3.2Le cycle des nutriments en forêt
Les nutriments sont dans un état de flux constant. Nous pourrions faire un cours complet sur les cycles biogéochimiques, mais ce n’est pas l’objectif du cours. Il est toutefois essentiel de bien comprendre les sources et les pertes de nutriments pour mieux appréhender les difficultés rencontrées par les agricultures, notamment ceux qui cultivent des sols intrinsèquement pauvres en nutriments et peu productifs.
Le modèle le plus simple du cycle des nutriments que nous pouvons considérer en forêt est celui d’un système arbre-sol dans lequel l’arbre prélève des nutriments, les accumule dans ses parties (racines, tiges, branches, feuilles) et les retourne éventuellement, par la décomposition de la matière organique et la minéralisation des nutriments, lors de la sénescence des feuilles (retour partiel des nutriments) ou lorsque l’arbre meurt (retour complet des nutriments par les racines, la tige [ou le tronc], les branches et les brindilles). Sous un tel scénario, les nutriments du sol sont conservés à long terme. L’exemple pour le calcium, dans la figure 5, peut être utilisé pour l’ensemble des nutriments d’un arbre en forêt.
Figure 5. Cycle simplifié du calcium en forêt.
Les concentrations relatives de macronutriments dans un arbre varient passablement d’une partie à l’autre. Parmi les litières les plus riches en nutriments, on compte celles issues des tissus foliaires et des racines fines (figure 6).
Figure 6. Concentrations relatives des macronutriments dans les différentes parties d’un arbre moyen. Les valeurs diminuent de 1 à 6.
Cependant, le cycle des éléments nutritifs en forêt est bien plus complexe que ce qui vient d’être expliqué et inclut plusieurs autres sources et pertes de nutriments. Nous pouvons comptabiliser plusieurs sources de nutriments. Notamment, l’altération chimique des minéraux silicatés du sol comme les feldspaths (dont les plagioclases), les phyllosilicates et les ferromagnésiens représente une source importante de macronutriments (ex. le calcium, le magnésium, le potassium, le phosphore et le soufre) ainsi que de micronutriments (ex. le fer, le manganèse, le zinc, le cuivre et le nickel) pour les plantes. Plusieurs espèces d’arbres ont d’ailleurs la capacité d’accélérer l’altération chimique des minéraux du sol en favorisant une attaque par les exsudats acides que génèrent les racines ou en développant des associations avec des champignons qui altèrent les structures cristallines par différents processus n’incluant pas nécessairement l’intervention directe de l’eau (figure 7). Les nutriments qui sont mobilisés par ces différents processus deviennent alors disponibles pour la plante.
Figure 7. Colonie de champignons habitant une cavité avec des parois abruptes formées dans un marbre par des mécanismes biochimiques et biophysiques.
Source : Hoffland et al. (2004).
Pour quelques espèces d’arbres, des chercheurs ont même démontré qu’il y a une prolifération préférentielle des champignons dans les minéraux les plus riches en nutriments (figure 8). Ce serait un mécanisme additionnel chez certaines espèces d’arbres qui permet d’augmenter la disponibilité des nutriments.
Figure 8. Des timbres de minéraux purs (quartz – SiO2 et feldspath potassique – KAlSi3O8) ont été introduits au front du système racinaire d’une espèce de pin. Après 15 semaines, la prolifération des champignons était plus importante dans les timbres de feldspaths (riches en potassium) que dans ceux de quartz (pauvres en nutriments).
Source : Hoffland et al. (2004).
Les précipitations apportent aussi plusieurs nutriments sous forme dissoute par la pluie, la bruine, le verglas et la neige. De plus, les arbres ont la capacité de filtrer des aérosols (particules solides ou liquides en suspension dans l’air) qui finissent par atteindre le sol à la suite de l’impact de ceux-ci sur les canopées (figure 9). Puisque ces aérosols contiennent des nutriments, il s’agit d’une source de nutriments parfois non négligeable en forêt.
Figure 9. Une forêt de conifères qui filtre les particules en suspension sous la forme d’un brouillard.
Source : https://www.pexels.com/photo/nature-forest-trees-fog-4827/
La fixation de l’azote atmosphérique par les nodules (ou nodosités) situés sur les racines est une source importante d’azote dans certains systèmes forestiers. Toutefois, ce ne sont pas toutes les espèces d’arbres qui sont équipées de ces nodules. La fixation de l’azote atmosphérique par les plantes est un processus important en agroforesterie. C’est pour cette raison que nous traiterons en détail de ce sujet un peu plus loin dans le module.
Les pertes de nutriments en forêt peuvent être considérables, particulièrement si la forêt est exploitée à des fins commerciales. L’exportation du bois est une perte importante de nutriments parce que les nutriments qui sont immobilisés dans le bois sont exportés du système. Sous un scénario de récolte forestière, le transfert vers le sol des nutriments contenus dans le bois ne se fait pas parce que la fin de vie de la biomasse ligneuse ne passe pas par le bois mort. Le bois mort (figure 10) et d’autres formes de matière organique retournent les nutriments au sol par l’activité des microorganismes qui décomposent la matière organique et transforment les nutriments qu’elle contient en formes minérales assimilables par les plantes (minéralisation des nutriments). La minéralisation ne représente pas une nouvelle source de nutriments pour le système, mais plutôt une forme importante de recyclage des nutriments. L’enjeu écologique de la gestion du bois mort en forêt concerne donc la fertilité des sols par voie de recyclage. Il concerne aussi la diversité biologique et la séquestration du carbone. Consultez le lien ci-dessus sur le bois mort pour en savoir davantage à ce sujet.
Figure 10. Bois mort en forêt.
Une autre partie des nutriments se perd en forêt par l’entraînement des argiles, des limons et des nutriments (sous la forme dissoute, ions) jusqu’à la nappe phréatique par les eaux de percolation (phénomène de lixiviation ou de lessivage, figure 11). L’intensité de ce phénomène peut varier selon le type de couvert végétal, la nature des précipitations, le type de sol, la topographie, etc.
Figure 11. L’eau qui percole dans le sol à la suite d’une pluie entraîne le lessivage (la perte) des nutriments comme le calcium (Ca), le magnésium (Mg), le potassium (K), les ions nitrate (NO3) et les ions phosphate (PO4).
On sait que les forêts naturelles sont généralement des écosystèmes autosuffisants, car ils recyclent les nutriments très efficacement (figure 12). On les considère comme des systèmes étanches, caractérisés par un prélèvement accru des nutriments libérés par la minéralisation qui réduit de façon importante les pertes de nutriments par lessivage. Au contraire, les systèmes agricoles sont beaucoup moins étanches. On peut dire que ces systèmes ont des « fuites » importantes (figure 12). Dans un premier temps, ils perdent des quantités appréciables de nutriments contenus dans les récoltes. De plus, la perte de nutriments par lessivage est accentuée par l’irrigation ou, encore, par les taux de percolation de l’eau plus élevés pendant les périodes prérécolte ou postrécolte (c’est-à-dire lorsqu’il y a peu de végétation pour utiliser l’eau et, ainsi, retenir les nutriments). Enfin, étant donné la petite taille des cultures agricoles traditionnelles (ex. maïs, blé, canola, etc.) et leur présence temporaire durant une année, elles n’ont pas la même capacité que les forêts à filtrer les particules atmosphériques. Elles ne favorisent pas non plus l’altération des minéraux du sol comme peuvent le faire les arbres.
Les forêts sont autosuffisantes en nutriments en raison d’un recyclage efficace (prélèvement versus minéralisation) des nutriments et des sources comme les particules sèches (filtrage de l’atmosphère par la canopée) et l’altération des minéraux par les exsudats des racines. Elles sont des systèmes fermés, avec peu de pertes en nutriments.
Les systèmes agricoles sont ouverts parce qu’ils perdent des nutriments par : (1) la récolte, (2) le lessivage dû à l’irrigation ou à la période sans culture, (3) la réduction des taux de recyclage compte tenu des faibles quantités de matière organique disponibles à la surface du sol pour la décomposition microbienne, et (4) le peu de filtrage atmosphérique et d’altération des minéraux par les cultures (présence temporaire de la végétation).
Figure 12. Nature du recyclage des nutriments en forêt et en milieu agricole.
Source : https://www.notreterre.org/article-la-quasi-totalite-des-forets-tropicales-sont-mal-gerees-76557914.html
https://www.goalglobal.org/stories/post/11-things-you-must-see-at-the-national-ploughing-championships-2016