Fate of the nitrogen from the beech litter to the tree on the long term in beech forests. Modelling and use of labelled litter
Description
Forest soils are a physical media and main source of plant nutrients. Increasing anthropogenic stresses may lead to a decreasing fertility and thus a decrease in biomass production. Improved understanding of biogeochemical cycles in forest ecosystems allows a better management of soil resources to sustain biomass production and satisfy the human needs. With phosphorus, nitrogen (N) is an essential nutrient for plant growth. Although present in large quantities in nature, N remains a limiting factor for many ecosystems. Moreover, it is the only nutrient that is not released by mineral weathering. The main source of N for plants comes from the decomposition and mineralization of the litter. The main objective of this PhD was to study the fate of litter-derived N on the long term (one decade) in the soil-plant system in temperate forest ecosystems. The factors controlling the processes of stabilization, immobilisation, tree uptake and N loss leading to the formation of soil N stocks and contributing to tree nutrition were also highlighted. For this, a robust and simple model consisting of two modules - soil and tree - was built and validated from a nitrogen-15 (15N) labelling experiment. The labelling experiment took place ten years ago in ten European beech forests. The 15N enriched litter was produced on a dedicated site and was set on the soil around selected trees in the ten sites. The 15N enrichment was measured regularly for one decade in the decomposing litter, the forest floor (0 - 30 cm) and the leaves. Monitoring of the tracer 15N in the soil profile highlighted a low transfer of N into mineral soil horizons over a decade. There was no isotopic enrichment of the soil layers deeper than 10 cm depth and the maximum of 15N recovered in the soil was measured in the first 5 cm of the soil (Ah horizon). The 15N peak of the litter-derived N recovered in the soil was measured between 2 and 4 years after the labelling in the ten sites and in the 0 - 5 cm layer. In the leaves of the trees that received the labelled litter the kinetic of the amount of 15N over time showed a first phase of increasing leaf 15N illustrating an increasing N availability due to preferential mineralization of litter N followed by a second phase of decreasing leaf 15N due to stabilization and vertical distribution of litter N into the soil profile. Modeling the fate of litter 15N in the soil and the tree resulted in a model with three compartments in the soil. The first compartment is dedicated to litter decomposition products and the two others soil compartments correspond to mineral horizons with different N turnover rates. The analysis of the kinetic of the leaf 15N over a decade as well as the model parameters allows linking the form of the humus and the dynamics of the litter-derived N uptake by trees. Mull humus sites showed that the homogenization of N in the soil profile and the sequestration in earthworm faeces may slow down the accessibility of plants to the source of N but extended it in time by progressive release of N. At moder humus sites, trees quickly and directly mine for litter N from the organic horizons by ectomycorrhizal associations. The modeling study also shows that the litter contributes to the tree N nutrition over a decade and at a maximum rate 4 to 5 years after the litterfall. Neglecting atmospheric N inputs, about 25 % of the total N needs of the tree (leaves, trunk, branches, and roots) are covered by the reallocation of N from the tree, and 75% are from the soil N uptake. The use of litter derived N by trees is also function of tree growth, site productivity and tree age, young trees do not have the same N requirements than older trees. (author)
Abstract (French)
Les sols forestiers, supports physiques mais aussi source de nutriments pour les vegetaux, sont soumis a des contraintes anthropiques croissantes pouvant conduire a une baisse de la fertilite et donc a une diminution de la production de biomasse. La connaissance des cycles biogeochimiques dans les ecosystemes forestiers permet de gerer au mieux les ressources du sol pour concilier production de biomasse, satisfaction des besoins de l'homme et durabilite des systemes. Avec le phosphore, l'azote (N) est un nutriment indispensable a la croissance des vegetaux. Bien que present en quantite abondante a l'etat naturel, le N demeure un element limitant pour une grande partie des ecosystemes. De plus, il s'agit du seul nutriment qui n'est pas libere par l'alteration des mineraux, la source principale de N pour les vegetaux provient de la decomposition et de la mineralisation des litieres. L'objectif de cette these etait d'apporter des connaissances sur le devenir du N des litieres sur le moyen terme (une decennie) dans le systeme sol-plante des ecosystemes forestiers non fertilises et de mettre en avant les facteurs de controle des processus de stabilisation, d'immobilisation, de prelevement et de pertes du N conduisant a la formation des stocks de N dans les sols et a la nutrition des arbres. Pour cela, un modele simple comprenant deux modules - sol et arbre - a ete construit et valide a partir d'une experience de marquage de litiere a l'azote 15 (15N). Le marquage a eu lieu il y a une dizaine d'annees sur dix hetraies europeennes et consistait a deposer de la litiere enrichie en 15N au pied d'arbres selectionnes. Le devenir du 15N a ete suivi par echantillonnage regulier de la litiere, du sol (0 - 30 cm) et des feuilles suivis d'analyses par spectrometrie de masse a rapport isotopique des teneurs en 15N. Le suivi du traceur 15N dans le profil de sol a permis de mettre en evidence une tres faible incorporation du N dans les horizons mineraux du sol sur une decennie. L'abondance isotopique ne montre pas de signe d'enrichissement a partir de 10 cm de profondeur et le maximum d'incorporation du 15N se trouve dans les cinq premiers centimetres de surface de l'horizon mineral du sol. Le pic d'incorporation du 15N dans le sol se situe entre 2 et 4 ans apres le depot des litieres marquees entre 0 et 5 cm. Dans les feuilles des arbres ayant recu le marquage, l'evolution de la quantite de 15N au cours du temps montre une dynamique en deux phases correspondant a la mineralisation du N des litieres qui devient alors disponible pour les arbres suivie d'une phase de stabilisation du N dans les agregats du sol limitant l'accessibilite du N aux vegetaux. La modelisation du suivi temporel du traceur 15N dans le sol et dans l'arbre a permis de mettre en avant une structure a trois compartiments de sol en plus de la litiere. Un premier compartiment assimilable aux produits de decomposition des litieres aeriennes et souterraines, et deux compartiments de sol aux taux de recyclage du N dans ces compartiments differents. L'analyse de l'evolution de la quantite de 15N dans les feuilles des arbres ayant recu le marquage au cours de la decennie ainsi que des parametres du modele precisent le lien entre la forme d'humus et la dynamique d'incorporation du N derive des litieres par les arbres. Dans les humus de type mull, l'homogeneisation du N dans le profil de sol par la faune ralentit l'accessibilite des vegetaux a la source de N mais la prolonge dans le temps par mise a disposition progressive du N lors du recyclage. Sous moder, il semble que les arbres puisent rapidement et directement dans les horizons organiques pour prelever le N necessaire a leurs besoins, grace aux associations fongiques. Les resultats de modelisation montrent egalement que les litieres contribuent a la nutrition azotee des arbres au maximum 4 a 5 ans apres leur chute mais les arbres utilisent cette source de N pendant au moins une decennie En negligeant les apports atmospheriques, environ 25 % des besoins totaux en N de l'arbre (feuilles, tronc, branches, racines) sont couverts par la reallocation du N de l'arbre, et 75 % sont issus du prelevement du N dans le sol avec une contribution des litieres croissantes pendant les 4 a 5 premieres annees suivant leur depot suivie d'une diminution par stabilisation du N dans le sol et/ou pertes du N par denitrification ou lessivage dans le systeme sol-plante. L'utilisation du N derive des litieres par l'arbre est egalement fonction de la croissance des arbres, de la productivite du site et de leurs ages, les arbres jeunes n'ayant pas les memes besoins en N que les arbres plus ages. (auteur)
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Additional titles
- Original title (French)
- Etude du devenir de l'azote derive des litieres dans le sol et dans l'arbre sur le moyen terme dans les forets de hetres par tracage isotopique et modelisation
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 221 p.
- Report number
- FRNC-TH--10594
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 50048578
- Subject category
- S54: ENVIRONMENTAL SCIENCES; S60: APPLIED LIFE SCIENCES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- BEECH TREES; COMPUTERIZED SIMULATION; ECOLOGICAL CONCENTRATION; ELEMENT ABUNDANCE; FERTILITY; FOLIAR UPTAKE; FOREST LITTER; HUMUS; LABELLING; NITROGEN 15; NITROGEN CYCLE; PLANT GROWTH; RADIONUCLIDE KINETICS; SAMPLING; SOIL CHEMISTRY; TRACER TECHNIQUES
- Descriptors DEC
- ABUNDANCE; BIOLOGICAL MATERIALS; CHEMISTRY; GROWTH; ISOTOPE APPLICATIONS; ISOTOPES; KINETICS; LIGHT NUCLEI; MAGNOLIOPHYTA; MAGNOLIOPSIDA; MATERIALS; NITROGEN ISOTOPES; NUCLEI; ODD-EVEN NUCLEI; PLANTS; SIMULATION; STABLE ISOTOPES; TREES; UPTAKE
Optional Information
- Notes
- [220 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses