Faculté des sciences

Ecosystem engineers’ contribution to soil structure formation in floodplains

Schomburg, Andreas ; Le Bayon, Claire (Dir.) ; Guenat, Claire (Codir.) ; Brunner, Philip (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2019.

Soil structure formation constitutes an extremely important process in near-natural and restored floodplains. A stable soil structure protects riverbanks from erosion and contributes to the preservation of ecosystem services. However, developing a soil structure in alluvial soils is difficult for several reasons. Extensive alluvial dynamics cause periodic waterlogging and continuously rejuvenate... More

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    Résumé
    La formation de la structure du sol est un processus primordial en zone alluviale semi-naturelle et revitalisée. Une structure du sol stable protège les berges de l’érosion et contribue à la préservation des services écosystémiques de ce type de milieux. Cependant, la mise en place de la structure des sols alluviaux est délicate pour plusieurs raisons. La dynamique alluviale très marquée engendre régulièrement des engorgements et rajeunit continuellement les sols au travers de dépôts de sédiments non consolidés, ce qui impacte les macroorganismes tels que les ingénieurs du sol. Les plantes et les vers de terre sont des organismes ingénieurs très performants capables de façonner une structure cohésive au moyen de macro-agrégats stables. Ces derniers peuvent contenir des teneurs conséquentes de matière organique, stabilisée par les particules minérales, ce qui contribue à sa séquestration dans le sol. Malgré son aspect crucial, le rôle des plantes et des vers de terre dans la mise en place de la structure du sol et la stabilisation de la matière organique au sein d’agrégats reste peu méconnu en zones alluviales. Plus particulièrement, l’influence de l’hydrologie à l’échelle du paysage ainsi que celle des paramètres physico-chimiques sur les plantes et les vers de terre est encore peu étudié, et notamment leur capacité à améliorer la stabilité structurale des sols alluviaux. De plus, les mécanismes de formation des macro-agrégats ainsi que la stabilisation de la matière organique par les plantes et/ou les vers de terre selon le type de sédiment est encore mal connu. Enfin, les connaissances manquent sur l’efficacité de ces acteurs dans la réalisation d’une structure stable à court terme, et sous l’effet d’une dynamique fluviale intense. Pour toutes ces raisons, une expérimentation en trois étapes a été menée afin : I) d’analyser la stabilité structurale des sols en fonction des plantes et des communautés lombriciennes, de l’hydrologie du milieu et des paramètres physicochimiques à l’échelle du terrain, II) de comprendre les mécanismes de formation des macro-agrégats et de la stabilisation de la MO au travers d’une étude en mésocosmes, à l’échelle des processus, en sélectionnant des ingénieurs du sol, à savoir la baldingère faux-roseau Phalaris arundinacea et un ver de terre endogé Allolobophora chlorotica. Ce chapitre a été divisé en deux parties, IIa) tester la pyrolyse Rock Eval pour discriminer les macro-agrégats issus de P. arundinacea et A. chlorotica, IIb) analyser les mécanismes de formation des macro-agrégats et de stabilisation de la MO lors d’une superposition de couches de différents matériaux minéraux et organiques, en simulant ainsi des sols alluviaux reconstitués en mésocomes. Dans le troisième chapitre, III) l’efficacité de P. arundinacea et des communautés lombriciennes à créer une structure du sol stable sur le court terme a été déterminée au sein d’un système expérimental semi-contrôlé, exposé à la dynamique alluviale naturelle in situ. La structure du sol a été analysée au moyen des indicateurs pédologiques traditionnels combinés à des techniques modernes d’imagerie. L’abondance des plantes a été démontrée comme étant drastiquement impactée par la fluctuation des niveaux d’eau, mais elle contribue toutefois très fortement à la stabilisation des horizons de surface. P. arundinacea a largement amélioré la structure du sol dans les dépôts sableux sur le court terme et a contribué à la fabrication de macro-agrégats stables en 8 semaines en mésocosmes. Sur le terrain, l’abondance des vers de terre n’est ni corrélée à la stabilité structurale des horizons de surface, ni à aucun des paramètres physico-chimiques ou fluctuations des niveaux d’eau. Cependant, les communautés lombriciennes, incluant A. chlorotica, ont amélioré la porosité su sol sur le court terme, mais la stabilité de leurs structures biogéniques n’a jamais augmenté, que ce soit en mésocosmes ou en conditions semi-naturelles. Toutefois, A. chlorotica augmente de manière efficace la stabilité thermique de la matière organique dans les macro-agrégats formés à partir de sédiments limoneux. Sur le long terme, les vers de terre, dont A. chlorotica, contribuent à la formation de la structure du sol et à la séquestration du carbone quand leurs structures biogéniques gagnent en stabilité avec le temps. Ces résultats laissent supposer des interactions entre plantes et vers de terre dans la formation des macro-agrégats, mais celles-ci n’ont pas été clairement établies avec les techniques utilisées. Les méthodes, qui ont permis de déterminer la formation de la structure du sol et la stabilisation de la MO, ont été très utiles mais les procédures standards nécessitent encore d’être définies pour notamment la préparation des échantillons et le traitement des données. En conclusion, les plantes et les vers de terre possèdent un grand potentiel pour favoriser la réussite des projets de revitalisation en zone alluviale, les plantes sur le court terme et les vers de terre sur un plus long terme.
    Summary
    Soil structure formation constitutes an extremely important process in near-natural and restored floodplains. A stable soil structure protects riverbanks from erosion and contributes to the preservation of ecosystem services. However, developing a soil structure in alluvial soils is difficult for several reasons. Extensive alluvial dynamics cause periodic waterlogging and continuously rejuvenate soils by the deposition of unconsolidated sediments which affect soil macro-organisms acting as soil engineers. Plants and earthworms are highly successful soil engineering organisms being able to build up a stable soil structure through the formation of stable macro-aggregates. Macro-aggregates may contain significant amounts of organic matter which can be efficiently stabilised through associations to mineral particles thus contributing to the sequestration of organic matter in the soil. Despite its importance, the role of plants and earthworms in soil structure formation in floodplain soils and in organic matter stabilisation in macro-aggregates is still poorly investigated. In particular, the influence of the landscape hydrology and soil physicochemical parameters on plants and earthworms and their capacity to improve the structural stability of floodplain soils are widely unexplored. Moreover, the mechanisms of macro-aggregate formation and organic matter stabilisation by plants and earthworms including interaction effects in different alluvial sediments are poorly understood. Third, little is known about the efficiency of plants and earthworms to create a stable soil structure in the short term under extensive alluvial dynamics. For this purpose, a three stage experiment was designed: I) analysing the structural stability of soils as a function of plant and earthworm communities, the landscape hydrology and soil physicochemical parameters at the field scale, II) understanding the mechanisms of macro-aggregate formation and OM stabilisation in mesocosms by means of two selected soil engineers, e.g. the red canary grass Phalaris arundinacea and the endogeic earthworm Allolobophora chlorotica. This chapter was divided in two parts, IIa) testing Rock-Eval pyrolysis to discriminate macro-aggregates formed by P. arundinacea and A. chlorotica and IIb) analysing the mechanisms of macro-aggregate formation and OM stabilisation for a succession of different mineral and organic layers similar to alluvial soils reconstructed in mesocosms. In the third chapter III), the efficiency of P. arundinacea and earthworm communities to create a stable soil structure in the short term was determined in semi-controlled field plots exposed to natural alluvial dynamics. Soil structure was analysed using different traditional pedologic indicators combined with modern imaging techniques. Plant abundance was demonstrated to be crucially affected by fluctuating water levels, but nevertheless strongly contributed to the stabilisation of the topsoils. Especially P. arundinacea was highly efficient to improve the soil structure in sandy alluvial deposits in the short term and to build up stable macro-aggregates within 8 weeks in mesocosms. Earthworm abundance neither correlated to the structural stability of topsoils nor responded to any soil physicochemical parameters or fluctuating water levels in the field. However, earthworm communities, including A. chlorotica increased the porosity in the short term, but the stability of their structures was neither increased mesocosms nor in semi-controlled field plots. Nevertheless, A. chlorotica efficiently increased the thermal stability of organic matter in macro-aggregates in silty alluvial layers. In the long term, earthworms including A. chlorotica contribute to soil structure formation and the sequestration of carbon when their structures gain in stability with aging. Based on the results, interactions between plants and earthworms in macro-aggregate formation and OM stabilisation was assumed, but could not be clearly demonstrated with the applied methods. The methods used to determine soil structure formation and OM stabilisation were highly useful, but standard procedures still need to be defined for data processing and sample preparation. Conclusively, plants and earthworms have great potential to increase the success of river restoration projects, whereby plants in the short term and earthworms in the long term.