Temporal soil nitrogen dynamics with stand age of Betula platyphylla forests in the permafrost region, Northeast China

Imaginez le sol comme une cuisine géante et souterraine où les plantes cuisinent leurs repas. Mais il y a un piège : l'ingrédient le plus important, l'azote, arrive généralement sous une forme que les plantes ne peuvent pas manger — il est verrouillé à l'intérieur des feuilles mortes et des vieilles racines, comme une recette secrète dans un coffre-fort. Pour extraire la nourriture, de minuscules chefs appelés microbes du sol doivent décomposer cette matière organique et déverrouiller l'azote, le transformant en une forme utilisable. Ce processus de déverrouillage s'appelle la « minéralisation ». Dans certains endroits, comme les forêts tropicales chaudes, ces chefs travaillent en heures supplémentaires et la cuisine est toujours pleine de nourriture prête à être consommée. Mais dans le nord gelé, où le sol reste froid et souvent gelé (pergélisol), les chefs sont léthargiques et la cuisine est souvent vide. C'est un problème majeur car si les plantes ne peuvent pas obtenir leur azote, elles ne peuvent pas croître, et toute la forêt est en difficulté. Les scientifiques se sont longtemps demandé : à mesure qu'une forêt devient plus vieille et plus grande, sa cuisine de sol devient-elle meilleure pour nourrir les arbres, ou reste-t-elle bloquée dans la voie lente ?

Cet article explore cette question en étudiant un type spécifique d'arbre, le bouleau blanc (Betula platyphylla), dans les forêts gelées du nord-est de la Chine. Les chercheurs voulaient voir comment la « cuisine » change à mesure que la forêt passe d'un jeune peuplement de semis (25 ans) à un peuplement mature (61 ans). Ils n'ont pas seulement deviné ; ils sont allés sur le terrain et ont réalisé une expérience ingénieuse. Ils ont prélevé de petits cylindres de sol, les ont laissés dans le sol pendant un mois pour voir ce qui se passait naturellement, puis ont mesuré la quantité d'azote déverrouillée. Ils ont découvert qu'en vieillissant, la forêt devenait en fait bien meilleure pour déverrouiller l'azote, même si la quantité totale d'azote « prêt à être consommé » dans le sol ne changeait pas beaucoup. Il s'avère que dans ces forêts froides, les arbres plus âgés créent une cuisine animée et efficace où l'azote est constamment recyclé et utilisé, plutôt que de simplement rester empilé dans un tas.

L'histoire de la cuisine de la forêt gelée

Considérez le sol de la forêt comme un restaurant très fréquenté. Les arbres sont les clients et le sol est la cuisine. L'ingrédient le plus important pour la croissance des arbres est l'azote, mais dans le sol, il est principalement emprisonné dans un état « gelé » à l'intérieur des feuilles mortes et des racines. Pour l'obtenir, le sol doit réaliser un tour de magie appelé minéralisation, où de minuscules microbes agissent comme des chefs pour décomposer la matière organique et libérer l'azote sous une forme que les plantes peuvent avaler.

Dans les régions de pergélisol froides du nord-est de la Chine, cette cuisine est habituellement lente. Le sol est frais et les chefs (les microbes) sont léthargiques. Mais qu'arrive-t-il à mesure que la forêt vieillit ? Les arbres finissent-ils par obtenir une meilleure cuisine, ou le froid maintient-il tout bloqué ? Une équipe de scientifiques de l'Université de Shaoguan a décidé de le découvrir en étudiant trois « âges » différents de forêts de bouleaux blancs : une forêt jeune (25 ans), une forêt d'âge moyen (40 ans) et une forêt plus ancienne (61 ans).

L'expérience : Un mois dans la vie du sol

Pour voir comment la cuisine fonctionne, les scientifiques ne se sont pas contentés de prendre un instantané ; ils ont observé le sol cuisiner au fil du temps. De mai à octobre 2018, ils ont installé une série d'« incubateurs » directement dans la forêt. Ils ont enfoncé des tubes en plastique (carottes de PVC) dans le sol, les ont remplis de terre, et les ont laissés là pendant un mois.

Imaginez ces tubes comme de petites capsules temporelles. Les scientifiques ont retiré un premier ensemble de tubes immédiatement pour voir combien d'azote était présent au départ. Ensuite, ils ont laissé un autre ensemble dans le sol pendant un mois. Lorsqu'ils les ont retirés un mois plus tard, ils pouvaient mesurer exactement quelle quantité de nouvel azote avait été « cuisinée » ou déverrouillée par les microbes durant cette période. Ils ont fait cela pendant cinq mois différents, en vérifiant à la fois la couche supérieure du sol (0–10 cm) et la couche située juste en dessous (10–20 cm).

Ce qu'ils ont trouvé : La cuisine s'accélère, mais le garde-manger reste le même

Les résultats étaient assez surprenants et très intéressants.

1. Le tas de « prêt à consommer » n'a pas grandi
Lorsque les scientifiques ont examiné la quantité totale d'azote présent dans le sol à un moment donné (le Min-N), elle était sensiblement la même pour les trois âges de la forêt. Que la forêt ait 25 ou 61 ans, le sol contenait environ 8,39 mg·kg⁻¹, 8,15 mg·kg⁻¹ et 8,49 mg·kg⁻¹ d'azote, respectivement. C'est comme si le garde-manger du restaurant avait le même nombre d'assiettes de nourriture, quel que soit l'âge du restaurant.

2. Mais les chefs sont devenus beaucoup plus rapides !
C'est ici que l'histoire devient passionnante. Bien que la quantité de nourriture dans le garde-manger n'ait pas changé, la vitesse à laquelle les chefs cuisinent a considérablement augmenté. Le taux auquel l'azote était déverrouillé (minéralisation nette de l'azote) a bondi de manière significative à mesure que la forêt vieillissait :

• Dans la forêt de 25 ans, le taux était d'une lenteur de 0,11 mg·kg⁻¹·j⁻¹.
• Dans la forêt de 40 ans, il s'est accéléré pour atteindre 0,46 mg·kg⁻¹·j⁻¹.
• Dans la forêt de 61 ans, il était le plus rapide avec 0,67 mg·kg⁻¹·j⁻¹.

Cela signifie que dans les forêts plus anciennes, l'azote est déverrouillé et utilisé beaucoup plus rapidement. C'est une cuisine à rotation rapide où la nourriture est cuisinée, mangée et recyclée rapidement, plutôt que de rester sur l'étagère.

3. La forme de la nourriture a changé
Les scientifiques ont également remarqué un changement dans le type d'azote disponible. Dans les forêts plus jeunes, il y avait plus de nitrate (un type spécifique d'azote), mais à mesure que la forêt vieillissait, les niveaux de nitrate ont chuté et l'ammonium (un autre type) a augmenté. Il semble que les forêts plus anciennes soient meilleures pour retenir l'ammonium, peut-être parce que le sol froid et acide rend difficile la transformation de l'ammonium en nitrate.

4. La couche supérieure est la section VIP
Comme dans n'importe quelle bonne cuisine, l'étagère supérieure est la plus active. La couche supérieure du sol (0–10 cm) était beaucoup plus active que la couche inférieure (10–20 cm). Dans la forêt de 40 ans, la couche supérieure était 5,38 fois plus active que la couche du dessous ! Cela s'explique par le fait que c'est là que les feuilles tombent et que les microbes vivent.

Pourquoi cela arrive-t-il ? Les ingrédients secrets

Alors, qu'est-ce qui rend les cuisines des forêts plus anciennes si beaucoup plus rapides ? Les scientifiques ont mené une enquête de détective pour trouver les « moteurs » derrière ce changement. Ils ont découvert que trois facteurs principaux tiraient les ficelles :

1. La température du sol : Même de légers changements de chaleur ont aidé les microbes à travailler plus dur.
2. L'azote total : Les forêts plus anciennes possédaient plus d'azote total dans le sol pour commencer, donnant ainsi plus de matières premières aux chefs.
3. La biomasse microbienne : Les forêts plus anciennes possédaient une population plus importante de « chefs » microbiens prêts à faire le travail.

L'étude suggère qu'à mesure que la forêt de bouleaux blancs grandit, elle construit un meilleur environnement pour ces petits chefs. Les arbres rejettent plus de feuilles et de racines, nourrissant les microbes, qui en retour déverrouillent l'azote plus rapidement. C'est un cycle vertueux : des arbres plus grands signifient un meilleur sol, ce qui signifie qu'un meilleur sol soutient des arbres plus grands.

Ce qu'il faut retenir

Cette recherche nous apprend que même dans le nord froid et gelé, les forêts ont un moyen de devenir plus intelligentes et plus efficaces en vieillissant. Bien que la quantité totale d'azote stockée dans le sol ne s'accumule pas nécessairement, le système devient beaucoup plus dynamique. L'azote est constamment recyclé et rendu disponible pour les arbres.

C'est une excellente nouvelle pour la santé de ces forêts de pergélisol. Cela suggère que laisser ces forêts vieillir et atteindre leur maturité est un élément clé pour maintenir leur santé et leur productivité. Les scientifiques espèrent que ce savoir aidera les gestionnaires à décider comment prendre soin de ces forêts, afin qu'elles continuent de prospérer dans un climat changeant. Cependant, ils notent également que ces forêts sont toujours plus lentes que les forêts des régions plus chaudes, nous rappelant que le froid reste une force puissante dans le nord.