Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Boreal forests represent one of the largest terrestrial carbon reservoirs on the planet. Within this biome, lichen woodlands (LWs) are open-canopy, low-productivity ecosystems that naturally arise following successive disturbances. Because of their sparse tree cover, LWs have been identified as prime candidates for afforestation to sequester atmospheric carbon and mitigate climate change. However, successful seedling establishment in these harsh environments requires intensive mechanical site preparation (MSP), such as scarification. While MSP improves early tree growth by creating mineral furrows and organic mounds, it severely disrupts the forest floor. The extent to which this disturbance destabilizes existing soil carbon pools and creates a "carbon debt" remains a critical uncertainty in global carbon budget models.

This study investigated the long-term impacts of MSP on soil organic carbon dynamics, stability, and nutrient cycling in boreal LWs. Utilizing a chronosequence approach in the Saguenay–Lac-Saint-Jean region of Québec, Canada, we compared an undisturbed control environment against two afforested sites scarified 4 years (2020) and 12 years (2012) prior to sampling. We quantified total carbon stocks and assessed soil organic matter (SOM) vulnerability through physical fractionation (Particulate vs. Mineral-Associated Organic Matter; POM and MAOM) and laboratory incubations measuring basal respiration and temperature sensitivity (Q10).

Our findings suggest that the impact of MSP on soil carbon is closely linked to the time elapsed since disturbance, though inherent site-level variations cannot be entirely ruled out due to the unreplicated nature of the chronosequence. While carbon stocks remained stable 4 years post-disturbance, a net carbon loss of 7.2–9.1 t C ha-1 from the organic horizon was found 12 years after MSP. This ecosystem-level carbon debt is likely driven by the loss of plant biomass, the subsequent lack of litter input from this vegetation, the severing of fresh carbon inputs from the vegetation and the subsequent, unbuffered microbial mineralization of the physically unprotected POM fraction. Furthermore, while the physical dilution of the organic mounds with mineral layer during scarification drastically reduces carbon concentration, the actual C stock loss is biologically driven following an initial decomposition lag. Soil fractionation revealed that the organic horizons are overwhelmingly dominated by POM with a higher C:N ratio than MAOM, confirming the inherent vulnerability of this largely undecomposed carbon pool once the physical structure of the forest floor is disrupted.

Ultimately, this research highlights that intensive scarification in LWs causes a significant, time-delayed carbon debt, whose magnitude seems to be site-dependent. Additionally, observed dissolved organic carbon (DOC) dynamics suggest a potential downward migration of soluble carbon from the disturbed organic layer into the underlying mineral layer. To accurately evaluate the true climate mitigation potential of boreal afforestation, future carbon accounting models and silvicultural strategies must explicitly account for the vulnerability of the POM fraction, the influence of spatial heterogeneity and the progressive exhaustion of the soil carbon pool following physical disturbance.

Les forêts boréales représentent l'un des plus grands réservoirs de carbone terrestres de la planète. Au sein de ce biome, les landes à lichens (LL) sont des écosystèmes ouverts et peu productifs qui se développent naturellement à la suite de perturbations successives. En raison de leur faible couvert arboré, les LL ont été identifiées comme d'excellentes candidates pour le boisement afin de séquestrer le carbone atmosphérique et atténuer les changements climatiques. Cependant, le succès de l'établissement des semis dans ces environnements hostiles nécessite un travail du sol (i.e., scarifiage) intensif. Bien que le scarifiage améliore la croissance initiale des arbres en créant des sillons minéraux et des monticules organiques, il perturbe gravement le sol forestier. La mesure dans laquelle cette perturbation déstabilise les réservoirs de carbone du sol existants et crée une « dette de carbone » demeure une incertitude critique dans les modèles de budget de carbone.

Ce mémoire de maîtrise a examiné les impacts à court et moyen termes du scarifiage sur la dynamique et la stabilité du carbone organique du sol et le cycle des nutriments dans les LL boréales. En utilisant une approche par chronoséquence dans la région du Saguenay–Lac-Saint-Jean, au Québec (Canada), nous avons comparé une portion de sol non-perturbée (intersillon) à des portions de sols perturbées (sillons et monticules) dans deux sites de la région du Saguenay–Lac-Saint-Jean ayant été scarifiés 4 ans (2020) et 12 ans (2012) avant l'échantillonnage. Nous avons quantifié les stocks de carbone totaux et évalué la vulnérabilité de la matière organique du sol (MOS) par fractionnement physique (matière organique particulaire [MOP] par rapport à la matière organique associée aux minéraux [MOAM]) et par des incubations en laboratoire mesurant la respiration basale et la sensibilité à la température (Q10).

Nos résultats suggèrent que l'impact du scarifiage sur le carbone du sol est étroitement lié au temps écoulé depuis le travail du sol, bien que l'influence potentielle des variations inhérentes aux sites ne puisse être totalement exclue en raison de la nature non répliquée de la chronoséquence. Alors que les stocks de carbone sont restés stables 4 ans après la perturbation, le site scarifié il y a 12 ans a affiché une perte nette et sévère de carbone de 7,2 à 9,1 t C ha-1 dans l'horizon organique. Cette apparente dette de carbone à l'échelle de l'écosystème serait attribuable à une perte de végétation et probablement à l'interruption des apports de litière qui en découle, ainsi qu'à une perte de carbone par minéralisation microbienne de la MOP. De plus, bien que le brassage physique des monticules organiques avec le sol minéral lors du scarifiage réduise considérablement la concentration en carbone, la perte réelle de stock semble être d'origine biologique et surviendrait après un temps de latence de la décomposition. Le fractionnement du sol a révélé que, bien que le sol minéral soit dominé par une MOAM plus ancienne et fortement transformée, sa texture naturellement sableuse limite sa capacité à agir comme puits de carbone pour compenser les pertes de l'horizon organique.

Au final, cette recherche souligne que le scarifiage intensif dans les LL semble déclencher une dette de carbone importante et différée dans le temps. Néanmoins, nos résultats suggèrent qu'une partie du carbone des monticules est possiblement transférée vers le sol minéral sous forme de carbone organique dissous. Ainsi, les pertes nettes de carbone pourraient être plus faibles que celles mesurées dans cette étude. Une caractérisation plus précise de ces flux devra être faite. En conclusion, les futurs modèles de comptabilisation du carbone et les stratégies sylvicoles devront explicitement tenir compte de la vulnérabilité de la fraction MOP, de l'influence de l'hétérogénéité spatiale, et de l'épuisement progressif du réservoir de carbone du sol à la suite d'une perturbation physique afin d'évaluer avec précision le véritable potentiel d'atténuation climatique du boisement boréal.