Soutenance mémoire
STOCKAGE DU CARBONE DANS LES SOLS MÉSIQUES
Problématique générale
Les perturbations naturelles de grande envergure sont caractéristiques de la dynamique des écosystèmes en forêt boréale (Gauthier et al., 2015; Rogers et al., 2015) et ont une influence majeure sur l’équilibre duC (Bond-Lamberty et al., 2007; Kurz et al., 2008).
Les incendies de grandes superficies(> 200 ha) sont, par exemple, responsables de 98 %des surfaces forestières annuellement brûlées au Canada (Stocks et al., 2002; Weber et Stocks, 1998). Basé sur le régime des perturbations naturelles, l’aménagement écosystémique est le paradigme selon lequel le maintien des caractéristiques de la forêt dans ses limites de variabilités naturelles permet de répondre à certains critères de l’aménagement forestier durable (Attiwill, 1994; Bergeron et al., 2007; Cyr et al., 2009). Transcrit le 1er avril 2013 dans la Loi sur l’aménagement durable du territoire forestier encadrant la gestion des forêts au Québec, l’aménagement écosystémique est
l’approche préconisée pour aménager durablement la forêt. La gestion et l’exploitation durable des forêts doit ainsi être raisonnée à partir de connaissances suffisantes des patrons naturels de perturbations et des dynamiques forestières (Burton et al., 2006).Alors que les écosystèmes boréaux possèdent la plus grande partie de leur réservoir de C dans les sols, la comptabilisation du C forestier au Québec est uniquement effectuée à partir des tiges marchandes en croissance et des produits forestiers (Bureau du forestier en chef, 2015). Des 71 unités d’aménagement de la province en 2015, seulement 18 présentaient assez de données pour les calculs d’inventaires des stocks de carbone. A 1 ‘heure actuelle, les données concernant les sols sont sporadiques (Beguin et al., 20 17; Mansuy et al., 20 14). Le manque de données quantifiées sur les caractéristiques des sols, nécessaires pour comprendre les patrons de stockage du COS à différentes échelles spatiales, est un problème global. La base de données mondiale World Soil Information System (Batjes et al., 2017), la plus à jour actuellement qui regroupe différentes caractéristiques physico-chimiques des sols à travers le monde, montre un biais d’échantillonnage prégnant (Figure 0.2). Sur les 94441 pédons regroupés dans cette base de données, seulement 148 sont enregistrés au Canada (principalement en sols agricoles), contre 50361 aux USA ou encore 12223 au Mexique, pour ne mentionner que l’Amérique du Nord. Notre compréhension des processus de stockage du COS est ainsi fortement biaisée par le manque de données et la non-uniformité de leur distribution spatiale. Pour exemple, Crowther et al. (2016) inféraient avec 1 ‘étude de 49 sites expérimentaux que les stocks de COS diminueraient en réponse au réchauffement climatique, particulièrement aux hautes latitudes. La même analyse, réalisée en ajoutant 94 sites supplémentaires à ces données, apportait des conclusions très différentes (van Gestel et al., 20 18). Il existe ainsi aujourd’hui un besoin urgent d’amasser des données quantifiées et géoréférencées pour comprendre les patrons spatiaux en lien avec les processus de stockage du COS et ses facteurs de contrôle, qu’ils soient climatiques ou non climatiques. Renforcer les bases de dom1ées par un échantillom1age en forêt naturelle pem1ettrait d’intégrer une dimension supplémentaire et non négligeable à l’aménagement écosystémique du territoire forestier, à savoir le stockage du COS. Au Québec, ce type de dom1ées pourrait compléter le registre des états de référence (Boucher et al., 2011) – aujourd’hui cantonné à la végétation arborescente ~ et servir de base comparative pour évaluer les écarts entre les forêts naturelles et aménagées quant aux caractéristiques des stocks de COS.Aussi parfois restreints aux sols plus fertiles des régions agricoles, les modèles associés à notre compréhension des processus de stockage du COS (Jenkinson et al., 1990; Paul et al., 1997) biaisent fortement les projections des réservoirs forestiers de COS boréaux en réponse au réchauffement climatique. Pour mieux anticiper l’impact des changements climatiques, la communauté scientifique doit développer de nouvelles lignes de recherches et de modélisation pour comprendre la manière dont le C est recyclé dans l’écosystème (Bradford et al., 2016; Schmidt et al., 2011).Globalement, l’objectif des travaux que je présente ici est d’approfondir notre compréhension des processus de stockage du COS, avec l’étude de cas des sols à drainage modéré de la pessière à mousses au Québec. Les trois chapitres de cette thèse reposent sur un échantillonnage inédit qui est utilisé dans les trois chapitres qui suivent.Compte-tenu des relations étroites entre l’équilibre duC et la dynamique d’incendies dans les écosystèmes étudiés, le premier chapitre (Chapitre I) se focalise essentiellement sur les caractéristiques du COS (stock, récalcitrance et bioréactivité) en fonction des régimes de feux comparés aux échelles régionale et locale. De nombreux facteurs sont impliqués dans le contrôle des stocks de COS (voir Chapitre 0.2). Dans le second chapitre (Chapitre II), nous nous intéressons aux interactions entre certains de ces facteurs- climatiques et non-climatiques – ainsi qu’à leur contribution relative pour expliquer, sur des bases mécanistiques, comment les stocks de COS se constituent. A la manière du second chapitre et pour comprendre ici comment ces stocks pourraient évoluer en lien avec des changements environnementaux, le troisième chapitre (Chapitre III) de cette thèse se concentre sur les facteurs contrôlant la facilité de décomposition du COS. Dans le quatrième et dernier chapitre, nous mettons en avant les contributions de la thèse à l’avancement des connaissances et nous soulevons plusieurs pistes de recherche à développer. Enfin, nous concluons sur les solutions qui doivent être adoptées pour maximiser la séquestration de COS dans les territoires aménagés.
Sampling sites
Our aim was first to identify regional trends in soi! C storage in relation to the variability of the regional fire characteristics. Renee, we selected 72 comparable stands in terms of vegetation composition (black spruce dominance), surficial deposits (glacial ti lis) and mesic drainage conditions across the study area (Figure 1.1; for a description of the study area, see Andrieux et al. (2018b)). Priorto field works, stand were selected using numeric eco-forest maps (third and fourth decadal programs) produced by the Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs of Quebec together with published information about regional fire characteristics (see Figure 1.1 description).
Pire cycle zones were delimited according to: (red) Le Goff et al. (2007); (green) Be lisle et al. (20 11); (orange and blue) Portier et al. (20 16). Long-term fire history has been reconstructed at the stand scale in six plots (violet circles). Soil carbon data were gathered in ali plots (black and violet circles).
For soil sampling, we followed the Canadian national forest inventory (NFI, 2016). Briefly, we established a 400m2 circular plot within each selected stands. We measured the thickness of the FH horizon every 2 meters along two orthogonal transects intersecting at the plot center, to get 20 depth records per plot. We selected three representative 20×20 cm2 microplots at the edge of the plot to collect the litter and living mosses that were bagged apart, and the bulk FH horizon overlying the mineral soil. Thence, we used a metallic cylinder (0 = 4. 7 cm; height = 15 cm) to sample the upper 15 cm mineral soil in the same three microplots. At the same location of one of themicroplots, a soil pit was dug to sample the mineral soil from 15 to 35 cm and the diagnostic B horizon top 15 cm with a metallic cylinder (0 = 4.7 cm; height = 20 cm or 15 cm, respectively).
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Table des matières
A VANT-PROPOS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABRÉVIATIONS, DES SIGLES ET DES ACRONYMES
LISTE DES SYMBOLES ET UNITÉS
RÉSUMÉ
INTRODUCTION GÉNÉRALE
0.1 Prolégomènes
0.2 Équilibre et facteurs de contrôle du carbone dans les sols
0.3 Protection et stabilisation du carbone dans les sols
0.4 L’aménagement des forêts boréales et la séquestration du carbone dans les sols
0.5 Problématique générale
CHAPITRE I DOES CLIMATE OR FIRE REGIME CONTROL THE CARBON STORAGE IN BOREAL FOREST SOILS?
1.1 Abstract
1.2 Résumé
1.3 Introduction
1.4 Materials and methods
1.4.1 Sampling sites
1.4.2 Fire history reconstruction
1.4.3 Lab work
1.4.4 Statistical analyses
1. 5 Results
1.5.1 Soi! C characteristics as a function of regional fire regime
1.5.2 Soi! C characteristics as a function of stand-scale fire frequency
1.6 Discussion
1.6.1 Does fire cycle controls the C turnover and not the C stock of the FH horizon?
1.6.2 Organo-mineral association controls the size of the mineral soi! C reservoir but not its turnover
1.6.3 Needs for research
1.7 Acknowledgements
CHAPITRE II DRIVERS OF POST-FIRE SOIL ORGANIC CARBON ACCUMULATION IN THE BOREAL FOREST
2.1 Abstract
2.2 Résumé
2.3 Introduction
2.4 Materials and methods
2.4.1 Study are a
2.4.2 Stand selection and field sarnpling design
2.4.3 Laboratory analyses
2.4.4 Carbon pool calculations
2.4.5 Climatic data
2.4.6 Ground layer dominance
2.4. 7 Ecological a priori hypotheses
2.4.8 Statistical analyses
2.5 Results
2.5.1 Post-fire carbon dynarnics
2.5.2 FH layer path analysis and mode! selection
2.5.3 Mineral soi! path analysis and mode! selection
2.6 Discussion
2.6.1 Soil C stock predictability
2.6.2 Climate is an indirect driver of soil C stocks
2.6.3 Distinct mechanisms of C stock change with TSF in FH layer and mineral soil
2.6.4 Insignificant role of soil texture
2.6.5 Research avenues
2.7 Acknowledgements
CHAPITRE III BOREAL FOREST SOIL CHEMISTRY AS MORE CONTROL OVER THE SIZE OF THE POST-FIRE BIOREACTIVE SOIL ORGANIC CARBON RESERVOIR THAN CLIMATE
3.1 Abstract
3.2 Résumé
3.3 Introduction
3.4 Materials and methods
3.4.1 Site selection, sampling design and fieldwork
3.4.2 Laboratory analyses
3.4.3 Ecological a priori hypotheses
3.4.4 Calculations and data analyses
3.4.5 Statistical analyses
3.5 Results
3. 5.1 Post-fire soil carbon pool size
3.5.2 FH path analysis and model selection
3.5.3 Mineral soil path analysis and model selection
3.6 Discussion
3.6.1 Post-fire soil C quality and bioreactivity
3.6.2 Control mechanisms of the soil C bioreactivity
3.6.3 Research needs
3.7 Conclusion
3.8 Acknowledgements
CONCLUSION GÉNÉRALE
4.1 Contributions à l’avancement des connaissances
4.1.1 Considérations spatiales des processus de stockage du COS
4.1.2 Temporalités des processus liés au stockage du COS
4.1.3 Dynamique du COS intégrée à la complexité de l’écosystème
4.2 Avenues pour la recherche
4.3 Solutions d’aménagements pour séquestrer le carbone dans les sols
ANNEXE A
ANNEXE B
ANNEXE C
RÉFÉRENCES
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