par M. Bonneau, E. Dambrine, et C. Aschan
avec le concours de G. Nourrisson
Les pluies et les dépôts secs (gaz, poussières,
aérosols) ou occultes (brouillard, rosée) apportent aux sols
divers éléments. Les uns, éléments indispensables
aux plantes, sont utiles si l'apport est modéré (le soufre
S, l'azote N, le phosphore P, le calcium Ca, le magnésium Mg, le potassium
K). D'autres sont considérés comme polluants, qu'ils soient
sans utilité pour les plantes et nuisibles au sol, ou nuisibles
directement aux plantes s'ils sont apportés en fortes quantités
(protons H+, sodium Na, chlore Cl). Les éléments utiles,
déposés trop abondamment, peuvent provoquer des
déséquilibres nutritifs (ion ammonium NH4+, ion nitrate NO3-)
ou être sources d'acidification excessive (NH4+ qui, en se nitrifiant,
libère des protons).
La connaissance de ces apports n'est pas très intéressante
en milieu agricole où les sols sont généralement bien
tamponnés contre l'acidité et où les exportations par
les récoltes et les fertilisations pratiquées sont très
importantes en regard des dépôts atmosphériques. Au
contraire, pour les forêts qui constituent dans la plupart des cas
une spéculation très économe n'occasionnant que de faibles
exportations d'éléments minéraux, les apports par
l'atmosphère représentent un poste positif non négligeable
du bilan de fertilité. Les peuplements forestiers, surtout ceux de
résineux, grâce à la grande surface de contact de leurs
feuillages avec l'atmosphère, grâce aussi à la rugosité
de leur couvert qui freine le vent, sont des capteurs extrêmement efficaces
des gaz, poussières, gouttelettes de brouillard et aérosols
: les dépôts secs et occultes y sont très élevés,
souvent d'importance équivalente aux dépôts humides
apportés par les pluies. Ce sont donc les apports totaux (humides,
secs, occultes) qui intéressent les forestiers, que ce soit par le
souci d'établir un bilan des gains et des pertes de
l'écosystème ou pour mettre éventuellement en relation
les apports d'éléments nuisibles avec des symptômes
d'altération de la santé des peuplements.
Si la détermination des apports humides par les pluies est relativement
aisée, celle des apports secs ou ocultes est beaucoup plus difficile.
A première vue, on pourrait penser que la collecte de la pluie,
après qu'elle ait traversé les feuillages (pluviolessivats)
et donc lessivé les éléments déposés sur
les feuilles et rameaux, peut fournir la somme des apports. En fait il existe,
au niveau des feuilles, des échanges actifs entre l'eau de pluie qui
ruisselle à leur surface et les cellules de l'épiderme et du
mésophylle à travers la cuticule et les stomates. Lors de ces
échanges, les feuilles absorbent de l'ammonium et des protons et
libèrent des cations K, Ca, Mg. Cette libération constitue
la récrétion. La différence des flux d'un cation entre
les pluviolessivats et les pluies représente donc la somme
algébrique de la récrétion et des dépôts
lessivés. Pour estimer ces derniers, il faut, le plus souvent sur
des bases très indirectes et très incertaines, répartir
la différence de flux entre les deux processus.
Le dépérissement des forêts, très net dans les
Vosges, nous a incités à connaître le mieux possible
les apports sur ce massif. Grâce à l'aide de la Commission des
communautés européennes (direction de l'Agriculture) et du
ministère de l'Environnement, et avec le concours de l'APPA (Association
pour la prévention de la pollution atmosphérique, comité
de Lorraine) et de l'Office national des forêts (ONF), nous avons,
pendant l'hiver 1988, équipé de collecteurs de pluie, à
découvert et sous le couvert d'un peuplement de sapin ou
d'épicéa, 10 postes forestiers du Massif vosgien en nous
efforçant de couvrir les différentes situations possibles (Nord
et Sud, versant alsacien et versant lorrain, altitudes variées). Les
collecteurs à découvert sont des dispositifs , c'est-à-dire
fermés entre les événements pluvieux et s'ouvrant
automatiquement lorsque la pluie survient, de sorte qu'ils ne recueillent
aucun dépôt sec ou occulte. Les collecteurs sous le couvert
sont de simples auges en matière plastique (PVC) raccordées
à un bidon de recueil. Les collecteurs sont relevés chaque
semaine par les agents de l'ONF qui stockent les eaux en congélateur
; un technicien ramasse les eaux mensuellement. L'analyse d'un échantillon
moyen mensuel des collectes hebdomadaires de chaque poste est effectuée
au laboratoire INRA d'Arras.
Figure 1. Situation des 10 postes d'étude (Y) dans les Vosges avec
l'indication de la pluviométrie annuelle
Les principaux résultats
Les tableaux I, II, III et IV indiquent respectivement :
- les concentrations moyennes dans les pluies hors couvert en S04--, N03--N,
Cl-, NH4+-N, Ca++, Mg++, K+, Na+ en mg.l-1 et le pH ;
- les flux moyens en kg / ha / an hors couvert ;
- les concentrations moyennes sous couvert et le pH,
- les flux moyens sous couvert.
Les chiffres indiqués, concentrations ou flux, sont tous exprimés
en élément (N, S, Cl, Ca, Mg, K, Na).
Le Massif vosgien apparaît comme une région où les apports,
de nutriments ou de polluants, sont plutôt modestes.
Tableau I. Concentrations moyennes des précipitations hors couvert (mg.l-1)
Apports hors couvert :
L'élément apporté en plus grande quantité est
le chlore. La confrontation avec les apports de sodium ou de protons amène
à conclure que ce chlore n'est pas exclusivement d'origine marine.
Le rapport Cl/Na est nettement plus élevé que dans l'eau de
mer : 2 à 5 suivant les stations contre 1,5 environ si l'origine
était entièrement marine. Le sodium, en excédent
également par rapport au magnésium par exemple, montre que
l'excès de chlore vient davantage des salines voisines des Vosges
(Sarralbe, Dombasle) que des installations d'incinération d'ordures
ménagères. Les mines de potasse ne semblent pas en cause (vents
dominants de l'ouest-sud-ouest).
Les apports de soufre (7 à 13 kg) et d'azote (5 à 10 kg) sont
faibles, l'azote nitrique (N03) et l'azote ammoniacal (NH4) sont sensiblement
à égalité. Le pH des pluies est modérément
acide (4,5 à 4,8) avec une valeur exceptionnellement élevée
à Gemaingoutte, poste sans doute fortement influencé par les
activités d'élevage (neutralisation de l'acidité par
NH3).
La variabilité entre les divers points du massif est grande, qu'il
s'agisse des concentrations ou des apports totaux : le rapport entre le maximum
et le minimum des teneurs dans la pluie est souvent de 1,6 à 2 (sulfates,
nitrates, chlorures, sodium, calcium, magnésium) mais atteint 5 pour
l'ammonium et le potassium. Il n'y a pas parallélisme entre la
variabilité des concentrations et celle des apports, c'est-à-dire
que les stations où les teneurs d'éléments dans l'eau
de pluie sont les plus fortes ne sont pas celles qui reçoivent le
plus d'éléments. En effet ces derniers dépendent beaucoup
de la pluviométrie, elle-même très variable dans le massif
(plus du simple au double entre les stations les moins arrosées et
les plus arrosées). Ainsi, pour ce qui est des sulfates par exemple,
Plain du Canon et Val d'Ajol, où la pluie est modérément
concentrée, reçoivent de très forts apports, tandis
que la Petite Pierre doit ses apports très élevés à
une forte concentration de la pluie. On peut dire la même chose des
nitrates et de la plupart des éléments. La corrélation
entre pluviométrie et apport de sulfates est particulièrement
nette (fig. 2) alors qu'elle est très faible pour les apports de nitrates.
On note également une corrélation positive entre apports de
sulfates et apports de nitrates (fig. 3) bien que les origines des uns et
des autres ne semblent pas communes.
En effet, les concentrations en SO4-S dans les pluies ne sont pas liées
à la teneur de l'air en SO2 à Paris ou à Strasbourg
(influence d'agglomérations industrielles plus lointaines), tandis
que les teneurs les plus élevées des précipitations
en NO3-N apparaissent au même moment que les pointes de NO2 dans ces
deux villes.
La concentration des eaux de pluie en divers éléments oppose
l'ensemble Donon, Plain du Canon, Sewen, Col du Bonhomme où la charge
des pluies est faible, à l'ensemble La Petite Pierre-Ban-sur-Meurthe
où elle est forte. Gemaingoutte, La Petite Pierre et Welschbruch ont
des pluies très riches en azote minéral total.
Tableau II. Dépôts annuels d'éléments minéraux hors couvert (kg.ha-1)
forêt vosgienne (photothèque INRA)
Tableau III. Concentrations moyennes des précipitations sous couvert (mg.l-1)
Tableau IV. Dépôts annuels d'éléments minéraux sous couvert (en kg.ha-1)
Apports sous le couvert forestier :
Les concentrations d'éléments dans les pluviolessivats sont
en moyenne 1,5 à 5 fois supérieures à celles des pluies
: 1,5 fois seulement pour un élément comme NH4+-N qui est plus
ou moins absorbé par le feuillage après dépôt,
4 à 5 fois pour K, Ca, Mg qui sont l'objet d'une récrétion
importante, 2 à 3 fois pour Na, Cl, SO4--, -S, NO3--N qui ne sont
ni consommés ni récrétés notablement. Ce facteur
2 à 3 peut être considéré comme résultant
du lessivage de dépôts secs et occultes et d'une concentration
par évaporation partielle de l'eau lors de son passage sur les cimes,
hors effet biotique important.
L'augmentation de concentration est cependant très variable d'une
station à l'autre : par exemple, pour les sulfates, on a 3,6 au Col
du Bonhomme, 3,3 à la Petite Pierre, 3,5 à Welschbruch, ce
qui traduit donc des dépôts secs et occultes plus importants
dans ces stations que dans les autres. On peut faire la même observation
pour les nitrates dans ces mêmes stations, tandis qu'Housseras n'a
qu'un enrichissement très faible. Le climat de pollution par
dépôts secs et occultes est donc beaucoup plus sévère
dans la partie nord du massif, pour ce qui est des sulfates et des nitrates.
La station de Sewen se caractérise au contraire par une forte augmentation
du taux de KCl sous le couvert, ce qui s'explique probablement par la
proximité des mines de potasse.
L'estimation des quantités récrétées de Ca, Mg,
K est nécessaire avant que l'on puisse établir l'apport quantitatif
de ces éléments. Elle est basée sur l'enrichissement
des pluviolessivats en ces trois éléments comparativement à
l'enrichissement en sulfates, peu récrétés et peu
absorbés. En déduisant la récrétion du flux
d'enrichissement des pluviolessivats par rapport aux pluies, on arrive à
une estimation des dépôts secs et occultes, donc à un
dépôt total (pluie + dépôts secs) sous peuplement
de résineux (tabl. IV). On constate que les apports totaux sont en
moyenne modérés : 15,6 kg de S / ha et / an, 12,9 kg de N,
alors que dans les Ardennes on atteint au moins 40 kg de soufre et 50 kg
d'azote. Ces apports sont évidemment très variables d'un site
à l'autre : 9 à 24 kg de soufre, 5 à 20 kg d'azote,
17 à 38 kg de chlore, 13 à 30 kg de potassium, 3 à 12
kg de calcium, 1 à 2,9 kg de magnésium. L'apport de protons,
obtenu en ajoutant à ceux contenus dans les pluviolessivats 50 % environ
de l'équivalent des cations récrétés (qui ont
été échangés sur les feuillages contre des protons),
se chiffre environ à 1,0 kg par ha et par an, donc relativement faible
et moins variable que les autres apports : 0,9 à 1,5.
Il faut noter que la hiérarchie des stations en ce qui concerne les
apports humides et celle que l'on peut établir pour les apports totaux
sous le couvert sont différentes. La Petite Pierre qui reçoit
le plus de S et de N totaux ne venait qu'en 3e position pour les apports
humides. Le Donon, en 2e position pour les apports totaux de S et 4e pour
les apports de N, n'était qu'en 4e et 8e positions pour les apports
humides de ces mêmes éléments. Tout ceci met en lumière
le rôle important joué par les dépôts secs et occultes
dans les Vosges.
Figures 2, 3 et 4.
Relation entre l'apport de soufre, sous forme de sulfates, à
découvert, et la pluviométrie mensuelle moyenne.
Relation entre l'apport de soufre, sous forme de sulfates, et apports d'azote
nitrique.
Relation entre apport de protons à découvert et pluvimétrie
mensuelle moyenne.
En conclusion
On sait aujourd'hui que les pertes d'aiguilles des peuplements dans les Vosges
sont en grande partie dûes à la conséquence de périodes
très sèches, et notamment de la dernière, de 1972 à
1976, dont l'effet a été particulièrement sensible sur
les sols les plus superficiels ou les plus caillouteux et dans les peuplements
trop denses. Il est néanmoins prouvé, par des travaux précis
(diagnostic foliaire dans de nombreux peuplements, étude précise
du cycle des éléments dans certains écosystèmes
vosgiens Aubure en particulier -, essais de fertilisation) que des carences
minérales très accusées en magnésium et calcium
sont responsables d'un autre aspect très caractéristique du
dépérissement, le jaunissement des feuilles et des aiguilles
des résineux à partir de leur 2e année, et que la pollution
acide est un des facteurs de genèse de ces carences. Comme co-facteur
intervient la pauvreté de certaines roches des Vosges (certains granites
et grès), comme l'ont montré divers travaux de cartographie
aérienne du jaunissement et des pertes d'aiguilles qui lui sont
liées (et qui s'ajoutent à celles entraînées par
le manque d'eau). Ce co-facteur défavorable explique que le jaunissement
soit très répandu dans les Vosges malgré un niveau de
pollution qui apparaît comme assez modéré : en moyenne
0,27 kg eq. / ha et / an hors couvert et 1 kg eq. sous couvert en ce qui
concerne les protons. Les apports d'azote souvent accusés de
déséquilibrer la nutrition des peuplements s'ils sont excessifs,
et de contribuer à l'acidification du sol par l'apport de NH4+, sont
ici assez faibles également : environ 13 kg / ha /an sous le couvert
forestier.
La pollution acide varie cependant beaucoup au sein du massif, pour des raisons
diverses : pluviométrie très diversifiée en fonction
de l'altitude (les apports de sulfates et de protons par la pluie sont fortement
liés à la tranche d'eau annuelle), position géographique
des stations par rapport à des sources locales (Gemaingoutte dans
une zone rurale où le dépôt d'ammonium est important)
ou par rapport à de grands courants de pollution acide
générateurs de forts dépôts secs et occultes qui
pénètrent peu à l'intérieur du massif (fort apport
sous couvert d'acide sulfurique et nitrique dans les stations du Nord du
massif). Housseras, à l'ouest du massif, se caractérise par
de très faibles apports totaux de protons et d'azote.
Mais les dépôts atmosphériques peuvent être utiles
(Ca, Mg, K, N). Si on estime que les apports hivernaux sont en majeure partie
perdus par lessivage (à cause de l'acidité des eaux de
pluviolessivage en ce qui concerne les cations ou par absence de fixation
en ce qui concerne les nitrates) et que les apports d'été sont
au contraire à peu près totalement consommés, on peut
comparer les exportations par le bois des peuplements forestiers (bois et
écorce de tronc) au demi-apport annuel total d'éléments
nutritifs. Face à des besoins moyens annuels de l'ordre de 3 à
8 kg d'azote, 0,5 à 1 kg de soufre, 2 à 5 kg de potassium,
3 à 7 kg de calcium, 0,5 à 1,2 kg de magnésium, ces
demi-apports totaux qui vont de 5 à 16 kg de N, 6 à 13 kg de
S, 2 à 7 kg de K, 2 à 4,5 kg de Ca, 0,5 kg à 1 kg de
Mg, s'avèrent excédentaires pour le soufre,
généralement suffisants pour l'azote, parfois insuffisants
pour le potassium et le magnésium et souvent déficitaires pour
le calcium.
Sur un plan plus général, on espérait qu'un petit nombre
de postes pluviométriques en France (une quarantaine, 15 du réseau
MERA et 25 du réseau de placettes d'observation des
écosystèmes forestiers en cours de mise en place) serait suffisant
pour dresser des courbes d'iso-apport à partir desquelles on pourrait
progresser vers un bilan de fertilité des sols forestiers. L'exemple
vosgien démontre que cet espoir est probablement vain, au moins en
pays de montagne puisque des variations du simple au double ou même
davantage sont tout à fait possibles dans un espace relativement
restreint.
Il serait intéressant de renouveler en plaine l'exercice effectué
dans le massif vosgien afin de voir si une telle variabilité y existe
aussi. Par ailleurs de grands progrès sont à accomplir dans
la détermination soit des dépôts secs ou occultes, soit
de la récrétion, si l'on veut avoir une meilleure estimation
des apports en milieu forestier.
