport isotopique 87Sr/86Sr. ........................................................................ 2 5
2.4 ANALYSES PARTICULIERES A SVARTBERGET ........................................................................ 26
2.5 PRELEVEMENTS ET ANALYSES PARTICULIERES A AUBURE ..................................................... 26
2.6 MODELISATION: FONCTIONNEMENT ET PARAMETRAGE .......................................................... 28
3. RESULTATS ................................................................................... 30
3.1 COMPARAISON DES CYCLES DU CA ET DU SR DANS DIFFERENTS ECOSYSTEMES FORESTIERS .............. 30
3.1.1 Contexte et objectifs .................................................................................................. 30
3.1.2 Synthèse des ,.ésultats ................................................................................................. 31
3.1.2.1 Relations entre Ca et Sr dans les eaux et la végétation ..................................................... 3 1
3.1.2.2 Comparaison des concentrations en Ca et Sr dans les différents sites ................................... 3 1
3.1.2.3 Variation du rapport Sr/Ca entre le sol et les arbres des différents sites ................................. 32
3.1.2.4 Variation du rapport Sr/Ca des racines aux feuilles des arbres ............................................. 3 3
3.1.2.5 Variation du rapport Sr/Ca dans les racines et sur le complexe d'échange en fonction
de la profondeur du sol ...................................................................................................... 3 3
3.1.3 Conclusion ............................................................................................................... 34
3.2 ROLE DES RACINES PROFONDES DANS L'ALIMENTATION MINERALE DES ARBRES
EN FORET TROPICALE HUMIDE ................................................................................................ 36
3.2.1 Contexte et objectifs .................................................................................................. 36
3.2.2 Principaux résultats .................................................................................................... 37
3.2.2.1 Variation du rapport 87Sr/86Sr du Sr disponible du sol avec la profondeur ............................... 3 7
3.2.2.2 Profondeur de prélèvement de Sr et Ca ......................................................................... 38
3.2.3 Conclusion. .............................................................................................................. 38
3.3 VARIATION DES CONCENTRATIONS EN CA ET SR ET DES RAPPORTS ISOTOPIQUES
87SR/86SR DANS DES ECOSYSTEMES FORESTIERS BOREAUX: ........................................................ .40
3.3.1 Contexte et objectifs .................................................................................................. 40
3.3.2 Principaux résultats .................................................................................................... 41
3.3.2.1 Concentrations en Ca et Sr ...................................................................................... 41
3.3.2.2 Variation des rapports isotopiques de l'oxygène ............................................................ 41
3.3.2.3 Variation des rapports isotopiques 87Sr/86Sr dans les sols ................................................. 41
3.3.2.4 Différence des rapports 87Sr/86Sr des pins et des épicéas .................................................. .4 2
3.3.2.5 Paramètres du modèle ............................................................................................. 42
3.3.2.6 Implication en terme de cycle biologique et d'altération minérale préférentielle ..................... 43
3.3.2.7 Implication sur les mesures de profondeur de prélèvement en Sr ........................................ .44
3.3.3 cOllclusioll ................................................................................................................ 44
3.4 STRESS HYDRIQUE OU CHIMIQUE: UNE ETUDE ISOTOPIQUE RETROSPECTIVE DES CAUSES
DU DEPERISSEMENT FORESTIER DE L'EPICEA DANS LES VOSGES ....................................................... 45
3.4.1 COlltexte et objectifs .................................................................................................. 45
3.4.2 Principaux résultats .................................................................................................... 47
3.4.2.1 Variation des concentrations sur le complexe d'échange et dans les solutions de sol
au cours du temps ............................................................................................................. 47
3.4.2.2 Evolution du peuplement et caractéristiques des arbres échantillonnés ................................ .48
3.4.2.3 Variation du rapport 87Sr/86Sr et des concentrations dans les cernes entre 1952 et 1994 ............ 49
3.4.2.4 Relations entre les concentrations et les rapports isotopiques 87Sr/8·Sr des cernes .................. 5 0
3.4.2.5 Evolution des rapports isotopiques et des concentrations dans les cernes au cours
des années sèches ............................................................................................................ 5 0
3.4.2.6 Gradients chimiques et isotopiques dans les sols et signature isotopique du bois
des arbres associés ........................................................................................................... 5 1
3.4.3 Discussion ............................................................................................................... 51
3.4.3.1 Acidification des sols au cours de la dernière décennie ..................................................... 5 1
3.4.3.2 Statut social, rapports isotopiques, teneurs chimiques des bois et profondeur de
prélèvement des épicéas .................................................................................................... 5 2
3.4.3.3 Variation du ~ Ile au cours du temps ............................................................................ 52
3.4.3.4 Modélisation des rapports isotopiques du Sr dans les arbres .............................................. 5 3
3.4.3.5 Variation spatiale du rapport 87Sr/86Sr des arbres et des sols et relation avec la profondeur
de prélèvement ............................................................................................................... 5 5
3.4.3.6 Variation de la composition chimique et du rapport 87Sr/86Sr des cernes au cours du temps ......... 5 6
3.4.3.7 Effet de la sécheresse .............................................................................................. 57
3.4.4 Conclusion ............................................................................................................... 58
4. SYNTHESE .................................................................................... 59
4.1 ANALOGIE ENTRE SR ET CA ............................................................................................... 59
4.2 V ARIA TIONS DU RAPPORT ISOTOPIQUE 87SR/86SR DANS LES ECOSYSTEMES FORESTIERS ............... 60
4.2.1 Description du modèle ................................................................................................ 61
4.2.2 Effet des variations de flux et de signatures isotopiques du Sr déposé et libéré par altération ...... 63
4.2.3 Effet de la végétation .................................................................................................. 64
4.2.4 Effet d'une perte par drainage des cations échangeables des sols ........................................... 64
4.3 ApPLICATION AUX DIFFERENTS ECOSySTEMES ........................................................................ 65
4.3.1 Forêt tropicale humide ................................................................................................ 65
4.3.2 Forêt résineuse boréale ................................................................................................ 66
4.3.3 Plalltation résineuse sous climat tempéré. ....................................................................... 67
5. CONCLUSIONS GENERALES ............................................................. 68
6. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES .................................................... 70
o6~""o tJ '" J~' a • !(i3j'l" I.f >!l.1i\l: .1.~. 'lHi ' oUU
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5460üVII I ,-nn L' ;" ~li Ne
Deuxième partie
Article 1
Poszwa Anne, Dambrine Etienne, Pollier Benoît & Atteia Olivier. A comparison between Ca
and Sr cycling in forest ecosystems (Accepté à Plant and Soil).
Article 2
Poszwa Anne, Dambrine Etienne, Ferry Bruno, Pollier Benoît & Loubet Michel. Do deep tree
roots provide nutrients to the tropical rainforest? (Soumis à Biogeochemistry).
Article 3
Poszwa Anne, Ferry Bruno, Dambrine Etienne, Pollier Benoît, Wickman Tonie, Loubet Michel
& Bishop Kevin. Variations of Ca and Sr concentrations and 87Sr/86Sr ratio in boreal forest
ecosystems. Role of biocyciing and depth of root uptake. (Soumis à Biogeochemistry).
Article 4
Poszwa A, Dambrine E, Pollier B & Fichter J (1998) Mise en évidence directe de l'acidification
d'un sol forestier à Aubure (Bassin Versant du Strengbach, Haut Rhin). Ecologie 29 (1-2): 407-410.
Article 5
Dambrine E, Pollier B, Poszwa A, Ranger J, Probst A, Viville D, Biron P & Granier A (1998)
Evidence of current soil acidification in spruce stands in the Vosges mountains, North-Eastern
France. Water Air Soil Pollut. 105: 43-52.
S.C.D. - U.H.P, NANCY i
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Première partie
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Liste des figures
Figure 1.1. Relation entre le taux de saturation du complexe d'échange en cations alcalins et
alcalino-terreux et le pH eau des sols (Badeau et al., 1999).
Figure 1.2. Carte mondiale de la répartition des sols acides (d'après Wright, 1989).
Figure 1.3. Sols forestiers français et sols agricoles: comparaison de quelques propriétés dans la
couche minérale 0-20 cm (Badeau et al., 1999).
Figure lA. Séquence d'altérabilité potentielle des minéraux silicatés à la surface du globe
séquence de Goldich (1938).
Figure 1.5. Variation du rapport isotopique du Sr dans les dépôts atmosphériques en Suède en
fonction de la latitude géographique (d'après Wickman, 1996).
Figure 2.1. Carte de localisation des grands types de sols, des profils de sols étudiés en détail et des
arbres échantillonnés sur le site de Petit Saut (Guyane).
Figure 2.2. Localisation des deux sites étudiés (podzol et tourbe) sur le bassin versant de
Svartberget (Suède).
Figure 2.3. Carte des peuplements et situation des dispositifs expérimentaux dans le bassin versant
du Strengbach à Aubure (France).
Figure 204. Représentation schématique de l'élution progressive de Sr, Ca, Rb, avec HCI 2 N, 4 N
et 6.5 N, sur résine échangeuse de cations, pendant la phase de calibration.
Figure 2.5. Courbes de calibration de 8 colonnes. Le Sr pur est élué et récolté dans 6 ml de solution
après le passage de 24 ml de HCl 4 N.
Figure 2.6. Schéma de principe du spectromètre de masse isotopique.
Figure 2.7. Comparaison des rapports isotopiques obtenus par deux méthodes expérimentales
différentes.
Figure 2.8. Modélisation des flux de Sr entre les réservoirs dans un écosystème forestier et rappolts
I. sotopI. ques 87S r/ 86S r correspon da nts.
Figure 3.1. Corrélations Ca-Sr dans les pluviolessivats et solutions de sol à deux profondeurs et
variation des concentrations en Ca et Sr dans différents organes d'épicéas à Aubure.