Evaluation of a new NMR sensor to measure water dynamics in-situ in forest agroecosystems | Evaluation d'un nouveau capteur RMN pour mesurer la dynamique de l'eau in situ dans les agrosystèmes forestiers

إنجليزي. Forests are considered to be one of the largest global carbon sinks. Carbon is sequestered via photosynthesis, which creates a coupling of water and carbon cycling at the level of the plant. However, climate change poses a significant threat to forest systems. Globally, forests are declining, with excess mortality being linked to drought. A key component to anticipating the impacts of climate change upon the forest carbon sink will be the development of a more profound understanding of tree water dynamics as carbon sequestration is linked to the uptake of water. Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is a useful tool to measure plant water dynamics as the method is sensitive to water, non-invasive, and direct. Moreover, the development of portable devices has created the possibility of taking measurements in-situ. While traditional NMR devices are often limited with regard to the size and shape of the sample that can be measured, unilateral magnets have been developed that remove this constraint. The objective of this thesis was to evaluate the interest of using a portable and unilateral NMR sensor to measure tree water dynamics. To this end, we tested its capacity to measure tree water content and to characterize hydric stress through two experimental campaigns. The goal of the first experiment was to determine if profiles, or the NMR signal as a function of measurement depth, were quantitative, permitting an estimation of the water quantity within the measurement zone, based upon the signal. We took profile measurements on 30 branches from different species and functional types over time as they dehydrated. Our work showed that there is a universal, linear relationship between the water quantity in the measurement zone and the NMR signal, allowing branch water content to be reliably predicted by the signal. We validated our model by taking profile measurements on in-situ trees growing naturally around the laboratory. The in-situ tree measurements were comparable to the values predicted by our model, indicating that our model could be applied to an in-situ context. The goal of the second experiment was to test the sensitivity of the NMR signal as an indicator of hydric stress. To this end, we took profile measurements on the trunks of potted trees during three months of drought stress. Ecophysiological measurements were taken in parallel, including core water content, shoot water potential, tree weight, electrical resistance, and trunk diameter. Our results showed that the signal is a reliable indicator of hydric stress as it was significantly correlated to the reference ecophysiological measurements. We also showed that the signal can be used to reconstruct xylem vulnerability curves. We compared an NMR-based vulnerability curve to a curve constructed using the cavitron technique. The P12 and P50 values from the NMR-based curve were comparable to the values resulting from the reference curve, indicating that NMR can be used as a non-destructive way to construct xylem vulnerability curves. In conclusion, this thesis work demonstrates that portable, unilateral NMR is sensitive enough to reliably detect tree water content, and to characterize drought stress over time. We show that measurements are quantitative, and that the signal is directly proportional to the water content in tree organs. Water content, measured with the signal, can then be used to obtain information on tree hydric status in the context of stress, such as critical thresholds with regard to hydraulic failure. As determining the hydric status of trees has traditionally involved invasive or destructive measurements, NMR-based methods offer a promising alternative to assess hydric status without damaging the tree. Combined with its portability and functional shape that can accommodate a variety of organs, the method presented in this work offers solutions to approach the reality of tree water dynamics in the field.

فرنسي. Les forêts sont considérées comme l'un des plus grands puits de carbone mondiaux. Le carbone est séquestré via la photosynthèse, qui crée un couplage entre le cycle de l'eau et celui du carbone au niveau de la plante. Cependant, le changement climatique constitue une menace importante pour les systèmes forestiers. À l'échelle mondiale, les forêts sont en déclin, avec une surmortalité liée à la sécheresse. Un élément clé pour anticiper les impacts du changement climatique sur le puits de carbone forestier sera le développement d'une compréhension plus approfondie de la dynamique hydrique des arbres, car la séquestration du carbone est liée à l'absorption d'eau.La résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil utile pour mesurer la dynamique hydrique des plantes car la méthode est sensible à l'eau, non invasive et directe. De plus, le développement d'appareils portables a créé la possibilité de prendre des mesures in situ. Alors que les appareils RMN traditionnels sont souvent limités en ce qui concerne la taille et la forme de l'échantillon pouvant être mesuré, des aimants unilatéraux ont été développés qui suppriment cette contrainte. L'objectif de cette thèse était d'évaluer l'intérêt d'utiliser un capteur RMN portable et unilatéral pour mesurer la dynamique hydrique des arbres. Pour cela, nous avons testé sa capacité à mesurer la teneur en eau des arbres et à caractériser le stress hydrique au travers de deux campagnes expérimentales.Le but de la première expérience était de déterminer si les profils, ou le signal RMN en fonction de la profondeur de mesure, étaient quantitatifs, permettant d'estimer la quantité d'eau dans la zone de mesure, en fonction du signal. Nous avons réalisé des mesures de profil sur 30 branches d'espèces et de types fonctionnels différents au cours du temps de leur déshydratation. Nos travaux ont montré qu'il existe une relation linéaire universelle entre la quantité d'eau dans la zone de mesure et le signal RMN, permettant de prédire de manière fiable la teneur en eau des branches par le signal. Nous avons validé notre modèle en réalisant des mesures de profil sur des arbres in situ poussant naturellement autour du laboratoire. Les mesures in situ sur les arbres étaient comparables aux valeurs prédites par notre modèle, indiquant que notre modèle pouvait être appliqué à un contexte in situ.Le but de la deuxième expérience était de tester la sensibilité du signal RMN comme indicateur de stress hydrique. Pour cela, nous avons réalisé des mesures de profil sur des troncs d'arbres en pots pendant trois mois de stress hydrique. Des mesures écophysiologiques ont été prises en parallèle, notamment la teneur en eau via des carottes, le potentiel hydrique, le poids de l'arbre, la résistance électrique et le diamètre du tronc. Nos résultats ont montré que le signal est un indicateur fiable du stress hydrique car il est significativement corrélé aux mesures écophysiologiques de référence. Nous avons également montré que le signal peut être utilisé pour reconstruire des courbes de vulnérabilité du xylème. Nous avons comparé une courbe de vulnérabilité basée sur la RMN à une courbe construite en utilisant la technique du cavitron. Les valeurs P12 et P50 de la courbe basée sur la RMN étaient comparables aux valeurs résultant de la courbe de référence, indiquant que la RMN peut être utilisée comme un moyen non destructif pour construire des courbes de vulnérabilité du xylème.En conclusion, ce travail de thèse démontre que la RMN unilatérale et portable est suffisamment sensible pour détecter de manière fiable la teneur en eau des arbres et pour caractériser le stress hydrique au fil du temps. Nous montrons que les mesures sont quantitatives et que le signal est directement proportionnel à la teneur en eau des organes de l'arbre. La teneur en eau, mesurée avec le signal, peut ensuite être utilisée pour obtenir des informations sur l'état hydrique des arbres dans un contexte de stress, comme les seuils critiques en matière de rupture hydraulique. La détermination de l'état hydrique des arbres impliquait traditionnellement des mesures invasives ou destructives, les méthodes basées sur la RMN offrent une alternative prometteuse pour évaluer l'état hydrique sans endommager l'arbre. Combinée à sa portabilité et à sa forme fonctionnelle pouvant accueillir une variété d'organes, la méthode présentée dans ce travail offre des solutions pour approcher la réalité de la dynamique hydrique des arbres sur le terrain.