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1

Propriétés des sols du socle Propriétés des sols du socle guyanais, et impacts sur le guyanais, et impacts sur le fonctionnement de la forêtfonctionnement de la forêt

Bruno FERRYBruno FERRY

FTH 2013FTH 2013

Plan

❚ Sol et modelé du relief

❚ Propriétés physiques des sols

❚ Fertilité chimique des sols

❚ Sol � cortège floristique

❚ Sol � dynamique, biomasse

Sols de Guyane Sol et modelé du relief

Géomorphologie

❚ Socle guyanais : très vieille surface �modelé typique sous climat tropical humide


Relation entre modelé et climat

Climat tropical à saisons contrastées � pentes concaves ou droites

Climat tropical humide sous forêt dense � pentes convexes

Bertrand (1998)


2

Brésil,

climat tropical subhumide*

Cameroun, climat tropical humide* Guyane, climat

tropical humide

Australie, climat tropical semi-

aride*

❚ Epaisseur croissante des sols et altérites, de la zone aride vers la zone humide

Epaisseur maximale des sols / climat

* Clichés de Ruellan & Dosso (1993)


Formation et érosion des sols

Nappe phréatique

Eau de surface

Roche mère

❚ Erosion chimique : l’eau s’infiltre, altère, solubilise, génère de la porosité.

❚ Le sol s’épaissit par le bas

❚ Erosion mécanique : l’eau ruisselle, emporte les particules fines, puis les éléments grossiers

❚ Le sol s’amincit (entailles) par le haut


Protection contre l’érosion

❚ Couvert végétal et litière limitent l’effet « splash » de la pluie

❚ Structure agrégée du sol � bonne porosité � bonne infiltration


micro- agrégat0,5 mm

macro- agrégat

Phot

o de

Bal

bin

oet

al.

(20

02

)

Enfoncement du sol et reliefs résiduels

❚ Enfoncement de la couverture pédologique dans le paysage

Tardy (1993)


1 mm/siècle

front d’altération

❚ Témoins de cet enfoncement : les inselbergs (granite particulièrement résistant à l’altération)

3

Variations du modelé

dénivelées

150 m

20 m

Roullier (1997)


Bauxite (40-50 Ma)200

160

120

80

40

00 200 400 600 800 1000 1200

alti

tude

(m)

distance au sol (m)

Cuirasses ferrugineuses (5-10 Ma)

traces de cuirassement

cuirasse ou bauxite massive

cuirasse ou bauxite démanteléetraces de cuirasse démantelée

Bauxites et cuirasses dans le paysage

D’après Paget (1999), Théveniaut et Freyssinet (2002)

Des horizons indurés très anciens, très riches en fer (cuirasses ferru-gineuses) ou en aluminium (bauxites), arment les sommets des reliefs


Grands types d’horizons

1

1

1

1 Roche altéréeStructure entièrement héritée de la roche mère.Limon et argile abondants.Couleurs très variées.

2

2

2

2 Domaine tacheté

Structures discordantes avec celles de la roche. Taches de taille cm à dm. Couleurs vives : jaune, rouge, blanc (noir).

3

3

3

3

Couleur de la terre fine uniforme par horizons, brun-jaune vif à blanc.Bonne perméabilité.

Domaine supérieur bioturbé

Ferry et al. (2003)


Grands types de sols

4 Sol très hydromorphe(gleysols)

3 Sol peu épais sur cuirasse(plinthosols)

1 Sol poreux épais (ferralsols)

4

4

3

3

2 Sol peu épais sur saprolite ou horizon tacheté(acrisols)

5 Sables blancs (podzols)

5 11

1

1

1

2

2

22


4

A retenir

❚ Relation forte entre modelé du paysage et séquence de sols que l'on peut rencontrer

❚ Toute cartographie des sols s'appuie sur une étude géomorphologique préliminaire


Plan






Sols de Guyane Propriétés physiques des sols

1 m

Texture SA à AS, structure

microagrégée, forte

perméabilité

Ex. de sol à drainage vertical libre

(Saut Lavillette, pente)

Ex. de sol à drainage latéral superficiel(route Petit Saut

pK3, pente)

Texture SA, structure

microagrégée, forte perméabilité

Texture LAS à LMS, pas de

microagrégats, faible perméabilité

Texture plus argileuse, pas de microagrégats,

très faible perméabilité

Epaisseur variable des horizons poreux

M. Desprez

B. Ferry


Hydromorphie permanente

Lendemain d’une pluie de 25 mm

Après 25 jours secs

Régimes hydriques selon les sols


Drainage vertical profond

Sabatier, Grimaldi et al. (1997) (simplifié)

Système de haut de pente

Drainage latéral

superficiel


5

Sols peu épais sur cuirasse

❚ Cuirasse massive affleurante ou à faible profondeur

❚ Faible réserve en eau, drainage ralenti

❚ Situation rare

M. Desprez

Bloc de cuirasse massive à faible profondeur

(Montagne Plomb, versant)


Sols gravillonnaires

❚ Drainage vertical libre

❚ Enracinement profond

M. Desprez

Sol gravillonnaire (Tibourou, versant)


❚ Forte abondance des éléments grossiers issus de cuirasse

❚ Sols poreux profonds, (si absence de cuirasse massive)

Sols très hydromorphes

❚ Couleur du sol sombre en surface

❚ Des espèces indicatrices❙ Euterpe

oleacera

❙ Rapatea paludosa

❚ Présence permanente d’une nappe d ’accompagnement du cours d ’eau --> critère de cartographie à Paracou


❚ Proximité d’un cours d’eau

Système de haut de pente

Drainage latéral

superficiel

Lendemain d’une pluie de 25 mm


Régimes hydriques



Sabatier, Grimaldi et al. (1997) (simplifié)

Hydromorphie permanente


6

Durées d’engorgement

❚ Très variable selon le régime d’alimentation en eau et le drainage

❚ Un cas extrême : les « flooded forests » du bassin amazonien : sols immergés pendant toute la saison des crues (plusieurs mois)


M. Desprez

Podzols (sables blancs)

❚ Morphologie :

❚ humus noir

❚ sable gris (blanc à sec) = quartz quasi pur

❚ horizons d’accumulation de la MO et du fer (compacts, peu perméables)

❚ Drainage libre dans le sable, mais souvent bloqué par l’horizon sous-jacent peu perméable

❚ Faible réserve en eau

Podzosol (Laussat, sommet)


Synthèse des contraintes physiques

❚ Anoxie due à l’engorgement hydrique prolongé : ❚ Bas-fonds (large gamme de niveaux de contrainte,

selon les conditions de drainage)

❚ Drainage latéral + topographie plane

❚ Faible réserve en eau : ❚ Sols poreux peu épais, à drainage latéral superficiel

❚ Podzosols


Plan






Sols de Guyane Fertilité chimique des sols

7

Eléments majeurs des solutions du sol

Mg2+ Ca2+ Na+K+ H+Al3+

NO3- PO4

3-

NH4+

OH-Cl-SO42-

Cations

Anions

Atm. Minéraux des roches Eau

Macronutriments Toxique

Char

ge +

/-

Origine

❚ Capacité du sol à stocker ces ions, sous forme accessible aux plantes ?


Capacité des sols à fixer les ions

Constituants du sol à charge électrique

(colloïdes)

Fe

+

++Al

+

+

+

-- Kaolinite

MO

-

--

--

-

-

+ +

---

-

-

--

---

Charge négative

Charge positive

CEC : capacité d'échange de cations

CEA : capacité d'échange d'anions

Immense majorité des cas : CEC >> CEA (sol = échangeur de cations)

CEA > CEC dans certains horizons profonds riches en gibbsite


Capacité d ’échange cationique

D’après Ferry et al. (1997)

❚ CEC très bien prédite par la teneur en carbone

0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5

Carbone (%)

CE

C (

me

/ 10

0 g

)

0-20 cm

20-40 cm

R2=0,86

Relation CEC - carbone

❚ CEC (MO) >> CEC (kaolinite)


Cations échangeables (Ca, Mg, K, Na)


❚ Cas général :❚ Sources : apport nul ou très faible de

l’altération, dépôts atmosphériques (?)

❚ Stockage : faible capacité (CEC), essentiellement portée par la MO

❚ Acidité du sol � cation dominant = Al3+

❚ Podzols :❚ Très faible CEC, car peu de MO

❚ Cation dominant = H+ (pas d’argile � pas d’Al)

8

Azote


❚ Cas général :❚ Sources : espèces fixatrices (légumineuses :

Papilionaceae > Mimosaceae > Cesalpinaceae) (Roggy, 1999)

❚ Conditions climatiques favorables à la microflore � assez bonne production de NH4

+ et de NO3-,

malgré l’acidité

❚ Podzols : ❚ Sable pur : habitat défavorable pour la

microflore � nutrition azotée moins bonne (indicateur : C/N élevé)

❚ Sols très engorgés❚ Anoxie � dénitrification � moins de nitrates

Phosphore


❚ Cas général :❚ Sources : phosphore retenu fortement par

oxydes de fer

❚ Très peu de phosphore assimilable � facteur limitant en milieu tropical humide

❚ Sols engorgés et podzols : ❚ Pas d’oxydes de fer � moins de P total, mais

plus de P assimilable

Phosphore assimilable

❚ Plus de phosphore assimilable dans les bas-fonds (car absence de fer pour le fixer fortement ?)

SL

AcaLau

MPMT

Baf

Tib

Phosphore assimilable (Olsen) / P total dans l'horizon de surface 0-20 cm

0

2

4

6

8

10

12

0 100 200 300 400 500 600 700

Phosphore total (mg/kg)

P as

sim

Ols

en (

mg/

kg)

Bas-fonds

❚ Pas de corrélation Passimilable / Ptotal � Ptotal = mauvais proxi


Synthèse des contraintes chimiques

❚ Faible fertilité, concentrée dans l’humus (recyclage des éléments libérés par la décomposition de la litière)

❚ Azote moins limitant qu’en milieu tempéré / phosphore plus limitant ❚ Cas un peu différents : podzols et sols très engorgés

Sols de Guyane Propriétés chimiques des sols

9

Plan






Sols de Guyane Sol � cortège floristique

Gradients floristiques / engorgement


❚ Nombreux cas d'espèces vicariantes (espèces proches, mais à écologie très différente)❚ Symphonia globulifera / S. sp1❚ Eperua falcata / E. grandiflora❚ Iryanthera hostmannii / I. sagotiana❚ Virola surinamensis / V. michelii

I. hostmanniI. sagotiana

SommetPenteBas de penteBas-fonds

Distribution de 2 espèces du genre Iryanthera dans une parcelle de

Paracou (Guyane)

❚ Bas-fonds hydromorphes / sols drainés d'interfluve � barrière nette / distribution des espèces

Germination / inondation

❚ Graines des espèces de forêt inondable � taux de flottaison et de germination en situation immergée très supérieurs

Taux moyen de flottaison (%)

Lopez (2001)

Habitat préféré des espèces

Forêt de terre ferme

Forêt inondable

Nb de jours dans l’eau

Taux moyen de germination (%)

Nb de jours dans l’eau

Expérience de germination de graines dans l’eau



❚ Bas-fonds plus ouverts, avec un cortège floristique plus héliophile, donc à bois plus léger

Interaction lumière x engorgement

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Densité du bois (g.cm-3)*** ***

0%

5%

10%

15%

20%

25%

Fréquence des héliophiles (%)

***

***


10

Drainage latéral vs vertical

❚ Exemple de 2 espèces aux préférences très affirmées vis-à-vis du drainage vertical / latéral

Sabatier, Grimaldi et al. (1997)

Sol profond à drainage vertical

Eschweilera parviflora Eperua falcata

Relations sol-végétation Distribution des espèces

❚ Majorité des espèces : tendance à préférer un type de drainage, mais pas tranchée

Diversité spécifique / paysage

Bas-fonds

Sols de plateau hydromorphes

❚ Moins de diversité sur les sols hydromorphes

Relation effectif - nb espèces

Sabatier et al. (1997)


❚ Modification du cortège floristique et réduction de la diversité α dans les milieux à forte contrainte en alimentation en eau (longue saison sèche) ou en aération du sol (sols hydromorphes)

Conclusions


Plan






Sols de Guyane Sol � dynamique, biomasse

11

Paget (1999)

Contrainte / alimentation en eau

Cuirasse affleurante

Cuirasse démantelée

Sol poreux épais

Saprolite superficielle

Saprolite profonde

30 40 50 602020

40

35

30

25

Diamètre dominant (cm)

Hau

teur

dom

inan

te (

m)

Hauteurs et diamètres dominants très inférieurs sur sol peu épais (saprolite ou cuirasse superficielle).

Cuirasse démantelée ~ sol profond

Montagne Plomb


Enracinement / drainage

❚ Distribution des racines entre 0 et 2 m de profondeur


Drainage latéral superficiel

Humbel (1978)

Les racines sont beaucoup plus concentrées en surface dans les sols à drainage latéral superficiel

6%

5%

1,8%

0,6%


Dicorynia guianensis Eperua falcata


Drainage latéral

Drainage latéral

(les profondeurs de prospection correspondent à des arbres de diamètre à 1,3 m = 20-30 cm)


Ferry et al. (2001) - dessins de C. Atger

Relations sol-végétation Introduction

Enracinement / drainage Conclusion

❚ Forte limitation de l’alimentation en eau (sols superficiels) � diminution de la taille maximale des arbres� diminution de la biomasse

Sols de Guyane

❚ Mécanisme ?Croissance ralentie et/ou longévité réduite

Sol � dynamique, biomasse

12

Contrainte / engorgement

❚ Forte diminution de la biomasse aérienne du sommet vers le bas-fond (- 45%)


Bas-fond

PentePlateau Bas de

pente

Bas-fond

PentePlateau Bas de

pente

Bas-fond

PentePlateau Bas de

pente

050

100150200250300350400450

Biomasse aérienne (Mg.ha-1)***

***

*

Paracou

Ferry et al. (2010)

Dynamique

❚ Forte accélération du turnover et de la croissance diamétrique moyenne du sommet vers le bas-fond (+50%)

0.0%

0.2%

0.4%

0.6%

0.8%

1.0%

1.2%

1.4%

1.6%

Taux de mortalité

(% an-1)***

Taux de recrutement

(% an-1)

***

**

*


0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Croissance diamétrique

(mm.an-1)***

*** SommetPenteBas de penteBas-fonds

0.0%

0.1%

0.2%

0.3%

0.4%

0.5%

0.6%

Mort sur pied Chablisprimaire

Chablissecondaire

Taux de mortalité par type de mort(% an-1)

Comment meurent les arbres

❚ Du sommet vers le bas-fond :❚ Taux de mortalité sur pied invariant

❚ Taux de mortalité par chablis x 2

❚ Gradient plus fort pour les chablis secondaires

SommetPenteBas de penteBas-fonds**

*

**

**


❚ Engorgement des sols --> ancrage racinaire superficiel et sol « mou »--> moins de résistance au déracinement (Gale & Hall, 2001 ; Durrieu de Madron, 1994)

❚ Forte pente � houppiers asymétriques, plus développés vers l ’aval � probabilité de chute plus forte, et plutôt vers l ’aval (Robert, 2003) � plus de chablis secondaires en bas de toposéquence

Origines du gradient de mortalité (chablis)


13

Structure diamétrique par habitat

0.0%

0.1%

1.0%

10.0%

100.0%

10-2

0

20

-30

30

-40

40

-50

50

-60

60

-70

70

-80

80

-90

90

-10

0

100

-110

110

-12

0

Classes de diamètre (cm)

Nom

bre

d'a

rbre

s re

lati

f (%

)

Bas-fondsBas de pentePenteSommet

❚ L ’accélération de la mortalité par chablis induite par le milieu ne modifie pas la structure diamétrique

Structure diamétrique


Surface terrière

❚ Surface terrière nettement inférieure dans les bas-fonds

Bas-fonds

Piste de St Elie Paracou

Sabatier, Grimaldi et al. (1997)

Sur

face

ter

rièr

e (m

2/h

a)

05

10

1520

2530

3540



SommetPenteBas de penteBas-fond

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

20 30 40Surface terrière du voisinage (m2.ha-1)

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Fréquence des héliophiles (%)

Cro

issa

nce

diam

étriq

ue (

mm

.a-1

)

10 20 4052

Croissance / composition et compétition

Croissance diamétrique moyenne du peuplement

200175.0)(283.056.1)( NBAHelLndDLn ∗−∗+= R2 = 0.87

❚ Effet indirect du milieu sur la croissance :

milieu mortalitésurface terrière

fréquence héliophilescroissance


Hauteur totale / diamètre

Diamètre (cm)

10 20 50 100

Bas fond

Bas de pente

Plateau

10

20

30

Pente

Hau

teur

(m

)

Allométries hauteur-diamètre

H = αhabitat.Ln(D/10) + β

Ferry et al. (2010)

❚ Arbres plus trapus en bas de pente et encore plus en bas-fond

❚ Moins de concurrence � allocation plus faible à la croissance en hauteur


14

Liens de causalité

mortalité par chablis+

surface terrière

- lumière+

hauteur/diamètre

- fréquence héliophiles

+

densité bois-biomasse-

engorgement ou pente+

recrutement

croissance

+

+


Comparaison avec l’Amazonie

❚ Variabilité de la biomasse plus forte à l ’échelle locale qu’à l’échelle régionale

Malhi et al. (2006)

Biomasse aérienne des forêts non perturbées

Réduction surface terrière

par longue sècheresse

Plus d’espèces héliophiles à bois léger car milieu

plus instable 390

440

Habitats de Paracou

Réduction surface terrière et densité du bois et H/D car milieu plus instable


❚ Contrôle environnemental de la biomasse : importance du contrôle des mécanismes de mortalité

Conclusions


❚ Contrôle de la croissance par l’alimentation en eau (probable à Montagne Plomb) et la nutrition (biblio)

Balbino, L. C., A. Bruand, et al. (2002). "Changes in porosity and microaggregation in clayeyFerralsols of the Brazilian Cerrado on clearing for pasture." European Journal of Soil Science 53(2): 219-230.

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Bibliographie (1/3)Bibliographie (1/3)

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