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HAL Id: tel-01748445 https://hal.univ-lorraine.fr/tel-01748445 Submitted on 29 Mar 2018 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Effet des substitutions d’essences forestières sur l’évolution des sols et de leur minéralogie : bilan après 28 ans dans le site expérimental de Breuil (Morvan) Louis Mareschal To cite this version: Louis Mareschal. Effet des substitutions d’essences forestières sur l’évolution des sols et de leur minéralogie : bilan après 28 ans dans le site expérimental de Breuil (Morvan). Sciences de la Terre. Université Henri Poincaré - Nancy 1, 2008. Français. NNT : 2008NAN10051. tel-01748445 AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm Faculté des Sciences & Techniques STMP Ecole doctorale RP2E Département de Formation Doctorale des Géosciences Laboratoire de Biogéochimie de Ecosystèmes Forestiers, (BEF-INRA), UR 1138, Centre de Recherche Forestière, 54280 Champenoux (France) Thèse Présentée pour l’obtention du titre de Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy-I En Géosciences par Louis MARESCHAL Effet des substitutions d’essences forestières sur l’évolution des sols et de leur minéralogie : bilan après 28 ans dans le site expérimental de Breuil (Morvan) Soutenue publiquement le 24 Juin 2008 devant la commission d’Examen : Membres du jury : Président Mme Sylvie DOUSSET, Professeur LIMOS,CNRS,U.H.P. Nancy I Rapporteurs : Mr. Bruno DELVAUX, Professeur, Université Catholique de Louvain-la- Neuve (Belgique) Mr. Felipe MACIAS, Professeur, Université Santiago de Compostela, Espagne Examinateur : Mr. Alain BRETHES, Ingénieur chargé de recherches ONF, Orléans Mr. Bruno LANSON, Directeur de recherches, LGIT, CNRS, Grenoble Mme Marie-Pierre TURPAULT, Chargée de recherches INRA Nancy (co- Directeur de thèse) Mr. Jacques RANGER, Directeur de recherches INRA Nancy (co- Directeur de thèse) Table des Matières 3/332 LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX............................................................................................................ 7 CHAPITRE 1 INTRODUCTION GENERALE....................................................................................... 14 1 EVOLUTION DE LA COMPOSITION ARBOREE DE LA FORET FRANÇAISE...................................................... 15 2 CONSEQUENCES DES MODIFICATIONS DE LA COMPOSITION ARBOREE DE LA FORET................................. 16 3 APPROCHE DE L’ETUDE : DES ESSENCES SUR UN MEME SOL..................................................................... 17 4 OBJECTIFS DE L’ETUDE............................................................................................................................ 18 4.1 Etude de la roche mère et d’un profil de sol « climacique »......................................................... 18 4.2 Effet du changement d’essence sur les propriétés physico-chimiques et chimiques de la terre fine 18 4.3 Caractériser les évolutions minéralogiques actuelles en fonction des essences :......................... 19 CHAPITRE 2 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE................................................................................. 21 1 RAPPEL SUR LES FLUX D’ELEMENTS AU SEIN DE L’ECOSYSTEME FORESTIER ........................................... 22 2 ALTERATION DES MINERAUX DU SOL....................................................................................................... 24 3 EFFET DES ESSENCES SUR LE CYCLE BIOGEOCHIMIQUE............................................................................ 27 3.1 Effet des essences sur les flux d’éléments entrants dans l’écosystème (figure II.1)...................... 27 3.2 Effet des essences sur les flux d’éléments sortant de l’écosystème (figure II.1)............................ 30 3.3 Impact des essences sur les flux internes ...................................................................................... 31 3.4 Effet des essences sur la microflore et pédofaune......................................................................... 33 3.5 Effet des essences sur la transmittance lumineuse et la température............................................ 34 CHAPITRE 3 MATERIEL ET METHODE............................................................................................ 35 1 PRESENTATION DU SITE ATELIER ............................................................................................................. 36 2 MATERIEL ETUDIE ET MOYEN ANALYTIQUE............................................................................................. 39 2.1 Etude de la roche mère du site...................................................................................................... 39 2.2 Etude d’un profil de référence....................................................................................................... 40 2.3 Effet des essences .......................................................................................................................... 42 2.3.1. Effet des essences sur les propriétés de la terre fine ................................................................................. 42 2.3.2. Effet des essences sur les propriétés de la fraction argileuses................................................................... 44 2.3.3. Expérimentation de dissolution de vermiculite en milieu acide................................................................ 44 2.3.4. Effet des essences sur la vermiculite test.................................................................................................. 45 2.3.5. Effet des essences sur le sol rhizosphérique ............................................................................................. 45 3 METHODE D’ANALYSES........................................................................................................................... 46 3.1 Etude au microscope optique ........................................................................................................ 46 3.2 Microanalyses : microsonde et microscope électronique à transmission (MET).......................... 46 3.3 Observations et analyses au microscope électronique à balayage (MEB).................................... 47 3.4 Analyse thermopondérale.............................................................................................................. 47 3.5 Dissolutions sélectives................................................................................................................... 47 3.6 Séparation des fractions granulométriques................................................................................... 50 3.7 La diffraction de rayon X .............................................................................................................. 51 3.8 Analyse chimique totale ................................................................................................................ 53 3.9 Carbone et azote total ................................................................................................................... 54 3.10 Phosphore extractible P (Duchaufour and Bonneau, 1959) ......................................................... 54 3.11 pH de la terre fine ......................................................................................................................... 55 3.12 Capacité d’échange cationique de la terre fine............................................................................. 55 3.13 Quantification de minéraux des fractions granulométriques ........................................................ 56 3.14 Traitement statistique des données................................................................................................ 57 CHAPITRE 4 ETUDE DE LA ROCHE MERE ET D’UN PROFIL DE REFERENCE ..................... 59 1 ETUDE PETROGRAPHIQUE, MINERALOGIQUE ET CHIMIQUE DE LA ROCHE DU SITE DE BREUIL.................. 60 1.1 Situation géologique...................................................................................................................... 60 1.2 Connaissances générales du massif granitique............................................................................. 60 1.3 Résultats et interprétations............................................................................................................ 62 1.3.1. Répartition des faciès sur le site de Breuil et description minéralogique.................................................. 62 1.3.2. Teneur des différents minéraux dans la roche du site de Breuil................................................................ 64 1.3.3. Analyses chimiques des minéraux de la roche du site de Breuil............................................................... 64 1.3.3.1 La biotite........................................................................................................................................ 64 1.3.3.2 La muscovite.................................................................................................................................. 69 1.3.3.3 La chlorite ...................................................................................................................................... 73 1.3.3.4 La perthite : feldspath potassique et albite ..................................................................................... 74 4/332 1.3.3.5 L’albite........................................................................................................................................... 75 1.3.4. Analyse chimique du granite du site de Breuil ......................................................................................... 76 2 ETUDE D’UN PROFIL DE REFERENCE ......................................................................................................... 77 2.1 Description du profil..................................................................................................................... 77 2.2 Squelette et densité........................................................................................................................ 78 2.3 La terre fine................................................................................................................................... 78 2.3.1. Distribution granulométrique et surface des particules............................................................................. 78 2.3.2. Propriétés physico-chimiques et analyses chimiques................................................................................ 79 2.3.2.1 pH, CEC et cations échangeables (tableau IV.19, figure IV.11) .................................................... 79 2.3.2.2 Carbone, azote et phosphore .......................................................................................................... 81 2.3.2.3 Teneurs en éléments totaux de la terre fine (tableau IV.20)........................................................... 82 2.3.2.4 Dissolutions spécifiques et dynamique des sesquioxydes .............................................................. 83 2.4 Les fractions granulométriques de la terre fine ............................................................................ 88 2.4.1. Capacité d’échange cationique (tableau IV.22 et IV.23) .......................................................................... 88 2.4.2. Eléments totaux (tableau IV.23) ............................................................................................................... 89 2.4.3. Dissolutions sélectives (figure IV.4)......................................................................................................... 90 2.4.4. Minéralogie qualitative............................................................................................................................. 92 2.4.4.1 Fraction argileuse globale .............................................................................................................. 92 2.4.4.2 Fraction argileuse fine 0 - 0,1 µm ................................................................................................ 101 2.4.4.3 Fraction des limons ...................................................................................................................... 103 2.4.4.4 Fraction des sables ....................................................................................................................... 104 2.4.5. Chimie des minéraux secondaires........................................................................................................... 108 2.4.6. Minéralogie quantitative des fractions granulométriques (figure IV.32) ................................................ 110 2.4.6.1 Les minéraux primaires................................................................................................................ 112 2.4.6.2 Les minéraux secondaires ............................................................................................................ 112 2.4.7. Localisation des cations nutritifs dans les minéraux porteurs des différentes fractions................................ 113 2.5 Discussion ................................................................................................................................... 115 2.5.1. Processus d’altération des minéraux....................................................................................................... 115 2.5.2. Pédogénèse ............................................................................................................................................. 121 2.5.3. Quantification des minéraux................................................................................................................... 124 CHAPITRE 5 EFFETS DES ESSENCES SUR LES PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES ET CHIMIQUES DE LA TERRE FINE............................................................................................................... 127 1 OBJECTIFS ............................................................................................................................................. 128 2 RESULTATS............................................................................................................................................ 128 2.1 Variabilité inter blocs.................................................................................................................. 128 2.1.1. Granulométrie......................................................................................................................................... 128 2.1.2. Eléments libres ....................................................................................................................................... 130 2.1.3. TRB (Réserve Totale en Base) ............................................................................................................... 133 2.1.4. Carbone et azote ..................................................................................................................................... 134 2.1.5. CEC et éléments échangeables ............................................................................................................... 134 2.1.6. Conclusion sur la comparaison des blocs................................................................................................ 135 2.2 Relations entre variables............................................................................................................. 135 2.3 Effet des essences sur les propriétés de la terre fine................................................................... 138 2.3.1. Analyses multivariées............................................................................................................................. 138 2.3.1.1 Approche générale ....................................................................................................................... 138 2.3.1.2 Eléments libres............................................................................................................................. 144 2.3.2. Effet des essences sur la garniture cationique et le pH ........................................................................... 146 2.3.2.2 pH des sols (tableau V.5) ............................................................................................................. 148 2.3.2.3 Carbone, azote et phosphore (tableau V.6)................................................................................... 152 3 DISCUSSION........................................................................................................................................... 154 3.1 pH et acidité d’échange............................................................................................................... 154 3.2 Saturation cationique.................................................................................................................. 157 3.3 Eléments libres............................................................................................................................ 158 3.4 Stocks en éléments échangeables, C, N, P................................................................................... 159 3.5 Comparaisons des approches de l’étude de l’effet des essences................................................. 160 4 CONCLUSION ......................................................................................................................................... 161 CHAPITRE 6 EFFET DES ESSENCES SUR L’ALTERATION DES MINERAUX DU SOL................. 163 1 INTRODUCTION...................................................................................................................................... 164 2 RESULTATS............................................................................................................................................ 165 2.1 Cortège minéralogique et variation avec la profondeur............................................................. 166 2.2 Variation de la mesure par DRX................................................................................................. 167 2.3 Variations intra peuplement........................................................................................................ 168 5/332 2.4 Variation inter-bloc..................................................................................................................... 171 2.4.1. Minéralogie............................................................................................................................................. 171 2.4.2. Extractions sélectives.............................................................................................................................. 173 2.5 Effet des essences sur la minéralogie.......................................................................................... 174 2.5.1. DRX........................................................................................................................................................ 174 2.5.1.1 Argiles <2µm ............................................................................................................................... 174 2.5.1.2 Argiles < 0,1 µm .......................................................................................................................... 177 2.5.2. Extractions sélectives.............................................................................................................................. 178 2.5.3. Analyses totales ...................................................................................................................................... 179 2.5.4. Les limons fins........................................................................................................................................ 181 3 DISCUSSION........................................................................................................................................... 181 3.1 Influence des essences forestières sur les éléments extraits........................................................ 181 3.2 Influence des essences forestières sur la minéralogie................................................................. 183 3.2.1. Smectites hydroxy-alumineuses.............................................................................................................. 183 3.2.2. La chlorite............................................................................................................................................... 185 3.3 Variation de l’effet essence entre les blocs ................................................................................. 186 4 CONCLUSION ......................................................................................................................................... 187 CHAPITRE 7 EVOLUTION D’UNE VERMICULITE EN MILIEU ACIDE : APPROCHE EXPERIMENTALE IN VITRO ET IN SITU ................................................................................................. 189 1 CONTEXTE ET OBJECTIFS ....................................................................................................................... 190 2 APPROCHE IN VITRO : ARTICLE A........................................................................................................... 191 2.1 Introduction................................................................................................................................. 192 2.2 Materials and Methods................................................................................................................ 194 2.2.1. Mineral Sample and Preparation............................................................................................................. 194 2.2.2. Experimental Procedure.......................................................................................................................... 195 2.2.3. Analytical Methods................................................................................................................................. 196 2.2.3.1 Liquid Phase Analysis.................................................................................................................. 196 2.2.3.2 Solid Phase Analysis.................................................................................................................... 196 2.2.3.3 Calculations.................................................................................................................................. 198 2.3 Results ......................................................................................................................................... uploads/Science et Technologie/ scd-t-2008-0051-mareschal.pdf