Conséquences de la coupe rase
sur la production de racines fines,
CO₂, CH₄ et N₂O jusqu'à la nappe
phréatique dans une plantation
d'Eucalyptus grandis menée en taillis
sur un dispositif d'exclusion de pluie

Amandine GERMON

RÉSUMÉ

Une meilleure connaissance de la dynamique spatio-temporelle des racines fines et des gaz à effet de serre dans les couches profondes du sol est indispensable pour identifier des pratiques sylvicoles plus durables pour les forêts plantées dans un contexte de changement climatique. Notre étude visait à évaluer les effets des coupes claires et de la sécheresse sur la production de racines fines et les flux et la production de CO₂, CH₄ et N₂O sur tout le profil de sol jusqu'à la nappe, dans des plantations d'Eucalyptus grandis conduites en taillis au Brésil. Les racines fines (diamètre < 2 mm) ont été échantillonnées jusqu'à une profondeur de 17 m sur un dispositif d'exclusion de pluviolessivat permettant de comparer des peuplements où 37 % du pluviolessivat a été exclu à l'aide de bâches en plastique (-W) avec des peuplements sans exclusion d'eau de pluie (+W). La dynamique racinaire, les flux en surface et les concentrations dans le sol de CO₂, CH₄ et N₂O ont été mesurés dans deux fosses permanentes pour les deux traitements, +W et -W, avant la coupe des arbres et ensuite en conduite en taillis. La croissance des racines fines était considérable à grande profondeur (> 13 m) pour les arbres menés en taillis et, étonnamment, la mortalité des racines fines était extrêmement faible quels que soient la profondeur et le traitement. La biomasse des racines fines, leur longueur et leur surface spécifiques étaient respectivement plus élevées d'environ 25 %, 15 % et 15 % pour le traitement -W que pour +W. Les concentrations moyennes de CO₂ et N₂O pour -W sont plus faibles de 20,7 % et 7,6 % que pour +W, et les concentrations de CH₄ pour -W sont plus élevées de 44,4 % que pour +W sur l'ensemble des profils du sol. Un modèle de diffusivité montre une production et une consommation de CO₂, N₂O et CH₄ en grande profondeur et similaire pour les deux traitements, +W et -W. La mise en place de systèmes racinaires profonds dans les forêts tropicales plantées pourrait permettre aux arbres de résister aux périodes de sécheresse attendues dans le futur. Notre étude réalisée dans des peuplements d'eucalyptus gérés en taillis, représentatifs de vastes zones tropicales, suggère que les émissions de gaz à effet de serre pourraient être peu influencées par les modifications de régimes de précipitations dues au changement climatique.

**Mots-clés :** taillis, sol tropical très profond, croissance racinaire profonde, exclusion de pluviolessivat, gaz à effet de serre, *Eucalyptus grandis*, Brésil.

Consequences of clear-cutting
on production of fine roots and on CO₂,
CH₄ and N₂O down to the water table
in coppiced *Eucalyptus grandis* stands
in a throughfall-exclusion experiment

ABSTRACT

Improving our understanding of the spatiotem-
poral dynamics of fine-roots and greenhouse
gases in deep soil layers is of key importance
in identifying more sustainable sylvicultural
practices for planted forests in the context of
climate change, and to improve biogeochemi-
cal models. Our study assessed the effects of
clear-cutting and drought on fine-root produc-
tion and soil CO₂, CH₄ and N₂O effluxes and
production through deep soil profiles down to
the water table in coppice-managed *Eucalyptus
grandis* plantations in Brazil. Fine-roots (diam-
eter < 2 mm) were sampled down to a depth of
17 m in a throughfall-exclusion experiment to
compare stands in which 37% of throughfall
was excluded by plastic sheets (-W) with stands
without rain exclusion (+W). Root dynamics, CO₂,
CH₄ and N₂O surface effluxes and concentrations
in the soil were measured in two permanent pits
in +W and -W treatments before clear-cutting
and subsequently under coppice management.
After harvesting, we observed spectacular fine
root growth of coppiced trees in very deep soil
layers (> 13 m) and, surprisingly, root mortality
remained extremely low whatever the depth and
the treatment. Fine root biomass, specific root
length and specific root area were respectively
about 25%, 15% and 15% higher in -W than
in +W. Mean CO₂ and N₂O concentrations in -W
were 20.7% and 7.6% lower than in +W, and CH4
concentrations in -W were 44.4% higher than
in +W throughout the soil profiles. A diffusivity
model showed that CO₂, N₂O and CH₄ produc-
tion and consumption occurred at great depths
and were similar in both +W and -W treatments.
Clear-cutting did not increase CO₂, N₂O and CH₄
effluxes and production regardless of the water
supply regime. Establishing deep root systems
in tropical planted forests could thus help trees
to withstand the long drought periods expected
in many tropical regions in the future. Our study
suggests that coppice management might be an
interesting option in tropical *E. grandis* planta-
tions, both to improve tree tolerance to drought
and to store carbon at great depth in the soil. The
consequences of climate change for greenhouse
gas emissions could be lessened when tropical
*E. grandis* plantations are coppice-managed.

**Keywords:** coppice, very deep tropical soil,
deep root growth, throughfall exclusion,
greenhouse gases, *Eucalyptus grandis*,
Brazil.

Consecuencias de la corta a hecho
en la producción de raíces finas, CO₂,
CH₄ y N₂O hasta el nivel freático
en rodales de *Eucalyptus grandis*
llevados a monte bajo en un
experimento de exclusión
de trascolación

RÉSUMÉ

Mejorar nuestra comprensión de la dinámica
espaciotemporal de las raíces finas y los gases
de efecto invernadero en las capas profundas del
suelo es un aspecto clave para identificar prácti-
cas silvícolas más sostenibles en un contexto de
cambio climático para los bosques plantados,
así como para mejorar los actuales modelos bio-
geoquímicos. Nuestro estudio tenía como objetivo
evaluar el efecto de la corta a hecho y de la sequía
en la producción de raíces finas, en los eflujos de
CO₂, CH₄ y N₂O al suelo y en la producción a lo largo
de perfiles profundos del suelo hasta la capa freá-
tica en las plantaciones brasileñas de *Eucaliptus
grandis* con una gestión de monte bajo. Se toma-
ron muestras de raíces finas (diámetro < 2 mm)
hasta una profundidad de 17 m en un experimento
donde se excluyó la trascolación, comparando los
grupos donde se excluía el 37 % de las trascola-
ciones mediante láminas de plástico (-W) y los
grupos sin exclusión de la lluvia (+W). Se estudió
la dinámica de las raíces, los eflujos superficiales
de CO₂, CH₄ y N₂O y las concentraciones en el suelo
se midieron en dos pozos permanentes en los
tratamientos +W y -W antes de la corta a hecho y
después en monte bajo. El crecimiento de raíces
finas fue espectacular en capas muy profundas
del suelo (> 13 m) para árboles en monte bajo y,
sorprendentemente, la mortalidad de raíces finas
fue extremadamente baja independientemente
de la profundidad y el tratamiento. La biomasa, longi-
tud y área de las raíces finas fueron aproximada-
mente 25 %, 15 % y 15 % más elevadas en -W
que en +W, respectivamente. Las concentraciones
medias de CO₂ y N₂O en -W fueron un 20,7 % y
un 7,6 % más bajas que en +W, respectivamente,
y las concentraciones de CH₄ en -W fueron un
44,4 % más altas que en +W en todos los perfiles
de suelo. Un modelo de difusividad mostró que la
producción y el consumo de CO₂, CH₄ y N₂O ocur-
rían a grandes profundidades y eran similares en
los tratamientos +W y -W. El establecimiento de
sistemas de raíces profundas en los bosques tropi-
cales plantados podría ayudar a los árboles a resis-
tir los largos períodos de sequía que se prevén en
muchas regiones tropicales en el futuro. Las conse-
cuencias del cambio climático en las emisiones de
gases de efecto invernadero podrían ser menores
cuando las plantaciones tropicales de *Eucaliptus
grandis* se gestionen con el monte bajo.

**Palabras clave:** monte bajo, suelo tropical muy profundo, crecimiento profundo de las raíces, exclusión de trascolación, gases de efecto invernadero, *Eucalyptus grandis*, Brasil.

Bois,
forêts

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cirad

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Doi : https://doi.org/10.19182/bft2020.346.a36293

 Droit d'auteur © 2020, Bois et Forêts des Tropiques © Cirad
 Date de publication : 25 décembre 2020

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Licence Creative Commons :
Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).
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**Photo 1.**

Fosse permanente creusée à 17 m de profondeur dans un dispositif expérimental d'exclusion de pluviolessivat mené dans la Station forestière expérimentale d'Itatinga dans l'État de São Paulo au Brésil. Les

fosses ont été creusées pour permettre l'accès à l'ensemble des profils des sols de la couche de surface jusqu'à la nappe phréatique, le suivi de la dynamique racinaire et la mesure des concentrations de gaz à effet de serre sur l'ensemble des profils. Les fosses d'un diamètre de 1,5 m et d'une profondeur de 17 m sont localisées entre quatre *Eucalyptus*. Les parois des fosses sont formées d'anneaux en béton en contact direct avec le sol. Des toits de couleur claire du même diamètre que les fosses ont été utilisés pour empêcher la pénétration de lumière et de pluie dans les fosses. Des plateformes d'accès ont été installées tous les deux mètres dans les fosses et équipées de lumière artificielle et de ventilateurs fonctionnant pendant les heures de travail pour assurer la sécurité des conditions de travail jusqu'à la nappe phréatique.

Photo A. Germon.

**Photo 1.**

Deep permanent pit down to a depth of 17 m in a throughfall exclusion experiment at the Itatinga Forest Science Experimental Station in São Paulo state, Brazil. Pits were excavated to gain access to the complete soil profile from the topsoil down to the water table and to record root dynamics and measure greenhouse gas concentrations throughout the soil profile. The pits were 1.5 m in diameter and of 17 m in depth and were located between four *Eucalyptus* trees. The pit walls were made of concrete rings in direct contact with the soil. Light-coloured roofs of the same diameter as the pits were used to prevent light and rain from entering the pits. Platforms were set up at two-metre intervals in the pits and equipped with artificial lighting and fans for use during working sessions, to allow access and ensure safe working conditions down to the water table.

Photo A. Germon.

**Foto 1.**

Pozo permanente a una profundidad de 17 m en un experimento de exclusión de trascolación en la Estación Experimental de Ciencia Forestal de Itatinga, estado de Sao Paulo, Brasil. Se excavaron pozos para acceder al perfil completo del suelo desde su capa superior hasta la capa freática, registrar la dinámica de las raíces y medir la concentración de gases de efecto invernadero en el perfil del suelo. Los pozos tenían un diámetro de 1,5 m, alcanzaban una profundidad de 17 m y estaban situados entre cuatro eucaliptos. Las paredes del pozo se hicieron con anillos de hormigón en contacto directo con el suelo. Se utilizaron techos de color claro del mismo diámetro que los pozos para evitar que la luz y la lluvia entraran en los pozos. Se instalaron plataformas en su interior a intervalos de dos metros, equipadas con iluminación artificial y ventiladores que se utilizaban durante las sesiones de trabajo, permitiendo el acceso y la seguridad hasta la capa freática.

Foto A. Germon.

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**Figure 1.**

Pluviométrie journalière (A) et teneur des sols en eau (SWC, %) dans les profils des sols jusqu'à 16 m de profondeur dans les peuplements soumis à une exclusion de 37 % des pluies (B) entre mai 2015 et février 2018. Taux journalier d'allongement des racines (DRER) observé sur les tubes minirhizotron (cm de racines/m² de la surface du minirhizotron/jour) estimé tous les 14 jours entre mai 2015 et février 2018 dans les couches de sol à 0-1,3 m, 1-2,3 m, 3,5-4,8 m, 5,5-6,8 m, 11,5-12,8 m, 13,5-14,8 m et 15,5-16,8 m dans les peuplements soumis à une exclusion de 37 % des pluies (C). Le trait vertical indique la date de la coupe claire. Peuplement conduit en taillis suite à la coupe claire.

**Figure 1.**

Daily rainfall (A) and soil water content (SWC, %) within the soil profiles down to a depth of 16 m in the plots with 37% of throughfall excluded by plastic sheets (B) from May 2015 to February 2018. Daily living root elongation rate (DRER) on minirhizotron tubes (cm/m² of minirhizotron area/day) estimated every 14 days from May 2015 to February 2018 in soil layers 0-1.3 m, 1-2.3 m, 3.5-4.8 m, 5,5-6.8 m, 11,5-12.8 m, 13,5-14.8 m and 15,5-16.8 m in the plot with 37% of throughfall excluded by plastic sheets (C). The clear-cut date is indicated by a vertical line. The stand was coppice-managed after the clear-cut.

**Figura 1.**

Lluvia diaria (A) y contenido de agua del suelo (SWC, %) en los perfiles del suelo hasta una profundidad de 16 m en las parcelas donde se excluyó el 37 % de la trascolación (B) desde mayo de 2015 hasta febrero de 2018. Tasa diaria de alargamiento de las raíces (DRER) observadas en los tubos de minirrizotrón (cm de raíces / m² de área de minirrizotrón/día) estimada cada 14 días desde mayo de 2015 hasta febrero de 2018 en capas de suelo de 0-1,3 m, 1-2,3 m, 3,5-4,8 m, 5,5-6,8 m, 11,5-12,8 m, 13,5-14,8 m y 15,5-16,8 m en la parcela donde se excluye el 37 % de la trascolación (C). La fecha de corta a hecho se indica con una línea vertical. Después de la corta a hecho la gestión del rodal fue de manto bajo.

Publications

Liste des articles publiés

Germon A., Laclau J.-P., Robin A., Jourdan C., 2020. Tamm Review: Deep fine roots in forest ecosystems: Why dig deeper? Forest Ecology and Management, 466: 118-135. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2020.118135

Germon A., Jourdan C., Bordron B., Robin A., Nouvelon Y., Chapuis-Lardy L., de Moraes Gonçalves J. L., Pradier C., Guerrini I. A., Laclau J.-P., 2019. Consequences of clear-cutting and drought on fine root dynamics down to 17 m in coppice-managed eucalypt plantations. Forest Ecology and Management, 445: 48-59. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2019.05.010

Germon A., Guerrini I. A., Bordron B., Bouillet J.-P., Nouvelon Y., de Moraes Gonçalves J. L., Jourdan C., Paula R. R., Laclau J.-P., 2018. Consequences of mixing *Acacia manium* and *Eucalyptus grandis* trees on soil exploration by fine-roots down to a depth of 17 m. Plant and Soil, 424 (1-2): 203-220. https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-017-3428-1

**Grade et diplôme** : Docteure en Écologie fonctionnelle.

**Université** : Montpellier SupAgro (France) et São Paulo State University UNESP (Brésil)

**Date de soutenance** : 21 Juin 2019

**Composition du jury**

**Direction** : Jean-Paul LACLAU (Co-Directeur, CIRAD & UNESP), Christophe JOURDAN (Co-Directeur, CIRAD, UMR Eco&Sols)

**Membres** : Jean-Christophe DOMEC (Président du Jury, Professeur, Bordeaux Sciences Agro), Daniel ERON (Rapporteur, Professeur, Université de Lorraine), Alain PIERRET (Rapporteur, Chargé de recherche, IRD), José LEONARDO GONÇALVES (Examinateur, Professeur, ESALQ-USP, Brésil), Catherine ROUMET (Invitée, Chargée de recherche, CEF/E/CNRS, Montpellier), Ciro Antonio ROSOLEM (Invité, Professeur, UNESP, Brésil)

**Langue de rédaction** : Anglais

**Accès au manuscrit** :

http://publications.cirad.fr/une_notice.php?dk=596633

**Contact** : UMR Eco&Sols, Écologie fonctionnelle et biogéochimie des sols et agro-écosystèmes, Campus SupAgro, Bâtiment 12, 2 place Viala, 34060 Montpellier

amandine.germon@gmail.com — https://www.agermon.com/