Les bioindicateurs de l’acidité du sol en dendrochimie

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Sophie Wieruszeski

To cite this version:

Sophie Wieruszeski. Les bioindicateurs de l’acidité du sol en dendrochimie. Sciences du Vivant [q-bio]. 2011. �hal-02809425�

Mémoire de Fin d’Etudes

WIERUSZESKI Sophie

Promotion 39 (2010 – 2011)

Elève ingénieur ISARA-Lyon

Soutenu le : 29 septembre 2011

Enseignant Responsable :

Directeur de mémoire :

M. PAYET Vincent

M. PONTON Stéphane

ISARA-Lyon INRA – Nancy

23 rue Baldassini 54280 CHAMPENOUX

69364 LYON CEDEX 07

Les bioindicateurs de l’acidité du sol en

dendrochimie

Ce document ayant été réalisé par des Elèves-Ingénieurs de l’ISARA-Lyon dans le cadre d’une convention avec l’INRA de nancy, toute mention, communication ou diffusion devra faire état de l’origine ISARA-Lyon et INRA de Nancy.

Sommaire

Remerciement ... 1

Introduction ... 2

1. Contexte et problématique : Acidification des sols forestiers et dendrochimie ... 5

1.1 Acidification des sols ... 5

1.2 La dendrochimie ... 6

2. Matériels et méthodes ... 11

2.1 Sélection des placettes ... 11

2.1.1 Présélection des placettes grâce aux Système d’information Géographiques ... 11

2.1.2 Indicateur floristique de pH ... 13

2.1.3 Prospection sur le terrain et demande d’autorisation de prélèvement ... 14

2.2 Prélèvements des échantillons ... 15

2.2.1 Echantillonnage des arbres ... 15

2.2.2 Echantillonnage des sols ... 16

2.3 Préparation des échantillons ... 17

2.3.1 Préparation des échantillons de bois ... 17

2.3.1 Préparation des sols ... 19

2.4 Analyse dendrochronologique ... 20

2.5 Analyse dendrochimique ... 21

2.6 Analyses statistiques ... 23

3. Résultats ... 27

3.1 Analyses des sols ... 27

3.1.1 Analyse générale des données sol ... 27

3.1.2 Création d’un indicateur acidité ... 31

3.2 Distribution spatiale des éléments dans le bois ... 33

3.3 Effet « placette » sur la teneur en éléments dans le bois ... 37

4. Discussion ... 49

Bilan des résultats ... 49

Problèmes rencontrés, pistes d'amélioration et perspectives ... 53

Conclusion ... 57

Bibliographie ... 59

Table des illustrations ... 62

Annexes ... 63

Annexe 1: Fiche de terrain, S. Wieruszeski ... 63

Annexe 2 : Analyse des caractéristiques de sol ... 64

Annexe 3 : Répartition spatiale des éléments dans la carotte de bois ... 66

Annexe 4 : Analyses statistiques, comparaison de moyennes (Tukey) ... 69

Annexe 5 : Analyse mixte de la variance par élément pour l’effet « placette » ... 75

1

Remerciement

Je tiens tout particulièrement à remercier Stéphane Ponton, mon maître de stage pour son accueil chaleureux, son aide et le soutien qu’il m’a apporté tout au long du stage. Merci à l’équipe pédagogique de l’ISARA-Lyon et surtout à Vincent Payet pour son suivi.

Je remercie également Christophe Rose pour le soutien technique qu’il m’a apporté, pour m’avoir appris à utiliser le microscope ainsi que pour ses bons conseils. Merci à Nicolas Métral qui m’a beaucoup aidé sur le terrain et sans qui je n’aurai rien pu faire.

Enfin, je voudrai remercier ma famille en particulier ma sœur Lucie ainsi que mes collègues-stagiaires et amis : Leslie, Rocio, Rémy et Damien pour leur soutien moral.

2

Introduction

En France, la forêt est un secteur important ayant une valeur économique grâce à la production de matières premières et d’énergie, mais aussi une valeur affective1. En effet, la forêt est considérée comme dans beaucoup d’autres pays comme un patrimoine, un bien hérité, relevant du domaine public. Aujourd’hui, la forêt est au cœur des discussions des politiques et des environnementalistes. Bien que le sujet fasse l’objet d’études poussées depuis la période d’après-guerre (Gaudin, 1996), la société a pris conscience récemment de l’importance de l’exploitation du bois et de la préservation de la forêt française. Les différentes catastrophes comme la tempête de 1999 ou la sécheresse de 2003, qu’ont subit les professionnels forestiers, ont amené une reconsidération de la vulnérabilité du secteur forestier et de l’importance de sa préservation.

L’importance de la forêt au niveau national a été mis en évidence lors du Grenelle de l’environnement en 20072. Les différentes fonctions de la forêt, les enjeux de sa préservation ainsi que les préoccupations actuelles de l’impact du changement climatique sur celle-ci, ont ainsi été rappelés. Afin de continuer la communication autour de ce sujet qui concerne l’ensemble de la société française, l’année 2011 a été consacrée « Année internationale des forêts ». Grâce aux événements publics et à l’intérêt grandissant des institutions pour ce secteur, on apprend aujourd’hui à comprendre le fonctionnement forestier et à connaitre le bois et son mode de production. En l’espace de quelques années, ce sujet est devenu un des sujets à la mode et dont il faut parler.

Aujourd’hui en plus d’être un sujet d’actualité, le changement climatique est un fait3. Il faut donc s’adapter et comprendre l’impact d’un changement de milieu sur la forêt afin de réduire au mieux les conséquences négatives. A la différence des productions agricoles, la production du bois se fait généralement sur le long terme, jusqu’à une centaine d’années. Il est donc important de prévoir au mieux l’effet d’un changement de climat sur les forêts. Bien qu’il soit actuellement très présent dans la scène politique et dans les médias, ce thème est en réalité, étudié et suivi depuis des années. Depuis des siècles, des mesures sont prises, les données de températures par exemple, sont accumulées depuis 1860 et les premiers relevés de carbone atmosphérique datent de 1992. Les changements globaux sont une évolution des conditions de l’environnement. Dans le but de mieux comprendre le phénomène, ils sont scrutés et analysés. Le climat n’est pas le seul à changer, on constate également un changement de la fertilité et une acidification générale des sols. En effet, depuis la

1

Forêt Privée Française, « Conseils d’achat et de vente de forêt », in Forêts de France, n°467, Octobre

2003.

2

Ministère de l’Agriculture, « Grenelle de l’environnement et Assises de la forêt », Février 2008. 3

3 mécanisation et le basculement vers des systèmes de production intensifs, les sols sont devenus fragiles et leur dégradation est rapide (Montanarella, 1999). Les problèmes liés à l’acidification des sols forestiers, à l’appauvrissement ou aux pertes de sols agricoles sont nombreux aujourd’hui. De plus, une modification du climat implique un changement de l’environnement général, y compris au niveau de la faune et de la flore, le tout formant un écosystème sensible et vulnérable. Il faut également prendre en compte l’impact de l’activité humaine sur la forêt actuelle, comme la dénaturation des sols à cause des tassements créés par le passage d’engins lourds. L’important est de comprendre afin de pouvoir réagir. En effet, pour appréhender un changement futur, il est nécessaire de s’intéresser à la situation actuelle et à l’évolution passée. La reconstruction des changements environnementaux est une étape essentielle pour comprendre la situation actuelle et prévoir celle du futur. En effet, les conditions environnementales présentes sont le résultat de l’évolution passée. L’étude de la situation actuelle permet de comprendre les changements des variables environnementales clefs. Mais avant de s’intéresser à l’évolution temporelle d’une situation, il est important de pouvoir caractériser spatialement la situation.

Dans le cadre du Mémoire de Fin d’Etude (MFE), j’ai commencé mon stage de six mois à l’INRA de Nancy en janvier 2011, dans l’unité d’Ecologie et Ecophysiologie Forestières (EEF) sous la direction de Stéphane Ponton. Les thèmes de recherche de cette Unité Mixte de recherche (UMR) sont entre autres d’identifier et de comprendre les effets des changements de l’environnement sur le fonctionnement des écosystèmes forestiers. Deux aspects sont essentiellement abordés par l’équipe : un aspect temporel avec la mise en évidence des évolutions des conditions environnementales ou de l’impact d’anciennes pratiques agricoles sur la forêt d’aujourd’hui, cet aspect est largement représenté dans les travaux de l’unité et un aspect spatial avec la mise en évidence de bioindicateurs de la variation spatiale de l’environnement sur l’arbre et la composition du bois. Depuis quelques années, l’équipe de recherche a mis en place des méthodes afin d’exploiter les variations de composition du bois en éléments chimiques. Le but est à terme de retracer les évolutions passées des conditions de nutritions des arbres. C’est dans ce cadre que s’inscrit mon sujet de stage.

La problématique de l’étude est la mise en place d’un indicateur dendrochimique de l’acidité du sol en identifiant les éléments chimiques du bois qui peuvent être de bons indicateurs des caractéristiques physico-chimiques du sol.

L’objectif principal de mon étude est de mettre en place un indicateur dendrochimique4 des conditions chimiques du sol dans lequel pousse l’arbre. Comme caractéristique chimique du sol, nous nous sommes intéressés à l’acidité car c’est un paramètre important influençant,

4

4 entre autres, la disponibilité des différents éléments chimiques. Le but de l’étude est de trouver une correspondance entre les concentrations micro-élémentaires du bois et les caractéristiques physico-chimiques du sol. Nous cherchons un ou plusieurs éléments chimiques dont la concentration dans le bois est fortement dépendante du sol et qui pourrait donc par sa présence ou sa concentration, nous donner une information spatiale du type et des caractéristiques du sol.

Les hypothèses de départ de notre travail sont que la composition de la sève de l’arbre est différente selon les caractéristiques chimiques du sol et que les tissus de l’arbre gardent une trace de la composition de la sève au moment de son passage. Il serait donc possible de retracer la composition chimique d’un sol à partir de la composition chimique du bois.

Afin de définir un indicateur des caractéristiques chimiques du sol, nous devons nous intéresser à la répartition spatiale des éléments chimiques dans le bois (c’est-à-dire du cœur vers l’écorce) et dans les différents tissus. Nous tenterons donc de mettre en évidence d’éventuelles différences de stockage selon l’élément chimique considéré, le type de tissus, ou le type de bois (bois parfait5 ou aubier6). Nous essayerons également de mettre en évidence les éventuelles migrations des éléments dans le bois (remobilisation des cations présents dans le cœur vers l’aubier ou au contraire stockage de certains éléments dans le bois parfait).

Nous avons basé notre étude sur une vingtaine de placettes forestières établies dans le Nord-est de la France sur une large gamme d’acidité et de substrat et sur une espèce particulière : le chêne sessile (Quercus petraea). Notre échantillon devait permettre la mise en évidence des variations dans les caractéristiques physico-chimiques des sols afin de maximiser les différences potentielles de composition chimique du bois des arbres.

Cette étude s’est déroulée en quatre étapes impliquant des matériels et des compétences très différentes. La première étape a été une présélection de parcelles à partir de bases de données géographiques. La seconde étape incluait la validation sur le terrain de la présélection de parcelles ainsi que la réalisation de l’ensemble des prélèvements de sol et de bois. La troisième étape, en laboratoire, a été de préparer et de traiter des échantillons, notamment avec une analyse au microscope électronique à balayage. Enfin la quatrième étape a été la phase de traitement des données. Nous avons nous-mêmes réalisé l’ensemble du travail, depuis la sélection des placettes jusqu’au traitement des données.

5

Bois parfait ou duramen : bois mort au cœur de l’arbre, les vaisseaux sont bouchés, il n’y a plus de circulation de sève.

6

5

1. Contexte et problématique : Acidification des sols forestiers et

dendrochimie

Nos travaux font suite à une étude réalisée par A. Weitner (2007) dont le sujet de thèse était : « Analyse dendrochimique par spectrométrie de rayonnement X : application à l’étude de la nutrition des arbres et des variations spatiales et temporelles de l’environnement ». L’étude portait sur les différentes méthodes d’analyse (destructives et non destructives, voir § 1.1 pour une description détaillée) de la composition micro-élémentaire du bois tout en comparant deux sites d’étude : une zone très acide et une zone plutôt basique. Mon stage intervient à la suite de cette thèse et porte sur la recherche des bioindicateurs de l’acidité du sol en dendrochimie.

1.1 Acidification des sols

L’acidification des sols agricoles est un phénomène bien connu, faisant l’objet d’une surveillance à l’échelle Européenne. L’acidification des sols a été définie par le conseil et le parlement européen comme étant "l’effet de l’introduction de substances acidifiantes dans

l’environnement par dépôt atmosphérique" (COM(97)88). On s’est intéressé à ce phénomène

car il influence fortement la fertilité des sols. En effet, on a pu observer que l’acidification affecte l’activité biologique : elle empêche la décomposition des matières organiques et provoque une perte minérale.

Avec la mécanisation et l’industrialisation au XIX siècle, la consommation des énergies fossiles et la libération des polluants n’ont fait qu’augmenter7. Au cours des années 1980, l’Europe et l’Amérique du Nord ont pris conscience de l’augmentation des pluies acides et de leurs conséquences sur les systèmes aquatiques et forestiers notamment grâce à l’appui des nombreux travaux scientifiques parus sur les effets des polluants de l’air. Grâce à la convention de Genève sur « la pollution atmosphérique transfrontalière à longue distance » en 19798, une baisse de l’émission de substances acidifiantes comme : le dioxyde de soufre, les oxydes d’azote ou l’ammoniac, a été constatée dans l’Union Européenne.

Bien que les émissions aient diminuées6 depuis la convention de Genève (1979), l’acidification des sols est un processus encore en évolution et qui touche l’ensemble des sols agricoles et forestiers. Des études ont montré qu’elle pourrait être une des causes possibles du dépérissement forestier (Ulrich, 1983). L’acidification des sols forestier n’a été prise en compte que récemment car pour les forestiers la définition de la productivité des sols n’est pas la même que dans l’agriculture, pour eux elle mesure la capacité du sol à produire de la biomasse par unité de surface et de temps (Schoenholtz, Miegroet et Burger, 2000).

7

CITEPA, « Emissions dans l’air – la France face à ses objectifs »

8

6 De plus, l'acidification des sols augmente temporairement la disponibilité de certains cations comme le magnésium, le fer, l'aluminium, le calcium et des métaux lourds qui deviennent toxiques pour la plante à forte concentration (Giasson et Jaouich, 2008). La disponibilité d’un élément peut évoluer rapidement et de façon transitoire, de ce fait une carence ou un excès peut rapidement se faire sentir pour la plante. Certains éléments sont plus sensibles que d’autres aux variations rapides du milieu : c’est le cas du calcium et du manganèse (Perrono P., 1999).

Le suivi de l’acidification des sols est très bien organisé pour l’agriculture. A la différence du secteur forestier, la production agricole est annuelle et donc le suivi se fait au cours d’une saison de production. La production forestière se fait à plus long terme et donc un suivi des conditions est plus difficile en raison de l’absence de conséquences immédiates sur le peuplement. Pour la forêt, nous possédons aujourd’hui des outils (relevés de sol, relevés floristiques, analyses dendrochimiques, etc.) qui peuvent compenser ce manque en nous permettant sous certaines conditions de remonter le temps afin de suivre l’évolution de l’acidification.

L’évaluation de l’acidification d’un sol peut se faire directement par l’étude du sol. En effet, des travaux (Dupouey et Al.,1998) ont montré une perte globale en cations, particulièrement en calcium et en magnésium, dans l’horizon de surface du sol. La méthode utilisée est le rééchantillonnage : des échantillons de sols ont été prélevés et analysés dans les années 1970, les placettes ont ensuite été relocalisées et rééchantillonnées en 1998. Cela a permis de décrire l’évolution des concentrations en éléments et des caractéristiques des sols pendant la période 1970-1998. Une autre technique de description de l’évolution temporelle des caractéristiques d’un sol est l’inventaire floristique. De nombreux travaux se sont ainsi basés sur la différence de composition floristique d’une placette pour indiquer et évaluer un changement. Thimonier (1994) a ainsi montré l’impact des activités anthropiques sur les caractéristiques édaphiques (c’est-à-dire les caractéristiques géologiques et physico-chimique des sols). Le caractère bio-indicateur des plantes a ainsi été démontré.

1.2 La dendrochimie

Les arbres stockent des informations sur leur environnement durant la phase de croissance (Raven et Al.,2003). Dans les milieux tempérés comme en Europe, les arbres ont une croissance cyclique : ils produisent du bois durant la période d’activité ou saison de végétation (d’avril à septembre pour le hêtre par exemple) puis ils stoppent leur croissance pendant la saison hivernale, on parle de dormance. Les cernes sont alors clairement

7 identifiables et correspondent à une année. C’est Douglass Ellicott Andrew 9qui fut le premier à découvrir un lien entre le climat et la croissance des arbres. La production de bois et donc d’un cerne est influencée par le climat, l’environnement naturel et l’activité anthropique. La dendrochronologie est l’étude des cernes de croissance du bois. La dendrochronologie est non seulement une méthode de datation du bois mais également un moyen de retracer le climat passé, à partir de l’analyse des largeurs de cernes. La dendrochimie est l’étude de la composition chimique des cernes de l’arbre (Baes et Ragsdale, 1981 ; Baes et McLaughlin, 1984). Elle y associe des données dendrochronologiques, de chimie des sols et des connaissances physiologiques des végétaux (Guyette et Al.,1992). L’étude est basée sur les connaissances anatomiques de l’arbre comme le fonctionnement des vaisseaux et les types de diffusion des éléments dans l’arbre.

Afin de mieux comprendre la composition chimique du bois, il est nécessaire de s’intéresser à l’anatomie globale de l’arbre et à son fonctionnement. La croissance d’un arbre se fait de deux façons différentes : une croissance en hauteur, dite croissance primaire, et une croissance radiale appelée croissance secondaire. La croissance primaire résulte de l’activité des méristèmes apicaux, elle aboutit à l’allongement de l’axe vertical. La croissance secondaire quant à elle, dépend de l’activité du méristème latéral appelé le cambium. Les cellules du xylème (le bois) et celles du phloème (l’écorce) sont formées à partir des cellules du cambium. Le cambium est l’assise génératrice libéro-ligneuse. Elle est composée de quelques couches de cellules indifférenciées et produit les cellules du phloème et du xylème par division cellulaire. Dans le xylème, des cellules indifférenciées, les cellules initiales, se différencient en trois types majeurs de cellules, chez les Angiospermes, assurant chacun une fonction spécifique dans l’arbre. Les fibres assurent une fonction de soutien dans l’arbre, elles sont allongées et ont une paroi secondaire très épaisse et lignifiée. Les cellules des vaisseaux assurent la conduction verticale de la sève. Ces cellules sont creuses et possèdent une paroi terminale perforée et des ponctuations sur les parois latérales permettant une communication latérale. Enfin, les cellules des rayons ligneux sont essentiellement des cellules parenchymateuses qui forment un réseau de tissus conducteurs orientés horizontalement permettant la communication radiale et le stockage des éléments chimiques (Raven et Al.,2003), (figure 1).

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McGraw D., « Andrew Ellicott Douglass and the Big Trees“, American Scientist, Septembre-Octobre 2000, vol. 88 5:440.

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Figure 1: Photographie d’une carotte de bois fendue dans le sens longitudinal-radial au microscope électronique à balayage. Grandissement x100, EHT = 20,00kV, I Sonde =2nA, WD= 15 mm. Photographie prise par S. Wieruszeski (2011).

D’un point de vue composition chimique, le bois est composé à 99% de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Une trentaine d’éléments se partagent le dernier pourcent. On regroupe ces éléments en deux catégories : les macroéléments qui sont le sodium, le potassium, le phosphore, le soufre, le calcium, le magnésium et le chlore et les microéléments ou oligo-éléments qui sont le fer, le zinc, le manganèse, le cuivre, l’aluminium ou encore des éléments comme le cobalt, le nickel ou le bore. Ces éléments ne pouvant être synthétisés, ils sont collectés dans l’environnement extérieur de la plante à savoir le sol et l’air par dépôt atmosphérique. L’essentiel de l’absorption des minéraux se fait par voie racinaire. Les éléments sont disponibles dans la solution du sol. La concentration de ces différents nutriments dans les tissus de l’arbre dépend donc du type de sol, des caractéristiques de celui-ci, de la nature de la roche mère et de l’absorption racinaire.

Une fois absorbés, les nutriments circulent dans l’arbre grâce aux vaisseaux et sont distribués aux cellules. Ils peuvent diffuser de deux façons différentes : par voie symplasmique ou par voie apoplasmique. La voie symplasmique est le transfert des éléments de cytoplasme à cytoplasme grâce aux plasmodesmes qui sont des canaux traversant les parois pecto-cellulosiques des cellules. Le transfert se fait grâce au gradient de concentration. La voie apoplasmique est la circulation des ions dans les espaces extra-cytoplasmiques. Les parois cellulaires étant chargées négativement, elles fixent les ions positifs à leur passage, ainsi les cations n’ont pas une circulation libre par cette voie. Au passage de la sève, les cations sont adsorbés (c’est-à-dire fixés à la surface) sur les parois des vaisseaux. C’est cette spécificité que nous expliquerons et exploiterons dans la suite du rapport.

On peut mettre en évidence une évolution temporelle de la composition du cerne en comparant les compositions chimiques des cernes entre eux. On observe que dans les ouvrages scientifiques, cet aspect est bien représenté en dendrochimie. Mais on peut également déterminer des indicateurs spatiaux de l’environnement en comparant les compositions des cernes de bois avec les analyses de sol, c’est le but de notre étude. Pour

Rayon Fibres

9 l’aspect spatial, l’analyse foliaire est beaucoup plus utilisée que le bois. Or, les feuilles sont soumises à de fortes variations intra-annuelles et ne permettent uniquement l’étude de l’année en cours. Comme le montre De Visser (1992), les carottes de bois sont un bien meilleur indicateur de la nutrition minérale de l’arbre que les feuilles car les feuilles fixent les éléments pour une seule saison de végétation. Tandis que dans les carottes, on a donc un stockage de l’information.

L’indicateur pour être efficace, doit se fixer facilement dans les vaisseaux et ne plus se déplacer dans le bois. Les cations sont adsorbés au moment du passage de la sève. La circulation de sève ne se fait que dans les derniers cernes formés, c’est-à-dire dans l’aubier. Toutefois, la fixation des cations n’est pas permanente sur la paroi de vaisseaux. Se pose alors la question du transfert ou migration d’éléments. Dans le bois, il existe la circulation verticale dans les vaisseaux (montée de la sève brute) et la circulation radiale (dans l’aubier) grâce aux rayons ligneux. Cette circulation radiale peut entraîner une remobilisation des cations d’un cerne à l’autre. Bien qu’elle soit encore mal connue, il semble que des mouvements centrifuges et centripètes (c’est-à-dire le stockage de certains éléments dans le bois parfait) soient possibles. C’est ce qu’a montré l’étude de Lindeberg (2004) où des parcelles forestières avaient été artificiellement acidifiées. L’étude dendrochimique du bois mettait en évidence une augmentation du manganèse dans les cernes de l’arbre récents mais également dans les cernes antérieurs à l’acidification artificielle, ce qui prouve une migration de cet élément vers le cœur.

Par ailleurs, des études ont montré que la capacité de liaison cationique (CBC) diminue avec l’âge du cerne. Bondietti et Momoshima (1990) ont montré que la CBC diminue avec le temps du cœur vers l’aubier en constatant une diminution des concentrations en éléments dans les cernes du cœur par rapport aux cernes récents. La CBC de certains éléments minéraux a tendance à décroître avec le vieillissement du cerne. On peut contrôler cette perte d’information en travaillant sur des rapports de concentration, on élimine ainsi le biais causé par le vieillissement du cerne (Bondietti et al.,1989). De plus en étudiant des groupes de cernes sur des périodes de 5 à 10 ans et non pas sur des cernes individuels, on favorise les effets environnementaux en minimisant les phénomènes internes.

Les outils dendrochimiques sont très utilisés pour l’étude de l’évolution de la pollution des sols : les pollutions en métaux lourds comme le mercure (Siwik et Al.,2010) ou le cadmium (Hagemeyer, 1995), les effets des essais nucléaires (Momoshima et al, 1995) ou les effets des pluies acides et de l’acidification des sols depuis l’industrialisation (Baes et McLaughlin, 1984 ; Chen et Al.,2010 ; Guyette et Al.,1992 ; Martin, 2001 ; Kuang et Al.,2008 ; Penninckx et

10 Dans les études dendrochimiques, plusieurs méthodes d’analyse sont utilisées. En effet, il existe différentes techniques pour mesurer les concentrations micro-élémentaires, certaines destructives, nécessitant généralement le broyage des échantillons et la minéralisation chimique des éléments, d’autres non-destructives où l’intégrité des carottes est conservée. Les méthodes destructives sont la spectrométrie d’absorption atomique de flamme (FAAS) et la spectrométrie de masse à torche plasma (ICP-MS). Les méthodes non-destructives plus récentes et basées sur l’analyse du rayonnement X (Lindeberg, 2004), sont la microscopie électronique à balayage (MEB) à pression variable dont le faisceau est électronique (EDS, WDS), la MEB à faisceau de rayon X (EDXRF), la microscopie avec particules chargées (PIXE) ou encore la méthode du synchrotron à fluorescence X (SXRF).

La technique utilisée dans notre travail est l’analyse grâce au microscope électronique à balayage. Le principe de base de cette technique est le balayage de la surface de l’échantillon par un faisceau d’électrons issus d’un filament de tungstène par effet thermoélectronique. Le filament est chauffé à très haute température, les électrons émis sont alors focalisés et accélérés dans la colonne du microscope. Les électrons primaires irradient la surface de l’échantillon placé dans la chambre sous un vide secondaire (10e-3 Pa). L’interaction du faisceau primaire avec l’échantillon produit une émission d’électrons secondaires qui sont collectés et permettent une numérisation à haute résolution de la surface irradiée (imagerie MEB), d’autres rayonnements sont collectés et en particulier des photons (rayons X) qui sont spécifiques de la nature de la matière (c’est-à-dire des atomes) rencontrée par le faisceau primaire ; ce phénomène permet la microanalyse chimique de la surface balayée par le faisceau (Brisset (2008)).

Les détecteurs couplés au microscope sont des spectromètres de type EDS (Energy Dispersive Spectrometer), qui mesure l’énergie du rayonnement X collecté, et de type WDS (Wavelength Dispersive Spectrometer), qui mesure la longueur d’onde du rayonnement. Alors que l’EDS capte toutes les énergies et est capable de différencier ces rayonnements et donc de réaliser une analyse chimique qualitative instantanée de l’échantillon balayé, le WDS est paramétré sur une seule longueur d’onde. L’EDS va en une seule mesure donner une information pour tous les éléments alors que le WDS ne pourra traiter qu’un élément à la fois. L’absence de standard adéquat (c’est-à-dire de structure homogène, ayant une surface plane et polie) pour les analyses dans le bois ne permet cependant qu’une estimation dite semi-quantitative de l’élément exprimée en titre massique. On ne peut pas en déduire la concentration absolue mais seulement comparer des échantillons analogues entre eux, s’ils ont été analysés dans des conditions rigoureusement identiques (F. Brisset, 2008).

11

2. Matériels et méthodes

2.1 Sélection des placettes

Nous avons choisi de mettre en place un réseau d’une vingtaine de placettes forestières dans le Nord-est de la France sur une large gamme d’acidité et de substrat et sur une espèce particulière : le chêne sessile.

2.1.1 Présélection des placettes grâce aux Système d’information Géographiques

La sélection des placettes a été réalisée à partir de la superposition de données géoréférencées (i) de l’équipe Phytoécologie, (ii) de l’ONF/IFN (base SINPA), (iii) de données géologiques (Infoterre, BRGM et (iv) des données topographiques de l’IGN (scan25 de la région Nord-est). Cette superposition d’informations géographiques a été effectuée à l’aide d’un logiciel de traitement des Systèmes Informatiques Géographiques (Quantum GIS,OSGéo).

Les données de l’équipe Phytoécologie comprennent des informations sur l’altitude, l’âge moyen du peuplement forestier, la pente, l’espèce ligneuse dominante et un indice floristique du pH (voir § 3.1.2 pour une description détaillée).

La base SINPA propose des informations concernant le parcellaire ONF (numéro et localisation des parcelles, la propriété domaniale, communale ou privée et, le cas échéant, l’agence ONF responsable) ainsi que des informations recueillies par l’IFN sur le type de peuplement forestier et les caractéristiques physiques de la parcelle.

Nos critères de sélection des parcelles sont les suivants :

- Age de l’arbre : 100-140 ans

Nous avons souhaité travailler sur des arbres adultes afin d’avoir un échantillon homogène en terme de conditions de nutrition. En effet, si l’arbre est trop jeune, la nutrition minérale n’est pas optimale à cause d’un manque de maturité du système racinaire. Tandis que si l’arbre est trop vieux, les cernes du duramen sont âgés et donc leurs capacités de fixation des éléments dans le bois (CBC) diminuent.

- Espèce : chêne sessile (Quercus petraea)

Cette espèce a été sélectionné car la volonté initiale était de trouver une espèce longevive, bien représentée dans les forêts françaises et supportant une gamme assez large de conditions écologiques. Le chêne a été préféré au hêtre à cause de la présence d’un duramen bien marqué et de la mise hors fonction de son bois initial chaque hiver concernant la conduction d’eau. Le chêne sessile a été préféré au pédonculé grâce à sa plus grande amplitude écologique. Le choix de cette espèce a également apporté des avantages non négligeables pour l’analyse dendrochimique. En effet à la différence du chêne pédonculé, le chêne sessile produit peu de bois initial. Il n’y a généralement qu’une seule rangée de gros vaisseaux, ce qui

12 permet une meilleure identification des cernes pour le comptage. Il y a aussi moins de perte d’information sous le Microscope Electronique à Balayage (MEB) grâce à une faible proportion de trou sur la largeur totale du cerne.

- Altitude : < 400m

Afin d’éviter les trop grosses variations de climat, nous avons sélectionné uniquement des parcelles dont l’altitude est inférieure à 400 m. Le fait de travailler sur une région comme le Nord-est entraine déjà une variation non négligeable du climat local entre les placettes du nord et celles du sud-ouest de la zone d’étude.

- Pente : faible ou nulle

Nous avons décidé de limiter au maximum les zones en forte pente pour éviter les limites de couches géologique et faciliter la phase de prélèvement.

- Peuplement : futaie régulière

Nous avons sélectionné des futaies régulières pour homogénéiser l’échantillon. De plus il est possible que le peuplement ait un effet sur le climat local.

- Propriétés : forêts domaniales

Il était important pour nous de choisir des forêts domaniales donc gérées par l’ONF (Office Nationale des Forêts), car cela offre l’avantage de n’avoir qu’un seul interlocuteur.

L’ensemble de ces informations est combiné sur des cartes (Figure 2).

13 Nous avons également utilisé les informations géologiques du site Infoterre10, cela nous a permis de connaitre grâce aux coordonnées GPS des parcelles, la géologie de la zone afin de ne pas sélectionner des placettes dont la géologie est trop complexe pour être exploitable (c’est-à-dire zone de faille ou limites de couches).

2.1.2 Indicateur floristique de pH

L’indicateur de pH (données de l’Inventaire Forestier National IFN) nous donne une information indirecte sur l’acidité de surface du sol. La flore superficielle est fortement influencée par le pH de surface, elle est donc caractéristique de cette valeur. Ainsi en étudiant la flore, on obtient indirectement une information sur le degré d’acidité de la zone. L’échelle de l’indicateur est présentée dans le tableau I.

Tableau I : Signification de l’Indicateur floristique de pH. D’après Éric Bruno, Jacques Drapier et Cédric Duprez (IFN,

2010)

Indice Signification

1 hyper acidiphile ou très acidiphile

2 acidiphile 3 faiblement acidiphile 4 mésoacidiphile 5 acidicline 6 neutroacidicline 7 mésoneutrophile 8 neutrophile 9 neutrocalcicole 10 calcicole 11 calcaricole

Cette information nous donne uniquement une estimation de l’acidité de la couche superficielle du sol avec une dissymétrie : les milieux acides sont plus représentés dans l’échelle que les milieux basiques.

Afin d’avoir un réseau de placettes complet, il est important de vérifier le substrat (c’est-à-dire le type de roche-mère et sa composition) et donc la géologie pour confirmer que l’indicateur du pH ne corresponde pas uniquement à des caractéristiques de surface et d’avoir si possible pour chaque indice, différents substrats (figure 3).

10

Infoterre, portail géomatique d’accès aux données géoscientifiques du BRGM édité par l’Open Geospatial Consortium (OGC), site disponible sur : http://infoterre.brgm.fr/

14

Figure 3 : 27 placettes présélectionnées dans le Nord-est. (QuantumGis)

2.1.3 Prospection sur le terrain et demande d’autorisation de prélèvement

Chaque prélèvement a fait l’objet d’une demande d’autorisation de carottage auprès de l’agence ONF gérant les parcelles sélectionnées et en accord avec la direction du département Recherche & Développement de l’ONF. Contrairement à ce qui pourrait paraître, cette étape a été particulièrement longue et chronophage. En fin de compte, une seule agence sur les sept contactées, a refusé les prélèvements.

La prospection a consisté à visiter les parcelles présélectionnées. Quand la parcelle semblait intéressante, c’est-à-dire quand elle respectait nos critères de peuplement, d’âge, de pente et qu’il était possible de trouver des chênes sessiles de qualité C ou D11 dominant ou co-dominant facilement accessibles pour le carottage, nous l’avons décrite : peuplement, sol, arbres (qualités, taille, diamètre, âge…).

Nous avons sélectionné vingt placettes (tableau II). Comme il existe des substrats différents caractéristiques d’un même indice de pH, nous avons fait le choix de sélectionner pour chaque indice de pH autant de placettes que nécessaire pour avoir une bonne représentativité des différents degrés d’acidité que l’on trouve dans le Nord-est.

Il a été difficile de trouver des placettes basiques car bien que le chêne sessile ne soit pas une espèce exigeante, la sylviculture actuelle favorise plutôt le hêtre voire le chêne pédonculé sur les sols les plus basiques.

11

Les arbres de qualité C sont les plus courants. Dans cette catégorie, les défauts tels que les nœuds sains de taille inférieure à 4cm, les picots et les brognes sont acceptés. La qualité D est la dernière catégorie avant le déclassement de l’arbre, les gros défauts même nombreux sont acceptés, les seules conditions sont la taille supérieure à 2m et le diamètre supérieur à 25cm. Classification FCBA (Forêt Cellulose Bois Ameublement)

15

Tableau II : Liste des placettes sélectionnées.

Dpt Forêt Parcelle CPP Age Agences Géologie

2

57 Hanau I 53 X 120 Sarrebourg Grès bigarré moyen. Grès vosgien inférieur 57 Hanau III 322 57390N166-4 140 Sarrebourg Grès bigarré moyen. Grès vosgien inférieur 55 Grand Pays 103 _55334N-4810 120 Verdun Gaize d'Argonne

88 Rambervillers 51 88302N-6604 160 Vosges montagne Muschelkalk inférieur.

3 57 Mouterhouse 49 57376N166-4 120 Sarrebourg Grès bigarré moyen. Grès vosgien supérieur

57 Mouterhouse 82 57372N147-4 140 Sarrebourg Grès bigarré moyen. Grès vosgien supérieur

4

88 Darney 110 88312N-4812 140 Vosges ouest Muschelkalk inférieur : grès et argiles rouges 88 Darney 171 88318N-4812 correct Vosges ouest Muschelkalk inférieur : grès et argiles rouges

5

54 Champenoux 22 X 120 Meurthe et Moselle marnes à Amalthéus margaritatus 88 Darney 229 88308N-6912 correct Vosges ouest Muschelkalk inférieur : grès et argiles rouges 88 Darney 107 88310N-6812 140 Vosges ouest Muschelkalk inférieur : grès et argiles rouges

6

54 Brin 33 54386N-2822 120 Meurthe et Moselle marnes à Amalthéus margaritatus 57 Fenetrange 38 57348N262-3 140 Sarrebourg Keuper inférieur : Marnes irisées inférieures

7

54 Bois-l'évèque 11 54382N-4331 100 Meurthe et Moselle grès à oolithes + alluvions anciennes galets graviers 57 Hesse 228 57378N268-3 120 Sarrebourg Muschelkalk inférieur moyennement argileuse

8 21 Chatillon 312 X correct Bourgogne Est calcaire à faciès comblanchien

9 55 Sommedieu 79 55374N-0021 correct Verdun Marno-calcaire

54 Bois l'évêque 67 54398N-2231 100 Meurthe et Moselle Oolithe blanche à Clypeus angustiporus

10 55 Sommedieu 132 55378N-0711 correct Verdun calcaires et marno-calcaires

11 21 Chatillon 730-731 X correct Bourgogne Est Oolithe blanche et calcaires bioclastique

2.2 Prélèvements des échantillons

Dans chaque placette, cinq chênes sessiles de qualité C ou D sont sélectionnés, parmi les individus dominants, et marqués à la peinture d’un numéro variant de 1 à 5. Un point GPS est pris au centre de la placette (GPS trimble GeoXT, muni d’une antenne de réception de 2.5m, D3E électronique, Sainte-Savine).

Afin d’avoir une bonne traçabilité de nos échantillons, nous avons convenu d’un code d’identification composé du numéro de département (00), du nom du massif forestier (AAA), du numéro de placette (000), du numéro de l’arbre (de 1 à 5) et du nom de la carotte de bois (A, B ou C).

Toutes les informations et les caractéristiques de la placette sont collectées et une fiche de terrain a été complétée par placette12.

2.2.1 Echantillonnage des arbres

La qualité de l’arbre est importante pour la qualité des carottes, il est nécessaire qu'il n'y ait pas de gros défauts qui puissent nuire à la nutrition minérale de l’arbre et la bonne lisibilité

12

16 des cernes de bois. Deux carottes à cœur et à 1,30m de hauteur sont prélevées, l’une au dessus de l’autre, dans le même sens et la même direction, afin qu’elles contiennent la même information, sur cinq chênes sur chaque placette.

Entre chaque carotte, le foret est nettoyé avec un chiffon sec pour éliminer les tanins, gênants la lisibilité des carottes, et limiter les pollutions. Entre chaque arbre, la tarière et l’extracteur sont nettoyés à l’éthanol pur pour éviter les propagations de microorganismes pathogènes et limiter les pollutions et séchés car l’éthanol dégrade les cellules de l’assise cambiale et ralentit la cicatrisation. Les carottes sont ensuite identifiées et stockées individuellement dans des étuis. Une boite contient les carottes des cinq arbres de la placette. Après l’extraction, les trous sont rebouchés avec des tourillons de hêtre traité avec un antifongique et un mastic cicatrisant est appliqué.

Deux échantillons d’écorce sont également prélevés au pied de l’arbre à l’aide d’un emporte-pièce.

2.2.2 Echantillonnage des sols

Le sol est échantillonné à environ 2m de l’arbre marqué, afin d’être assez proche tout en évitant les racines. L’horizon organominéral entre 0 et 5 cm a d’abord été prélevé à l’emporte-pièce en acier en prenant soin de gratter la couche organique. Puis les quinze premiers centimètres (entre 0 et 15 cm de profondeur) ont été retirés à la tarière hollandaise13. Enfin la couche profonde entre 15 et 30 cm a été prélevée.

Nous ne conservons que les couches 0-5 et 15-30. Nous prenons systématiquement le profil en photographie (figure 4) afin de conserver les informations sur la structure, la couleur, etc. Les cinq couches 0-5 et les cinq couches 15-30 sont rassemblées dans deux sacs afin d’éliminer les particularités de chaque prélèvement et d’avoir un échantillon homogène caractéristique de la placette.

13

17

Figure 4 : Profil de sol Forêt de Hesse, parcelle numéro 229, arbre 2. Photographie prise par S. Wieruszeski (2011).

2.3 Préparation des échantillons

2.3.1 Préparation des échantillons de bois

Une fois la phase de terrain terminée, les échantillons de bois sont congelées à -26°C puis la meilleure des deux carottes par arbre c’est-à-dire la plus lisible, à cœur et sans défaut, est planée et lyophilisée. Le planage14 (voir dispositif figure 5) permet d’obtenir un plan transversal net, les cernes sont clairement identifiables et la surface est plane.

Afin de simplifier le codage, nous avons choisi de créer un nom de placette, sous le même principe que le projet hêtraie-Nord-est, un réseau de placette de hêtres dans le nord-est de la France (Thimonier, 1994). Nous avons baptisé notre projet : Chênaie du Nord-est (CNE). Le code utilisé pour le traitement des carottes au MEB est composé du numéro de placette CNE de 01 à 20, numéroté dans l’ordre de prélèvement et du numéro de l’arbre (de 1 à 5).

Figure 5 : Dispositif pour le planage des carottes. Photographie prise par S. Wieruszeski (2011).

Les numéros de la placette CNE et de l’arbre sont notés sur le flanc de la carotte. Elles sont ensuite recongelées.

14

Pour les carottes de chêne, l’angle entre la lame et la carotte doit être de 0,7 à 0,8° pour que la la me glisse et n’arrache pas le bois.

18 Afin d’éviter toute pollution, toutes les manipulations sont faites avec des gants et le matériel est nettoyé à l’éthanol pur entre chaque carotte. Comme nous recherchons une composition de surface en microéléments, il est important d’éviter les transferts de minéraux vers la carotte par le contact direct avec l’échantillon.

La lyophilisation (voir dispositif figure 6) permet d’évaporer l’eau libre et liée en passant directement de l’état de glace à celui de vapeur. Elle se fait en trois phases :

1) Suppression de l’eau libre par application d’un vide primaire (6-8Pa) à -40°C

2) Séchage en profondeur grâce à une légère remontée en température qui permet d’augmenter le gradient de température avec le condensateur (-80°C)

3) Affinage du séchage avec remontée progressive de la température jusqu’à une température légèrement supérieure à la température ambiante, cela permet un séchage à long terme de la carotte

Les disques d’écorces sont également lyophilisés sans prétraitement (hormis la congélation) avant stockage.

Figure 6 : Lyophilisateur. Photographie prise par S. Wieruszeski (2011).

Le lyophilisateur est composé de deux étages : un qui gère le vide et collecte l’eau et un pour la lyophilisation. Il est nécessaire avant de procéder à la lyophilisation et donc d’installer les échantillons d’atteindre l’équilibre : le collecteur doit être à -80°C, le vide primaire (8-10 Pa) doit être installé, la différence entre le vide dans le collecteur et celui dans la chambre inférieure doit être compris entre 4 et 6 Pa et la température de sortie de la chaine de froid doit être égale à -40°C. Une fois cette consigne atteinte on peut c asser le vide de la chambre et y mettre les échantillons congelés sur grille. Le retour à l’équilibre et le début de la lyophilisation est rapide (c’est-à-dire de l’ordre de la demi-heure). La lyophilisation dure une semaine. Les carottes sont alors stockées de manière individuelle, dans des pochettes plastiques hermétiques. Une pochette contient cinq carottes, une carotte de chacun des cinq arbres de la placette concernée.

19

2.3.1 Préparation des sols

La préparation des sols a été faite dans les laboratoires de l’INRA de Nancy par nos soins. Les échantillons de sol ont été séchés à l’étuve à 35°C pendant 7 à 9 jours, en fonction du type de sol, avant d’être tamisés sur un tamis à tambour de maille 2mm (figure 7). Pendant le séchage, l’échantillon est mélangé quotidiennement afin d’obtenir une homogénéité et d’augmenter la vitesse de séchage. Le temps de tamisage est contrôlé de façon à éviter que les racines présentes dans les échantillons ne soient broyées dans le tambour et incorporées à l’échantillon tamisé.

Figure 7 : Tamis à tambour. Photographie prise par S. Wieruszeski (2011).

Pour chaque placette, deux échantillons de 300 grammes de terre tamisée correspondant aux couches 0-5 cm et 15-30 cm ont été envoyés au Laboratoire d’Analyse des Sols de Arras (INRA). Les caractéristiques suivantes ont ainsi pu être mesurées: pHeau et pHKCl,

capacité d’échange cationique (CEC), concentrations en protons ([H+]), matière organique (MO), carbone et azote organiques, calcium (C), manganèse (Mn), sodium (Na), potassium (K), fer (Fe), magnésium (Mg) et aluminium (Al).

Dans ces analyses, nous avons deux mesures d’acidité : une mesure de l’acidité dite réelle due à la concentration en protons dans le sol, faite par dissolution de la terre dans de l’eau distillée, c’est le pHeau et une mesure de l’acidité d’échange due aux protons et aux cations

Al3+ faite par extraction avec une solution de KCl, c’est le pHKCL.

Parmi les placettes choisies, la placette CNE06 (FD Mouterhouse, parcelle 49) fait partie d’un autre dispositif expérimental RENECOFOR, nous avons donc utilisé les données disponibles afin de ne pas faire d’analyse inutile. Les données disponibles grâce aux relevés et analyses RENECOFOR sont les mesures du carbone et de l’azote organiques, du C/N, du

20 pHeau, de la CEC, de la quantité de protons ainsi que les concentrations en Ca, Mg, Na, K, Mn

Et Al. Ces mesures ont été faites pour des profondeurs comparables à nos analyses. Les données manquantes sont le pHKCl le fer, le sodium et la quantité de matière organique

présente.

2.4 Analyse dendrochronologique

Le comptage des cernes de la carotte est la première étape de l’analyse en effet elle permet de distinguer les zones à analyser dans l’aubier et le duramen pour l’étude de la répartition spatiale des éléments selon le type de bois (aubier ou duramen). Cela permet également d’obtenir l’âge exact de l’arbre.

Les carottes après avoir été lyophilisées sont scannées avec une résolution de 1200 dpi (Dots Per Inch) c’est-à-dire de 1200 points par pouce. L’étude dendrochronologique, réalisée avec le logiciel CooRecorder ®, a permis d’accéder à l’accroissement annuel de chaque arbre avec une précision au centième de millimètre sur l’ensemble de la carotte. Une étape dite d’interdatation a conduit à attribuer une année à chaque cerne sans risque d’erreur.

Le principe de l’interdatation repose sur la confrontation graphique des accroissements annuels de chaque carotte avec une courbe de référence. Lorsqu’aucune courbe de référence n’est disponible, la courbe moyenne pour l’ensemble des carottes prélevées sur un massif est utilisée (Figure 8).

Figure 8 : Exemple de courbe de référence montrant l’évolution des largeurs moyennes de cerne de 1900 à 2010.

Une année est considérée comme caractéristique si au moins 70% des individus de l’échantillon suivent la même tendance de croissance (c’est-à-dire diminution ou augmentation de l’accroissement par rapport au précédent). Les années caractéristiques sont signalées en jaune, orange ou rouge, lorsque plus de 70%, 80% et 90% des individus, respectivement, suivent la même tendance de croissance. Les segments en noir sont des années non caractéristiques. Sur cet exemple, l’année 1969 est très caractéristique pour sa forte croissance radiale, alors que l’année 1976 est une année caractéristique pour sa faible croissance (année de forte sécheresse).

Lorsque toutes les carottes ont été datées, nous avons sélectionné les trois périodes à analyser au microscope électronique à balayage.

21 En effet, la carotte n’est pas analysée en intégralité. L’analyse de la composition micro-élémentaire nécessite beaucoup de temps15, c’est pourquoi nous avons décidé d’analyser trois périodes de 10 ans par carotte.

A l’issu de l’étape d’interdatation, un examen de la croissance des arbres est réalisé visant à permettre la sélection de trois périodes de dix cernes réparties respectivement dans (i) le duramen ancien, (ii) le duramen récent et (iii) l’aubier. Les trois périodes choisis sont 1930-1940, 1970-1980 et 2000-2010. Ces zones ont été repérées sur les carottes. Pour déterminer les trois périodes, nous avons pour chaque carotte, noté les dates de début et de fin de l’aubier et du duramen. Pour la première période « 1930-1940 », nous avons sélectionné les premiers cernes exploitables des carottes des plus jeunes arbres. Pour la période « 1970-1980 », nous avons déterminé l’année de la transition entre l’aubier et le duramen la plus ancienne et nous avons choisi les dix ans précédent cette date afin que la période choisie corresponde bien à du duramen récent pour l’ensemble des carottes. Enfin la période « 2000-2010 » nous avons choisi pour l’aubier les dix derniers cernes formés tout en vérifiant qu’il s’agit bien de l’aubier pour l’ensemble des carottes. Nous avons choisi de fixer les périodes en fonction d’une date et non pas en fonction de l’âge des arbres, car il existe une trop grande différence d’âge dans notre échantillon.

2.5 Analyse dendrochimique

Deux techniques d’analyse ont été utilisées dans notre étude : la spectrométrie à sélection d’énergie (EDS Energy Dispersive Spectrometry) pour estimer l’abondance des principaux éléments du bois (C, O, Na, Mg, Al, Si, S, Cl, K, Ca, P, Fe, Zn) et la spectrométrie à dispersion de longueur d’onde (WDS Wavelength Dispersive Spectrometry) pour estimer les variations en concentration d’un élément choisi, le manganèse, entre les différentes carottes de bois.

L’EDS donne une mesure précise à plus ou moins 150 à 200 coups par seconde tandis que le WDS a une précision de plus ou moins 50 coups par seconde. A cause de la nature de l’échantillon et de sa structure, il n’existe pas encore de standard semblable au niveau des caractéristiques à celle du bois qui permettrait de calibrer le dosage des éléments. C’est pourquoi il est nécessaire d’améliorer au maximum la surface de l’échantillon en le planant. Pour l’ensemble des mesures, nous n’avons pas retiré les bruits de fond, nous n’obtenons donc pas des concentrations en titre massique mais en coups par seconde.

15

L’analyse au microscope électronique par balayage de deux carottes (45 sites d’analyse par carotte) dure 5H30.

22 Afin de déterminer les niveaux de précision du MEB, nous avons fait des essais méthodologiques sur deux carottes venant respectivement de deux placettes d’un pH indiqué acide et d’un pH indiqué basique. Ces essais nous ont permis de mieux adapter notre protocole aux échantillons et ainsi de déterminer le bon temps d’acquisition et le bon courant électronique à envoyer sur l’échantillon. Pour mesurer la précision de la mesure et essayer de quantifier l’incertitude de la mesure, nous avons fait des analyses sur les trois tissus. Nous avons également vérifié la stabilité d’une mesure dans le temps. C’est pourquoi nous avons fait deux sessions d’analyses en WDS sur le manganèse sur les deux carottes en choisissant 30 sites d’intérêts pour différents types de tissus du bois, sur lesquels nous avons fait 10 mesures. Nous avons ensuite testé statistiquement la différence des mesures entre répétitions puis entre les deux sessions d’analyse. Les tests montrent que les mesures dans une session d’analyse sont stables. Par contre entre les deux sessions d’analyse, il existe une différence significative c’est pourquoi il est important de standardiser la mesure par la concentration en manganèse sur le standard pur mesuré dans la même session d’analyse (c’est-à-dire sans coupure du filament et sans rupture du vide primaire).

Pour les mesures en EDS, un seul passage sur les carottes est suffisant pour obtenir un bon dosage des éléments. Tandis que pour le WDS, des répétitions sont nécessaires pour obtenir une mesure fiable de l’élément. Nous avons estimé que trois répétitions étaient nécessaires afin d’obtenir une mesure du Mn stable et fiable. On évite ainsi les variations internes de la concentration et les biais de la mesure. Les différences entre les mesures ne sont plus significatives comparées à la variation des facteurs à tester. Les trois facteurs de variation sont : l’effet de la période (aubier, duramen récent et duramen ancien), l’effet du type de tissu analysé et l’effet de la placette c’est-à-dire l’effet des caractéristiques du sol sur l’arbre.

Nous avons choisi de sélectionner différents tissus afin de mesurer les différences de concentration entre tissus. Les trois types de tissus considérés sont les fibres, les vaisseaux et les rayons ligneux. Nous avons effectué cinq répétitions par tissus pour chaque période donnée.

Afin d’avoir une surface d’analyse plus homogène qui nous permette de faire une mesure dans trois tissus différents (fibre, rayon et vaisseaux), nous avons choisi de fendre la carotte dans le plan longitudinal-radial avec une lame de rasoir. Cette technique nous a permis d’avoir accès de façon optimale à la paroi des vaisseaux et d’avoir une surface plane sans trous et tenter d’approcher ainsi au mieux les conditions idéales d’une bonne microanalyse.

Pour améliorer l’obtention de données, nous avons sélectionné les points à analyser sur les carottes fendues grâce à leurs scans et à un logiciel de gestion d’image, CooRecorder (Cybis Elektronik). Une fois les points sélectionnés, nous avons repéré ces mêmes points sous

23 le MEB et fait un spectre court EDS (5 secondes) afin de s’assurer que les conditions analytiques soient bonnes pour l’analyse de l’échantillon. Le logiciel INCA, utilisé pour l’automatisation de la procédure, permet d’obtenir les spectres EDS et WDS et de calculer les concentrations en %massique ou en coups par seconde des différents éléments. Les mesures obtenues sont à deux décimales pour l’EDS et à trois décimales pour le WDS, elles sont dans les deux cas considérées comme discrètes. Pour ce calcul, le logiciel a besoin de mettre en relation le nombre de coups d’électrons émis frappant le détecteur et la concentration connue du standard, cette étape s’appelle l’optimisation quantitative de détection. Il est également important d’avoir un temps mort suffisant pour permettre d’avoir une bonne acquisition des données et suffisamment de coups sur le manganèse pour avoir une bonne optimisation

Pour l’EDS, nous travaillons avec un courant échantillon de 1nA, courant déterminé par nos tests méthodologiques. Les spectres sont acquis pendant 20 secondes avec un temps mort de 5 secondes et une optimisation quantitative sur le manganèse toutes les 30 min. Pour le WDS, grâce aux résultats méthodologiques, nous avons sélectionné un temps d’acquisition de 30 secondes par spectre et un courant échantillon de 60nA.

2.6 Analyses statistiques

Le but de l’analyse statistique est de trouver quels sont les éléments qui permettent de classer les placettes sur le gradient d’acidité pour ensuite être capable de repositionner un arbre dans sa placette ou dans son groupe en ne connaissant que sa composition dendrochimique. Nous cherchons également à savoir si les éléments chimiques se concentrent dans des tissus particuliers et s’ils se positionnent préférentiellement dans une zone de la carotte (aubier, duramen récent ou duramen ancien).

Nous avons pour chaque élément analysé au MEB, plusieurs niveaux de variations imbriquées. Nous avons 20 placettes dans lesquelles nous avons sélectionné cinq arbres. Dans une carotte de chaque arbre nous avons sélectionné trois périodes, dans chacune desquelles nous avons sélectionné 3 tissus dans lesquels nous avons fait 5 répétitions. L’analyse a été réalisée grâce au logiciel R16.

Nous avons donc essayé de déterminer l’impact de chaque facteur sur la composition chimique du site d’intérêt. Nous avons réalisé de nombreux tests afin de trouver les mieux adaptés. L’étude statistique se divise en trois parties : l’analyse des caractéristiques des individus, l’analyse des effets des différents facteurs de variation et enfin l’analyse discriminante permettant de former des groupes d’individus ayant les mêmes caractéristiques.

16

R Development Core Team (2011), R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. ISBN 3-900051-07-0, URL http://www.R-project.org/.

24

Analyse globale des mesures

Dans cette partie, on analyse les mesures EDS et WDS, élément par élément, sans prendre en compte les différentes modalités des facteurs de variation.

Nous avons analysé pour chaque élément la distribution des mesures et vérifié si elles respectaient les règles de normalité et d’homoscédasticité. Nous avons observé la normalité des résidus et leur moyenne afin de respecter au mieux les hypothèses du test et d’analyser les résultats uniquement en cas de respect des hypothèses.

Ce renseignement est nécessaire pour choisir au mieux les tests statistiques à effectuer. Pour les tests de normalité, nous avons comparé deux méthodes : le test de Shapiro dont l’hypothèse nulle est « la distribution des individus est normale » couplé à des analyses quantile-quantile et l’analyse de la distribution des résidus. Pour l’EDS, nous avons remplacé les mesures en dessous du seuil de détection par la valeur du seuil qui est de 150 ppm. Les distributions sont proches d’une distribution normale, mais d’après le test de Shapiro, les critères de normalité ne sont pas respectés.

D’après l’étude sur le jeu complet de données, nous admettrons que l’hypothèse de normalité est respectée pour les éléments suivant : Al, Si, S, K, Ca et Mn. Certains éléments qui nous paraissent indispensables sont néanmoins rejetés de notre analyse à cause de leur non-normalité. Pour les intégrer à l’analyse, nous avons choisi de pratiquer des transformations simples : soit une standardisation par un autre élément soit une transformation mathématique. Nous avons ainsi pu sélectionner : Ca/Mn, P/Mn, log(Cl) et log(P/Ca).

Concernant l’homoscédasticité de notre échantillon, nous avons utilisé trois tests : le test de Bartlett, celui de Fligner et celui de Levene Les trois tests ont pour hypothèse nulle que les variances sont homogènes entre elles. Nous avons réalisé le test de Bartlett, celui de Fligner et celui de Levene. Deux des tests sont trop sensibles à la non-normalité et le test fligner atteste que les données ne respectent pas complètement l’hypothèse de l’homoscédasticité.

Analyse des effets des différents facteurs de variation

Dans cette seconde partie, on étudie les variations des mesures chimiques dans le bois, élément par élément (c’est-à-dire les variations des mesures WDS pour le manganèse et les variations des mesures EDS pour les autres éléments analysés), selon les différentes modalités des facteurs explicatifs qui sont la placette, le type de tissu et la période considérée.

Nos données ne respectant pas tout à fait les critères de normalité et d’homoscédasticité, il aurait été préférable de faire des analyses de variance non paramétriques comme le test de Kruskal Wallis ayant pour hypothèse nulle : « les échantillons viennent de la même population ». Après avoir testé ces méthodes, nous avons constaté que

25 ces tests sont mal adaptés à nos analyses principalement car ils ne prennent en considération qu’un seul facteur à la fois. Notre étude vise à tester les effets des trois facteurs (« tissu », « période » et « placette ») ainsi que leurs interactions.

L’analyse des facteurs « tissu » et « période » permet de déterminer la répartition spatiale des éléments au sein de la carotte. Les effets « tissu » et « période » ont été testés sur le jeu de données complet par une ANOVA à deux facteurs suivie d’une comparaison de moyenne post-hoc (test de Tukey) lorsque l’ANOVA était significative. L’ANOVA nous donne une information sur les effets des différents facteurs, c’est-à-dire s’il existe ou non une différence significative entre les mesures de l’élément considéré dans la carotte en fonction des modalités des différents facteurs. Nous avons choisi de n’appliquer les tests post-hoc qu’à un seul facteur à la fois. Ils regroupent les concentrations par modalité du facteur à analyser. Ils permettent ensuite de mettre en évidence les différences significatives entre les moyennes des mesures de l’élément considéré entre ces groupes pris deux à deux. On peut alors mettre en évidence si l’élément considéré se concentre préférentiellement ou non dans un type de tissu du bois et si sa concentration est différente le long de la carotte du duramen ancien vers l’aubier.

Après avoir identifié la répartition spatiale des éléments chimiques au sein de la carotte de bois, nous avons étudié l’effet de la placette. L’effet « placette » est un facteur de variation externe à l’arbre, à la différence des facteurs « tissu » et « période ». Cet effet « placette » est centrale dans notre analyse, c’est sur lui que nous pourrons construire un marqueur dendrochimique. En effet, la présence d’un effet de la placette indique que la composition chimique de l’arbre est liée au degré d’acidité du sol dans laquelle l’arbre vit.

Un des buts de l’analyse statistique est de déterminer si l’effet de la placette est significatif et si le signal est différent en fonction de la période ou du tissu. On cherche à expliquer les variations de la concentration d’un élément en fonction de nos variables. La variable à expliquer est donc la mesure de concentration de l’élément étudié. Les facteurs explicatifs sont la placette, l’arbre, la période et le tissu. On peut remarquer que le facteur « arbre » résulte du choix de l’opérateur, nous avons donné un numéro aléatoire de 1 à 5 à chaque arbre d’une même placette. Ce facteur n’est donc pas un facteur fixe et la variation entre deux niveaux n’a pas la même valeur que la variation d’un degré d’une variable fixe. Nous avons donc choisi un modèle linéaire mixte afin d’analyser la variance de notre échantillon qui nous permettra de déterminer si le facteur « placette » a un effet linéaire sur la distribution de nos individus. Les effets fixes sont la placette et la période.

Le modèle linéaire mixte s’écrit sous la forme générale : Y = β X + ξ