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Le dépérissement forestier des années 80 a mis en évidence les lacunes dans les connaissances de base du fonctionnement des écosystèmes forestiers, autorisant des prévisions à moyen terme sur leur stabilité. Les programmes français DEFORPA et européens STEP ont fédéré les recherches dans ce domaine. Le programme "Cycles biogéochimiques" est issu de ce mouvement scientifique et continue à œuvrer dans ce domaine. Le questionnement est clairement identifié : améliorer les connaissances et transmettre les recommandations pour la gestion des écosystèmes forestiers. Lors des 10 dernières années, l’unité consacrait ses recherches sur l’étude des cycles biogéochimiques en forêt, notamment sur la quantification des stocks et des flux entre compartiments (voir le modèle conceptuel Ranger et Turpault 1999). Ces recherches ont fourni des résultats innovants sur les bilans environnementaux et leur variabilité entre écosystèmes. Elles ont également considérablement amélioré notre connaissance de certains processus impliqués dans la durabilité des écosystèmes forestiers (par exemple le contrôle biologique de l’altération des minéraux du sol dans la rhizosphère, l’impact de la végétation sur les cycles des éléments nutritifs et en particulier sur la nitrification, le prélèvement de l’eau et des nutriments par la végétation).

Après un dernier quadriennal très focalisé sur les processus, l’unité est dans une phase de capitalisation des résultats, de redéfinition des objets de recherches, de caractérisation de nouveaux verrous à lever, et enfin de re-conceptualisation du fonctionnement des écosystèmes forestiers.

Notre projet est centré sur la notion de biodisponibilité des éléments minéraux dans les écosystèmes forestiers car : (i) elle est un élément majeur de leur résilience dans un environnement changeant, (ii) elle permet d’intégrer l’ensemble des résultats acquis précédemment et, (iii) elle ouvre la voie à de nouveaux projets de recherche à caractères interdisciplinaires. En s’appuyant sur l’étude des stocks, des flux et de certains processus dans l’écosystème, notre objectif est de conceptualiser et de quantifier cette biodisponibilité, d’identifier les facteurs biotiques et abiotiques qui la contrôlent, de comprendre quelles seront les réponses de l’écosystème aux contraintes (climat/usage des terres/intensification des récoltes) et enfin d’aboutir à des critères/indicateurs de durabilité (dans le temps et face aux contraintes).

Plusieurs hypothèses de recherches posées lors du dernier quadriennal restent d’actualité et orientent encore fortement nos travaux sur la biodisponibilité:

1. Le tassement du sol et son impact sur les solutions et les gaz du sol
2. La devenir du Ca et Mg dans les écosystèmes forestiers en utilisant des isotopes stables et une expérimentation de multi-traçage in situ
3. Les processus de stabilisation et de déstabilisation de la matière organique du sol, et plus particulièrement le rôle des associations organo-minérales sur la séquestration de la matière organique et de l’azote, en utilisant des technologies de pointe dans ce domaine
4. Le fonctionnement de la rhizosphère en utilisant les concepts émergeant de la microbiologie fonctionnelle (diversité et fonction des micro-organismes)
5. Les dépôts atmosphériques et leurs contributions à la durabilité des écosystèmes forestiers
6. Le développement d’une nouvelle génération de modèles dendrométriques intégrant les concepts issus de l’écophysiologie et de la biogéochimie, et spatialisables (notamment à l’aide de mesures LIDAR)
7. L’extension du champ d’application du modèle moléculaire C2SOM à la description de la dynamique des lignines, des lipides

En parallèle, nous ouvrons de nouvelles thématiques de recherche qui, associées aux résultats du précédent quadriennal, vont nous permettre de revisiter progressivement notre modèle conceptuel du fonctionnement des écosystèmes forestiers.

Ces thématiques concernent :

• Des verrous à lever au niveau du fonctionnement de l’écosystème, nécessitant d’appréhender conjointement certains flux et processus : interactions entre cycles du C, N et les cations, diversité biologique et fonction de cette diversité dans la nutrition des arbres;
• Des processus à grande échelle étudiés finement : mécanismes d’altération, minéralisation des matières organiques;
• Des travaux de synthèse : répartition BIO/GEOchimique des bilans, modélisation des interactions sol-plante.

La réalisation de ces objectifs va de pair avec la redéfinition de nos objets de recherches en s’intéressant aux sous-systèmes réactionnels, à leurs dynamiques et leurs interconnections (rhizosphère, complexes organo-minéraux dans le sol, etc… ). Elle nécessite également la mise au point d’approches méthodologiques innovantes ; (GC-LC IRMS en cours de développement au sein de la plateforme d’écologie fonctionnelle du centre de Nancy et en collaboration : STXM-NEXAFS, NanoSims avec le Museum d’Histoire Naturelle et la Berkeley University); NIRS-MIRS, analyse isotopique des cations en excès et en abondance naturelle).