Plant-availability of calcium, magnesium and potassium in forest soils : Quantifying, tracing and characterizing plant-available sources by stable isotopic dilution (⁴⁴Ca, ²⁶Mg and ⁴¹K) | Biodisponibilité du calcium, magnésium et potassium dans les sols forestiers : Quantification, traçage et caractérisation des sources biodisponibles par dilution isotopique stable (⁴⁴Ca, ²⁶Mg et ⁴¹K)

français. Les pools biodisponibles de calcium, magnésium et potassium sont considérés comme étant stocké dans les sols sous forme de cations échangeables adsorbés sur le complexe d’échange cationique et extractible avec une solution saline concentrée (e.g. NH₄⁺, Ba²⁺). Dans de nombreux écosystèmes forestiers, malgré des pools échangeables très faibles, les peuplements ne montrent aucun symptôme de carence pour ces cations nutritifs. Les discordances entre les différentes méthodes de diagnostic de la fertilité chimique du sol suggèrent que les arbres accèdent à des sources de nutriments non-quantifiés par les analyses conventionnelles des sols. Dans le contexte des changements globaux, dans lequel le risque de dégradation sur le long terme de la fertilité chimique des sols forestiers est accru, l’identification et la quantification des sources biodisponibles de nutriments dans les sols est essentiel pour mieux comprendre le fonctionnement biogéochimique des écosystèmes forestiers et pour assurer la gestion durable de ces écosystèmes. L’objectif principal de ces travaux de thèse est d’identifier et quantifier les pools de Ca, Mg et K du sol qui contribuent directement aux réactions d’équilibre avec la solution du sol à travers une technique innovante de dilution isotopique utilisant les isotopes stables ⁴⁴Ca, ²⁶Mg et ⁴¹K. Pour cela, nous avons mesuré les pools isotopiquement échangeables de Ca, Mg et K par dilution isotopique de 177 échantillons individuels de sol provenant de 26 sites couvrant des conditions pédoclimatiques et de couvert forestiers différents. Les résultats ont mis en évidence que les pools source/puits du sol contribuant aux réactions d’équilibre avec la solution du sol ne se limitent pas à ceux mesurés par les méthodes conventionnelles d’analyses de sol. Les pools isotopiquement échangeables étaient supérieurs aux pools échangeables conventionnels pour 81%, 87% et 90% des échantillons respectivement pour le Ca, Mg et K. Ces pools additionnels pouvaient représenter, dans de nombreux cas, plus de 50% du pool quantifié par la méthode conventionnelle. Bien que les pools isotopiquement échangeables de Ca, Mg et K soient majoritairement constitués de Ca, Mg et K échangeables extractible par l’ion NH₄⁺, les résultats ont montré que du Ca, Mg et K contenus dans des phases du sol extractibles par un acide fort (HNO₃) contribuent également aux réactions d’équilibre avec la solution du sol. Ces pools disponibles sont associés à des minéraux secondaires amorphes et mal cristallisés en interactions avec les matières organiques du sol pour le Ca et à des sites spécifiques de K des phyllosilicates ainsi qu’à des phases aluminosilicatés amorphes pour le K. L’étude de l’évolution des propriétés physico-chimiques conventionnelles et des pools isotopiquement échangeables de Ca, Mg et K sur 11 sites du réseau RENECOFOR entre deux campagnes d’échantillonnage du sol à 15 ans d’intervalle a mis en évidence que les pools isotopiquement échangeables sont très dynamiques et jouent un rôle en tamponnant la biodisponibilité des cations nutritifs dans le sol.

anglais. The plant available pools of calcium, magnesium and potassium are commonly assumed to be stored in the soil as exchangeable cations adsorbed on the cationic exchange capacity and extractible with a concentrated salt reagent (e.g. NH₄⁺, Ba²⁺). Many forest ecosystems have low to very low exchangeable pools of nutrient cations in the soil yet they show no nutrient deficiency symptoms. The discrepancies between different soil chemical fertility diagnosis approaches suggest that trees access nutrient resources that are not currently taken into account by conventional soil analysis methods. In the context of global change, the degradation of the chemical fertility of forest soils is a major concern. Identifying and quantifying the plant-available resources of nutrients in the soil is thus essential to better understand the biogeochemical functioning of forest ecosystems and ensure their sustainable management. The main objective of this PhD research is to identify and quantify the pools of Ca, Mg and K that contribute directly to the geochemical equilibrium processes between the soil and the solution with an innovative approach: ⁴⁴Ca, ²⁶Mg and ⁴¹K stable isotopic dilution. The isotopically exchangeable pools of Ca, Mg and K were measured by isotopic dilution in 177 individual soil samples from 26 sites covering a wide range of climatic, soil and forest cover contexts. The results demonstrate that the source/sink pool of the soil (pool in geochemical equilibrium with the soil solution, i.e. isotopically exchangeable pool) was not solely composed of the exchangeable pools measured by conventional soil analysis methods. The isotopically exchangeable pools were greater than the conventional exchangeable pools for 81%, 87% and 90% of the analyzed samples respectively for Ca, Mg and K. The additional pools of Ca, Mg and K in many cases were greater than 50% of their respective conventional exchangeable pool. Although the isotopically exchangeable pools are mainly composed of Ca, Mg and K extractible with an NH₄⁺ reagent, results show that Ca, Mg and K contained in soil phases extractible with a strong acid (HNO₃) also contribute directly to equilibrium processes between the soil and the solution. These available pools that are not currently accounted for by conventional soil analysis methods, are likely associated to amorphous and poorly crystalline secondary minerals in interaction with organic compounds for Ca and to K-specific sites in phyllosilicates and/or amorphous aluminosilicates for K. Comparing the changes in conventional physical and chemical soil properties and isotopically exchangeable pools of Mg, Ca and K at 11 sites of the RENECOFOR network between two sampling dates 11 years apart enabled to demonstrate that the isotopically exchangeable pools are very dynamic and play an active role in buffering the plant-availability of nutrient cations in the soil.