Nitrogen deposition and nitrification in coniferous forests’

English. The increased inorganic nitrogen (N) deposition in the last decades has become a major concern for the health of forest ecosystems. High anthropogenic N emissions, mainly from fossil fuel combustion and livestock agriculture, have resulted in both high gaseous concentrations and high deposition in rainfall and throughfall. In forest ecosystem, where N is no longer limiting to primary production due to high inputs, the excess N is thought to be related to forest decline and a concept of ‘N saturation ‘ has been developed. In particular, N in the form of NH4, in excess to plant and microbial demands could lead to soil acidification if nitrified in the soil and leached, causing loss of base cations or mobilisation of phytotoxic aluminium. Nutrient imbalances due to high soil solution NH4/cation ratios or damaged root systems may also occur. The fate of the incoming NH4 is central to determining the effects on the ecosystem, and is closely related to the controls of nitrification. Although this process has been intensely studied in pure cultures for some nitrifying bacteria, the organisms responsible and controlling factors in acid forest soils are still poorly understood. A better comprehension of the fate of NH4 deposition is necessary to determine ‘Critical Loads for N’, the threshold deposition not damaging to the ecosystem, which is used as a political tool for quantifying pollution limits. In this thesis, I focused on a) the effects of increased (NH4)2SO4 deposition on soil solution chemistry of six coniferous forest sites the presence of live roots, b) the impacts of (NH4)2SO4 deposition on Norway spruce (Picea abies [L.] Karst) and Scots pine (Pinus sylvestris L.) fine roots, and c) the controls of nitrification in an acid forest soil. The work was part of the CEC project ‘CORE’, investigating the effects of atmospheric pollution on nutrient turnover in soils. An identical field experiment was performed in six coniferous sites, situated in five European countries. Chronically increased NH4 deposition by 75 kg N ha-1 a-1 through (NH4)2SO4 application, demonstrated the contrasting responses of the different ecosystems. Soil solution concentrations and yearly ionic fluxes were analysed. (NH4)2SO4 treatment resulted in deposition of 79 to 93 kg N ha-1 a-1 at the different sites. In the two less acidic, clay/clay loam soils, only 6% of the added NH4 was lost through leaching. The two sandy soils lost up to 75% of the added NH4, and the two remaining sites lost ca. 25%. Leaching of added NH4 was thought to be related to soil physico-chemical characteristics, such as pH, C and N content and texture. NO3 leaching was increased at three sites, only 4-9 months after starting the (NH4)2SO4 treatment, with a maximum doubling of concentrations. One sandy soil failed to nitrify under any condition, and the other sandy soil showed high NO3 leaching under all treatments, but no increase due to increased N inputs. The presence of live roots reduced NO3 leaching in two sites, delaying the increase in soil solution NO3 concentrations in response to the (NH4)2SO4 deposition in one of them. In all nitrifying soils, soil solution NO3 concentrations were related to cation concentrations, with Al being the dominant cation in the more acid soils with low base saturation. This experiment demonstrated the importance of soil N storage capacity and nitrification potential in determining the consequences of increased NH4 deposition, and the strong relationship between NO3 and cation leaching. Ionic fluxes and soil solution chemistry were further analysed in one of the six sites (Grizedale, UK). In this Norway spruce stand on clay soil, NO3 fluxes were increased by increased (NH4)2SO4 deposition, and mainly balanced by increased Al losses. This soil had a pHH2O around 3.6, and was characterised by over 90% of the exchange complex being occupied by Al. Independent of treatment, soil solution changed from Ca to Al leaching during the 18 month field experiment, with a decrease in soil solution pH from 4.9 to 3.8. At the end of the experiment, soil solution Al concentrations were higher for the (NH4)2SO4 treatments. It was suggested that nitrification had caused the pH decrease, with a further lowering of the base saturation, linked to a abrupt increase in soil solution Al concentrations. The impacts of increased (NH4)2SO4 deposition and soil characteristics on Norway spruce root biomass and vitality, and on Norway spruce and Scots pine fine root chemistry, were investigated with an ingrowth core technique. The same experiment was performed in a Norway spruce stand on clay soil (Grizedale, UK) and a Scots pine stand on sandy soil (Wekerom, NL), using soil from each of the two sites. For Norway spruce, root biomass and numbers of fine root tips were higher in the organic than in the mineral horizon of the clay and sandy soils. This was related to higher fine root Al and lower Ca contents in the mineral horizon. Root biomass and the proportion of dead roots were higher in the clay soil, compared to the sandy soil, with higher root Al contents, despite lower soil solution Al concentrations than in the sandy soil. For Norway spruce, a negative correlation between root biomass and fine root Al content was established. Enhanced N deposition caused an increase in the total number of root tips and in the proportion of dead roots in the sandy soil. Effects of increased (NH4)2SO4 deposition on root biomass were not significant for the clay soil, yet caused increased fine root N content in the organic horizon for both species. Scots pine fine roots also showed higher Al and lower Ca contents in the mineral horizon. (NH4)2SO4 treatment caused increased fine root Al content and a decreased Mg/Al ratio in the mineral layer of the sandy soil, with opposite effects in the clay soil. This (NH4)2SO4 treatment effect in the sandy soil for Scots pine was the only indication of a potential adverse effect of (NH4)2SO4 deposition on fine roots. Results demonstrated the dominant importance of inherent soil characteristics and the stratification into soil horizons on fine root growth and chemical composition. The effects of temperature, throughfall volume and NH4 deposition on soil solution NO3 concentrations, N2O emissions and numbers of NH4 oxidisers were investigated for the Grizedale soil in a controlled laboratory experiment. Multiple regression and surface response analysis revealed temperature as the most important factor, with an optimum for NO3 leaching and numbers of NH4 oxidisers in the mineral horizon at 11°C. Volume acted independently of temperature with a minimum at 870 mm throughfall 2 weeks-1. The relatively low optimum temperature compared to other studies was explained by the minimum disturbance of the soil in the current study. NO3 fluxes increased quadratically with throughfall volume. N2O fluxes increased quadratically with temperature and throughfall volume, and showed high variability. It was suggested that the temperature optimum for net nitrification depended on the physico-chemical characteristics of the soil and on the activity of decomposers, by competition for O2 and NH4. Optimum temperatures may have been overestimated in previous studies using disturbed soils. The regression model for NO3 leaching derived from the laboratory experiment was applied to data from the previous field experiment and tested with different time intervals for temperature input parameters. A model including two-monthly mean temperatures yielded the best fit between measured and simulated values, as determined by correlation and minimum sum of squared residuals. Simulated NO3 leaching was over-estimated in the second part of the field study. The good correspondence between field temperature frequency distribution and the optimum temperature determined by the regression model, as well as the high correlation between measured and simulated values, demonstrated the adequacy of a quadratic model with a relatively low temperature optimum to describe field NO3 leaching, determined for the same soil with an identical sampling design.

French. L’augmentation des dépôts d’azote inorganique (N) au cours dernières décennies est un souci majeur pour la santé de nos écosystèmes forestiers. Les concentrations élevées dans l’atmosphère et les dépôts importants par la pluie et les pluviolessivats proviennent essentiellement des émissions de N d’origine anthropique, principalement de l’agriculture et de la combustion des réserves fossiles. Ainsi, le concept de la saturation en azote a été développé pour les écosystèmes forestiers où, à cause des dépôts élevés, l’azote n’est plus un facteur limitant pour la production primaire, et où l’excès de N est supposé lié au dépérissement forestier. En particulier, le NH4 qui se trouve en surplus par rapport aux besoins des plantes et des micro-organismes peut être nitrifié et lessivé et ainsi engendrer une acidification du sol, une perte en cations basiques et une mobilisation de l’aluminium phytotoxique. Des déséquilibres nutritionnels causés par un rapport élevé NH4/cations dans la solution du sol ou des dommages au système racinaire pourraient en résulter. Le devenir du NH4 détermine donc les effets sur l’écosystème et son sort est étroitement lié aux contrôles du processus de nitrification. Malgré des études intensives en cultures pures de certaines bactéries nitrifiantes, les organismes responsables de la nitrification et leurs facteurs de contrôle sont mal connus dans les sols forestiers acides. La détermination des ‘charges critiques pour l’azote’, c’est à dire, la quantité de dépôt maximale acceptable n’endommageant pas l’écosystème, est utilisée comme outil politique pour quantifier les limites de pollution. Elle nécessite cependant une meilleure compréhension du devenir du NH4 apporté par la pluie dans les sols. Dans cette thèse, j’ai focalisé mon attention sur les effets d’une augmentation du dépôt azoté, sous forme de (NH4)2SO4, a) sur la composition chimique de la solution du sol dans six sites forestiers de conifères en présence d’un système racinaire vivant, b) sur les impacts du dépôt de (NH4)2SO4 sur les racines de l’épicéa commun (Picea abies [L.] Karst.) et du pin sylvestre (Pinus sylvestris L.), et c) sur les contrôles de la nitrification dans un sol forestier acide. Cette recherche s’insérait dans le cadre général du projet ‘CORE’ (CCE), étudiant les effets de la pollution atmosphérique sur le cycle des éléments nutritifs dans les sols forestiers. Une expérience de terrain identique a été mise en place dans six plantations de conifères, situés dans cinq pays européens. L’enrichissement régulier de la pluie locale par une solution de (NH4)2SO4 (75 kg N ha-1 a-1) a résulté en un dépôt de 79 à 93 kg N ha-1 a-1 dans les différents sites et a engendré des réponses distinctes dans les six sols. Les concentrations de la solution du sol, ainsi que les flux ioniques annuels ont été analysés. Dans les deux sols les moins acides, argileux et limono-argileux, seulement 6% du NH4 ajouté ont été perdus par lessivage. Les deux sols sableux ont perdu 75 % du NH4 ajouté, et les deux autres sites environ 25%. On suppose que le lessivage du NH4 ajouté est lié aux caractéristiques physico-chimiques du sol, comme le pH, le contenu en C et N, et la texture. Le lessivage de NO3 a été, au maximum, doublé dans trois sites, 4-9 mois après le début du traitement. Un des sols sableux n’a jamais nitrifié, alors que l’autre montrait un lessivage de NO3 élevé, quel que soit le traitement, et sans être influencé par l’apport de (NH4)2SO4. Le lessivage de NO3 a été réduit par la présence de racines vivantes dans deux sites, retardant l’augmentation du NO3 due à la présence de (NH4)2SO4 dans l’un d’eux. La concentration de la solution du sol en NO3 était lié à la concentration en cations dans tous les sites nitrifiants, avec une dominance de Al dans les sols acides ayant une saturation en bases faible. L’expérience a démontré une forte corrélation entre le lessivage de NO3 et de cations. Il apparaît donc que, pour déterminer les conséquences d’une augmentation du dépôt azoté, il est important de connaître la capacité de stockage du sol en N et son potentiel de nitrification. L’étude des flux ioniques et de la solution du sol a été approfondie dans l’un des six sites (Grizedale, UK). Dans cette plantation d’épicéa commun sur sol argileux, les flux en NO3 ont été augmentés par l’apport de (NH4)2SO4, et accompagnés par des pertes en Al. Le pH de ce sol se situait autour de 3.6 et le complexe d’échange était saturé à plus de 90% par Al. L’analyse de la solution du sol a révélé que, pendant les 18 mois de traitement, le lessivage du sol en Ca était remplacé par un lessivage en Al et cela indépendamment du traitement. En même temps, le pH diminuait de 4.9 à 3.8. A la fin de l’expérience, la concentration de la solution du sol en Al était plus élevée pour les traitements au (NH4)2SO4. La diminution du pH serait provoquée par la nitrification, et s’accompagnerait d’une diminution du taux de saturation en bases, liée à une augmentation brusque des concentrations de la solution du sol en Al. Les impacts d’une augmentation du dépôt de (NH4)2SO4 et des caractéristiques du sol ont ensuite été étudiés sur la biomasse et la vitalité des racines de l’épicéa commun, ainsi que sur la composition chimique des racines fines de l’épicéa commun et de pin sylvestre par la technique de ‘ingrowth cores’. Le même schéma expérimental a été suivi dans une plantation d’épicéa commun sur sol argileux (Grizedale, UK) et dans une plantation de pin sylvestre sur sol sableux (Wekerom, NL), en utilisant les deux types de sol dans chaque site. Pour l’épicéa, la biomasse racinaire et le nombre de pointes de racines fines étaient plus élevés dans l’horizon organique que dans l’horizon minéral des sols argileux et sableux. Ceci était lié à une concentration en Al plus élevée et une concentration en Ca plus faible dans les racines de l’horizon minéral. Malgré une concentration en Al dans la solution du sol plus faible dans le sol argileux, les concentrations en Al des racines y étaient plus élevées, avec une biomasse racinaire totale et une proportion de racines mortes plus élevées. Cependant, une relation négative entre la biomasse racinaire et le contenu des racines fines en Al a été montrée chez l’épicéa commun. Le dépôt de (NH4)2SO4 a provoqué une augmentation du nombre de pointes racinaires et de la proportion en racine mortes dans le sol sableux. Les effets du (NH4)2SO4 sur la biomasse des racines n’étaient pas significatifs dans le sol argileux. Ils ont cependant induit une augmentation du contenu en N dans les racines de l’horizon organique des deux espèces dans le sol argileux. Les racines du pin sylvestre de l’horizon minéral montraient également une augmentation de la concentration en Al et une diminution de la concentration en Ca. Le traitement (NH4)2SO4 a conduit à une augmentation du contenu en Al et une diminution du rapport Mg/Al dans l’horizon minéral du sol sableux, et à des effets opposés dans le sol argileux. Cet effet pour le pin sylvestre dans le sol sableux était la seule indication d’un effet négatif du dépôt de (NH4)2SO4 sur les racines fines. Les résultats ont démontré l’importance dominante des caractéristiques du sol et de la stratification en horizons sur la croissance de racines fines et sur leur composition chimique. Les effets de la température, du volume de pluviolessivats et du dépôt de NH4 sur les concentrations en NO3 de la solution du sol, les émissions de N2O et le nombre de bactéries oxydant le NH4 ont été étudiés pour le sol de Grizedale par une expérience en laboratoire, en conditions contrôlées. L’analyse des résultats a montré que la température était le facteur majeur, avec un optimum, à 11°C, pour le lessivage de NO3 et le nombre de bactéries, dans l’horizon minéral, oxydant le NH4. L’influence du volume était indépendante de la température, avec un lessivage minimum à 870 mm de pluie par 2 semaines. Les flux de NO3 augmentaient de manière quadratique avec le volume des pluviolessivats. Les flux de N2O augmentaient de manière quadratique avec la température et le volume des pluviolessivats. Il a été suggéré que l’optimum de température pour la nitrification nette dépendait des caractéristiques physico-chimiques du sol et d’une limitation en O2 résultant de l’activité des décomposeurs, et que l’optimum de température a été surestimé dans des études précédentes utilisant des sols manipulés. Le modèle de régression pour le lessivage de NO3 dérivé de l’expérience en laboratoire a été appliqué aux données de l’expérience de terrain décrite précédemment, et testé avec des pas de temps différents pour les données de température entrant dans le modèle. La meilleure correspondance entre les valeurs de NO3 mesurées et simulées, déterminée par corrélation et par la somme minimale des carrés des résidus, débouchait sur un modèle incluant la moyenne de la température calculée sur deux mois. Le lessivage en NO3 était surestimé par le modèle dans la deuxième partie de l’expérience de terrain. La bonne correspondance entre la distribution de fréquence des températures de terrain et l’optimum déterminé par le modèle, ainsi que la corrélation entre les valeurs mesurées et simulées, a démontré qu’un modèle quadratique avec un optimum de température relativement faible était adéquat pour décrire le lessivage de NO3 d’un sol forestier acide.