Intercropping with a nitrogen fixer in a production forest : Forestry and environmental evaluations of the itinerary using in situ long term experiments in the Landes de Gascogne region | Evaluations sylvicole et environnementale d’un itinéraire forestier incluant la culture d’un sous-bois fixateur d’azote : Expérimentations in situ de longue durée dans les Landes de Gascogne

English. The increase in extraction of biomass from cultivated forests could negatively affect soil fertility because of high nutrient exportations. Nitrogen, an essential nutrient, is one of the most limiting factors for global forest growth. Therefore, soil nitrogen availability plays a key role in the stability or the increase in forest productivity, and suggests that fertilisation would be a necessary practice. However, in order to avoid the environmental concerns associated with the use of chemical fertilisers, an alternative coming from agroecology could integrate nitrogen-fixing species into the cropping system. This ecological option was successfully applied in forestry in mixed tree plantations associating nitrogen-fixing trees with non-fixing trees. Nevertheless, the innovating technic using nitrogen-fixing shrubs as an intercrop in forestry has to be further studied. The overarching objective of the thesis consists in improving our knowledges about the functioning of intensively managed forest ecosystems including fixing species in oligotrophic soil. To do that, we studied biotic interactions and nutriments biochemical cycles in a young maritime pine plantation (production tree), intercropped with European gorse (nitrogen-fixing species), in the Landes de Gascogne region (SW of France). We also assessed whether a gorse intercropping could maintain or increase the forest production in this forest range. Several forest trials, corresponding to various growth stages of the tested forest itinerary, were conducted in the field with conventional itineraries. Results showed that gorse understorey growth increases both light and water competition with pine. Light competition occurs in the first three to four years after trial installation, with for pine a preferential growth allocation to stem height, at the expense of diameter growth. Competition for water occurs prior to four to five years, with an increase in pine mortality and a decrease in pine water potentials during drought events in summer. However, the pine nitrogen content is increased and competition for soil nutrients, such as phosphorus, is absent throughout this time. After understorey crushing, carried out around five to six years, pines recover the production delay in two years. This is due both to an alleviation of the interspecific competition from the gorse and to a lasting nitrogen fertiliser effect, sustained by the mineralisation of crushed gorse plant material. More precisely, this mixing technique promotes nitrogen fertility and carbon storage in soil, without subsequent nitrate pollution. Further studies will be needed to show a possible gain for forestry production in the longer term. At a local scale, we recommend managers to delay the first understorey control in the case of an abundant gorse understorey. Trials in similar ecosystems could create new opportunities to apply this fertilisation technique in other forest regions.

French. L’extraction croissante de la biomasse des forêts cultivées peut impacter la fertilité des sols, par des exports soutenus de nutriments. Parmi eux, l’azote est l’un des éléments qui limitent le plus la croissance des forêts dans le monde. La disponibilité en azote joue donc un rôle clé dans le maintien ou l’augmentation de la productivité sylvicole, et fait ainsi apparaître la fertilisation comme une pratique potentiellement utile. Pour se prémunir des effets néfastes de la fertilisation chimique sur l’environnement, il est un usage alternatif issu de l’agroécologie, qui consiste à intégrer des espèces fixatrices d’azote dans les cultures. Cette solution écologique a été éprouvée avec de nombreux succès en peuplements mixtes forestiers combinant des arbres fixateurs et non-fixateurs. Cependant, l’usage d’un sous-bois fixateur au sein d’un peuplement forestier relève encore aujourd’hui de l’innovation technique et reste ainsi largement à étudier. L’objectif général de la thèse était d’enrichir nos onnaissances sur le fonctionnement d’un écosystème forestier intensivement géré en milieu oligotrophe qui inclue l’utilisation d’un sous-bois fixateur d’azote. Nous nous sommes pour cela concentrés sur l’étude des interactions biotiques et des cycles biogéochimiques des nutriments dans une jeune culture de pins maritimes (essence de production) en forêt des Landes de Gascogne, dont le sous-bois a été cultivé en ajoncs d’Europe (plante fixatrice). Nous nous sommes parallèlement appliqué à déterminer si localement la culture du sous-bois pouvait maintenir, voire augmenter la production forestière. Des essais forestiers, correspondant à différents stades d’avancement de l’itinéraire sylvicole testé, ont été conduits en plein champ avec des itinéraires conventionnels. Dans un premier temps, la culture du sous-bois de légumineuses augmente la compétition pour la lumière et l’eau sur les arbres. Avant l’âge de 3–4 ans, la compétition pour la lumière conduit les pins à une allocation préférentielle de la croissance pour la hauteur de tige, aux dépends de la croissance en diamètre. Avant 4–5 ans, la compétition pour la ressource en eau augmente la mortalité des pins, et diminue leur potentiel hydrique et leur conductance stomatique lors des épisodes de sécheresses estivales. Cependant, la nutrition en azote des pins est améliorée et aucune compétition pour les nutriments, tel que le phosphore, n’est visible. Suite au broyage du sous-bois, intervenant aux alentours de 5–6 ans, les pins compensent la perte de production sur 2 ans, grâce à la levée de la compétition interspécifique et à une fertilisation continue en azote, soutenue par la minéralisation du broyat d’ajonc. Plus généralement, la conduite de l’itinéraire sylvicole améliore la fertilité en azote et le stockage en carbone du sol, et aucune pollution en nitrate n’est à déplorer. La poursuite des études en cours sera nécessaire pour mettre en évidence un éventuel gain de production sylvicole à plus long terme. Localement, nous recommanderions aux gestionnaires forestiers, dans le cas où l’ajonc serait présent en quantité importante, de retarder de quelques années le premier broyage du sous-bois. Des essais dans des écosystèmes comparables pourraient ouvrir de nouvelles possibilités d’application vers d’autres régions forestières et permettre la poursuite des recherches sur le fonctionnement écologique des associations sylvicoles avec des sous-bois fixateurs d’azote.