FA 6.2 - Rôle de la végétation sur le cycle hydrologique et les cycles biogéochimiques

Justification / Enjeux

Une meilleure compréhension du rôle de la végétation sur le cycle de l’eau et les cycles biogéochimiques au niveau des surfaces continentales est cruciale pour construire des éléments de réponse aux questions environnementales sur la gestion des ressources en eau et en sols, l’impact du changement climatique et le cycle des nutriments. Hors, les nombreuses études ayant cherché à documenter et comprendre les flux d’éléments exportés des bassins versants ont presque toujours négligé le rôle de la végétation, notamment en terme de recyclage. Il apparait donc de première importance de travailler dans des zones forestières tropicales ou la végétation est particulièrement dense, relativement bien préservée et présente une grande biodiversité.

Etat de l'art:

Par le jeu du prélèvement, stockage et recyclage plus ou moins différé des éléments, le compartiment biosphère exerce une forte influence sur les cycles des éléments majeurs (C, N, K, Si), mineurs (Fe) et traces (Zn, Cu) à l’échelle des bassins versants [Chadwick et al., 1999 ; Lucas, 2001]. Un des résultats récents en domaine tropical indique qu’une part importante (>80%) des flux élémentaires (Ca, Mg, Si, K) exportés par les cours d’eau ne provient pas directement de l’altération mais a transité par la végétation [Riotte et al., 2009]. Toutefois, l’estimation dans les rivières des flux d’éléments issus du recyclage par la végétation demeure très complexe. En effet, les éléments issus de la dégradation de la litière passent en solution et sont alors difficilement dissociables des éléments solubles provenant des autres sources (minéraux primaires et secondaires des roches et des sols, apports atmosphériques). Parmi les outils géochimiques, l’utilisation récente des fractionnements des isotopes stables des métaux (Fe, Zn, Cu,…) a montré des résultats encourageants quand à leur capacité à signer certains mécanismes biologiques tels que l’incorporation par le végétal (isotopes de Zn, Cu ; Viers et al., 2007), l’activité microbienne (isotopes de Fe ; Beard et al., 2003). L’utilisation des isotopes de la silice a permis de mettre en évidence les contributions des différents compartiments (incluant la végétation) à l’exportation des éléments en domaine tropical [Riotte, in prep].

Objectifs:

Les forêts et les zones humides tropicales sont des environnements d’étude particulièrement adaptés pour s’intéresser au rôle de la végétation sur le cycle hydrologique et les cycles biogéochimiques car elles sont caractérisées par une forte dégradation de la matière organique (MO) et un intense recyclage, mécanismes où le compartiment biosphère joue un rôle central, en particulier dans les transferts élémentaires. Le compartiment « biosphère » doit y être abordé globalement, en y incluant la litière dont la contribution est encore mal documentée. Il paraît donc pertinent de centrer les actions de recherche sur un certains nombre d’éléments clefs : Fe, Zn, Cu et Si.

Les objectifs sont de répondre aux questions suivantes :

  1. Quels sont les mécanismes de mobilisation de Fe, Zn, Cu et Si dans les sols ? Est-il possible de discriminer entre la part recyclée par la biologie et la contribution de l’altération minérale et des différentes contributions hydrologiques du bassin versant ?
  2. Quel est l’impact des variabilités saisonnières et interannuelles des apports de carbone organique dissous et particulaire vers les zones de dégradation ?
  3. Quelle est la contribution de chaque source ou mécanisme à la quantité et à la signature isotopique de Fe, Zn, Cu et Si quittant le bassin versant via la rivière ?

Ces actions de recherche devront être soutenues par un effort important visant à documenter le contrôle que la variabilité du cycle hydrologique exerce sur les transferts et l’exportation des éléments d’intérêt.

Démarches/méthodes:

Les objectifs de recherche exposés ci-dessus ne peuvent être atteints que dans le cadre d’une recherche pluridisciplinaire alliant géochimie, minéralogie, hydrologie, écologie et couplant des approches in situ, expérimentales et de modélisation. Les compartiments pris en compte seront : litière et pluviolessivats, sols (phase solide et solution), nappes, ruisseau. Les bassins versants tropicaux humides forestiers sont caractérisés par des environnements géochimiques et hydrologiques contrastés : versants à couverture latéritique épaisse et bas-fonds marécageux à sols hydromorphes. Nous proposons de travailler à la fois sur ces deux types d’environnement pour intégrer la variété des processus pédologiques. Les actions spécifiques proposées sont les suivantes :

  1. Documenter la dynamique de la végétation à l’échelle du bassin versant, i.e. quantifier la litière produite annuellement, et les bilans Fe, Zn, Cu et Si associés
  2. Documenter les signatures isotopiques des éléments représentatifs de chaque compartiment, et en particulier pour Si documenter dans quelle mesure les variations de concentration de Si amorphe (produite par la végétation) sont associées à celles de la composition isotopique (δ30Si) de cet élément.
  3. Quantification des flux ayant transité par la végétation sera calculée à l’exutoire du bassin versant par inversion de la chimie de l’eau du ruisseau au moyen de la méthode End-Member Mixing Analysis (EMMA). Cette méthode de décomposition d’hydrogramme de crue et annuel permet de résoudre des problèmes surdéterminés au moyen d’une  transformation des données en composantes principales.
  4. Utilisation du modèle d’altération WITCH [Godderis et al., 2006] sur une géométrie 1D verticale pour le silicium dans un premier temps. Le modèle devrait produire un profil de la composition élémentaire et isotopique le long du profil d’altération. Les résultats obtenus seront comparées aux données sur les solutions de sol en surface (jusqu’à 60 cm) et dans la nappe (ou le ruisseau qui est alimenté par celle-ci). Nous pourrons alors évaluer  l’importance relative des processus biosphériques et minéralogiques sur le cycle du silicium. De manière plus exploratoire, la même démarche pourra être mise en place pour Fe, Zn et Cu

Sites / instruments

Le site envisagé pour mener à bien ces actions de recherche est le bassin versant expérimental (BVE) du Mengong à Nsimi-Zoétélé, situé à 120 km au SSE de Yaoundé, qui fait l’objet d’un suivi régulier (pluviométrie, hydrologie, hydrochimie) depuis l’année 1998. Les études sont actuellement menées dans le cadre du projet ORE-BVET (http://bvet.omp.obsmip. fr/index.php/fre/) du Ministère Français de la Coopération, en partenariat entre l’IRD, l’IRGM-CRH et l’Université de Yaoundé I au Cameroun. Ce bassin est équipé de bacs à litière pour réaliser des suivis de flux de litière.

Résultats attendus:

Par l’étude des processus d’échange entre les sols et leurs solutions, les eaux et les végétaux (litière, pluviolessivats) nous comptons apporter une meilleure connaissance du cycle des éléments tels que Zn, Cu, Fe et Si en domaine tropical forestier.

Plus particulièrement :

  1. Documentation des signatures isotopiques des différents compartiments mis en jeu dans le cycle des éléments cités ci-dessus à l’échelle d’un bassin versant, avec en particulier la litière et les pluviolessivats de plantes tropicales peu ou pas documentées dans la littérature
  2. Effet de l’hydromorphie des sols sur le fractionnement et le transfert de silicium ;

Quantification des flux dissous et particulaires ayant transité par la végétation à l’exutoire du BVE

Références fiche:

Beard, B.L., Johnson, C.M., Skulan, J.L., Nealson, K.H., Cox, L., Sun, H. (2003) Application of Fe isotopes to tracing the geochemical and biological cycling of Fe. Chem. Geol. , 195, 87-117.

Chadwick, O. A., Derry, L. A., Vitousek, P. M., Huebert, B. J., Hedin, L. O. (1999) Changing sources of nutrients during four million years of ecosystem development. Nature , 397, 491-497.

Godderis, Y., François, L. M. Probst, A., Schott, J., Moncoulon, D., Labat, D., Viville, D. (2006) Modelling weathering processes at the catchment scale: The WITCH numerical model. Geochim. Cosmochim. Acta , 70,1128-1147

Lucas, Y. (2001) The role of plant in controlling rates and products of weathering: importance of biological pumping. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. , 29, 135-163.

Riotte J., Maréchal J-C., Akerman A., Audry S., Oliva P., Ruiz L., Fraisse F., Pokrovsky O., Lagane C., Muddu S., Braun J-J. (2009) Influence of Vegetation on Chemical Fluxes in a Tropical Watershed: Mule Hole, South India. 19th annual Goldschmidt conference , Davos, Switzerland, June 2010. Geochim. Cosmochim. Acta  73, Issue 13, Supplement 1, Pages A1-A1590.

Viers J., Oliva P., Sonke J., Nonell A., Freydier R., Gainville R., Dupré B., (2007) Evidence of Zn isotopic fractionation in a soil-plant-system of a pristine tropical watershed (Nsimi, south Cameroon). Chem. Geol. , 239, 124-137.