Study of Ca and Mg cycles in five beech forests in the northern France and modifications induced by liming: combined use of elementary and isotopic approaches δ26/24Mg, δ44/40Ca and 87Sr/86Sr)
Creators
- Court, Melanie
- Universite de Lorraine, Faculte des Sciences et Technologies, Ecole Doctorale RP2E Ressources, Procedes, Produits, Environnement (France)
- Institut National de la Recherche Agronomique - INRA Centre Grand Est, UR1138, unite de Biogeochimie des Ecosystemes Forestiers - BEF, Route d'Amance, 54280 Champenoux (France)
Description
In France, many forest ecosystems grow on acidic and nutrient poor soils. In numerous cases, the chemical fertility of forest soils is slowly degrading due to increasing external pressures (e.g. decreasing atmospheric inputs, increasing biomass exportations) and is a growing concern in the international forest community. Forest management often must resort to restoration/remediation practices to ensure the sustainability of the ecosystem. Forest liming with a carbonate product is a known practice to reduce soil acidity, globally improve the ecosystem functioning and compensate nutrient losses caused by biomass harvest and exportation. However, our understanding of the effects of liming on magnesium and calcium biogeochemical processes and cycling in forest ecosystems is still incomplete. This study focuses on the fate of magnesium and calcium originating from the dissolution of liming products in the soils and trees of five beech forests located in Northern France over a period up to 45 years. In order to do so, 'conventional' total-element approaches were combined with a multi-isotopic approach (26/24Mg, 44/40Ca et 87/86Sr). At all five sites, the data measured in control plots throughout the study period suggest that the exchangeable pools of nutrient cations in the soil has decreased over the last several decades and that this trend, together with the low chemical fertility level of the soil, was reflected in foliar nutrition (Ca, Mg, K, P). Compared to the control plots, soil exchangeable pools of Mg and Ca in the 0-40 cm layer in the limed plots increased during the first decade after liming but differences were no longer observable in soil pools after 20 to 30 years. However, the effect of liming on tree nutrition was still observed after 40 years, most probably because the biological cycling of these elements was enhanced by the lime input. The ecosystem response to the lime input varied between sites depending on the nature of the liming product (CaCO3 or Ca-MgCO3) and the initial chemical fertility level of the soil, the poorest sites showing the strongest responses. The natural variations of Mg, Ca and Sr isotopic ratios combined with conventional approaches highlight the importance of the BIO component of the biogeochemical cycling of Mg and Ca in the studied low chemical fertility beech forests. These isotopic tools also enabled to show the long-lasting incorporation of the Mg and Ca released from the liming product in the biological cycle and highlight the changes in the biogeochemical functioning of these forest ecosystems after the liming operation. (author)
Abstract (French)
De nombreux ecosystemes forestiers francais sont developpes sur des sols acides et pauvres en elements nutritifs. Dans de nombreux contextes, la fertilite minerale de ces sols forestiers se degrade lentement, en lien notamment avec des pressions exterieures passees ou actuelles (e.g. diminution des apports atmospheriques de nutriments, augmentation des exportations de biomasse). Ce constat preoccupe la communaute forestiere et des solutions de restauration/remediation sont souvent envisagees. L'amendement avec un produit carbonate est une pratique connue pour reduire l'acidite du sol, ameliorer le fonctionnement global de l'ecosysteme et compenser les pertes de nutriments causees par la recolte de biomasse. Cependant, les effets de l'amendement sur les processus et le cycle biogeochimique du calcium et magnesium dans les ecosystemes forestiers sont peu connus a ce jour. Cette etude se focalise sur le devenir du magnesium et du calcium provenant de la dissolution des produits d'amendement dans cinq hetraies situees dans le nord de la France sur une periode allant jusqu'a 45 ans apres l'apport. Pour cela, les approches elementaires 'conventionnelles' ont ete combinees avec une approche multi-isotopique (26/24Mg, 44/40Ca et 87/86Sr). Les donnees provenant des parcelles temoins mesurees tout au long de la periode d'etude suggerent, quel que soit le site considere, que les pools echangeables de cations nutritifs dans le sol ont diminue sur les dernieres decennies et que cette tendance, associee a la faible richesse chimique du sol, se reflete dans la nutrition foliaire (Ca, Mg, K, P). En comparaison des placettes temoins, les pools echangeables de Mg et de Ca dans l'horizon 0-40 cm du sol ont augmente dans les placettes amendees durant la premiere decennie apres l'amendement, mais les differences s'estompent apres 20 a 30 ans. Cependant, l'effet de l'amendement sur la nutrition des arbres est encore observe 40 ans apres l'apport, tres probablement parce que le cycle biologique de ces elements a ete dynamise par l'amendement. La reponse des ecosystemes a l'amendement varie d'un site a l'autre, en fonction de la nature du produit (CaCO3 ou Ca-MgCO3) et du niveau de richesse chimique initial du sol, les sites les plus pauvres chimiquement enregistrant les reponses les plus marquees. Les variations naturelles des rapports isotopiques du Mg, Ca et Sr, en complement des approches conventionnelles, mettent en evidence l'importance de la composante Bio des cycles biogeochimiques du Ca et Mg dans ces hetraies a faible fertilite minerale. Ces outils isotopiques ont egalement permis de demontrer l'incorporation durable de Ca et Mg issus des produits d'amendement dans leur cycle biologique respectif et de mettre en evidence des modifications de fonctionnement biogeochimique des ecosystemes suite a l'amendement. (auteur)
Files
Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Etude des cycles du Ca et Mg dans cinq hetraies du nord de la France et des modifications induites par un amendement calco-magnesien: utilisation combinee des approches elementaires et isotopiques (δ26/24Mg, δ44/40Ca et 87Sr/86Sr)
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 280 p.
- Report number
- FRNC-TH--10989
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 51079045
- Subject category
- S60: APPLIED LIFE SCIENCES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- BEECH TREES; CALCIUM 40; CALCIUM 44; FERTILITY; FOREST LITTER; FORESTRY; FRACTIONATION; HUMUS; ICP MASS SPECTROSCOPY; ISOTOPE RATIO; LEAVES; LIMING; MAGNESIUM 24; MAGNESIUM 26; NUTRIENTS; PLANT GROWTH; SOIL CHEMISTRY; STRONTIUM 86; STRONTIUM 87
- Descriptors DEC
- ALKALINE EARTH ISOTOPES; BETA DECAY RADIOISOTOPES; BIOLOGICAL MATERIALS; CALCIUM ISOTOPES; CHEMISTRY; DIMENSIONLESS NUMBERS; ELECTRON CAPTURE RADIOISOTOPES; EVEN-EVEN NUCLEI; EVEN-ODD NUCLEI; GROWTH; HOURS LIVING RADIOISOTOPES; INTERMEDIATE MASS NUCLEI; ISOMERIC TRANSITION ISOTOPES; ISOTOPES; LIGHT NUCLEI; MAGNESIUM ISOTOPES; MAGNOLIOPHYTA; MAGNOLIOPSIDA; MASS SPECTROSCOPY; MATERIALS; NUCLEI; PLANTS; RADIOISOTOPES; SEPARATION PROCESSES; SPECTROSCOPY; STABLE ISOTOPES; STRONTIUM ISOTOPES; TREES
Optional Information
- Notes
- Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses