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Augmentation de la croissance initiale du Frêne
(Fraxinus excelsior L.) par épandage de boues de station d’épuration urbaine et plantation intercalaire d’Aulne
blanc (Alnus incana (L.) Moench.)
François Le Tacon, Daniel Bouchard, Jean Garbaye
To cite this version:
François Le Tacon, Daniel Bouchard, Jean Garbaye. Augmentation de la croissance initiale du Frêne
(Fraxinus excelsior L.) par épandage de boues de station d’épuration urbaine et plantation intercalaire
d’Aulne blanc (Alnus incana (L.) Moench.). Revue forestière française, AgroParisTech, 1988, 60 (2),
pp.117-125. �10.4267/2042/25871�. �hal-03424858�
AUGMENTATION DE LA CROISSANCE INITIALE DU FRÊNE (Fraxinus excelsior L .)
PAR ÉPANDAGE DE BOUES
DE STATION D'ÉPURATION URBAINE ET PLANTATION INTERCALAIRE
D'AULNE BLANC
(Alnus incana (L.) Moench .)
F. LE TACON - D .
BOUCHARD -
J .GARBAYE
Le Frêne (Fraxinus excelsior L .) est une espèce exigeante en éléments minéraux et en particulier en azote . Spontanément, il est surtout présent sur les sols à bonne alimentation en eau (Thill, 1973 ; Faure et al., 1975) . Si sa croissance dépend en premier lieu des possibilités d'alimenta- tion en eau (Devauchelle, Lévy, 1977), les possibilités de nutrition minérale jouent un rôle non négligeable . Les stations bien alimentées en eau sont souvent aussi des stations à hydromull ou à mull eutrophe caractérisées par une forte minéralisation de la matière organique et donc une forte disponibilité en azote nitrique.
Le cortège floristique des stations à Frêne se caractérise par la présence de nombreuses espèces indicatrices appartenant au groupe des neutronitroclines, des neutronitrophiles ou des hygro-neutronitrophiles, c'est-à-dire d'espèces exigeantes à la fois en eau et en azote nitrique (Becker et al., 1980).
II nous a donc paru intéressant d'essayer d'améliorer par apport d'azote la croissance d'une jeune plantation de Frêne installée sur un sol à mull mésotrophe, donc encore favorable au Frêne, mais à disponibilité en azote minéral non optimale.
Nous avons essayé d'améliorer la disponibilité en azote par deux voies différentes . La première a consisté à apporter avant plantation des boues de station d'épuration urbaine . La seconde a consisté à planter en mélange avec le Frêne une espèce fixatrice d'azote atmosphérique Alnus incana.
Les boues de station d'épuration sont particulièrement riches en azote total . Immédiatement après leur conditionnement ces boues libèrent des quantités importantes d'azote ammoniacal dont une partie est déplacée par la chaux . Progressivement, la nitrification s'installe et la minéralisation de l'azote prend un caractère moins explosif . La minéralisation devient 'Péléen-
F . LETACON - D .BOUCHARD -J . GARBAYE
dante des conditions climatiques et s'adapte aux besoins des végétaux, dont la croissance est aussi sous la dépendance des mêmes facteurs climatiques . L'effet des boues de station d'épuration sur la végétation forestière est assez bien connu ; il est dû essentiellement à l'azote et au phosphore que ces boues contiennent en grande quantité.
L'amélioration de la disponibilité en azote des sols par plantation d'espèces fixatrices d'azote atmosphérique est aussi bien connue (Tarrant, 1961) . Les Aulnes contribuent de façon significa- tive à l'enrichissement en azote de l'écosystème (Tarrant et Trappe, 1971 ; Pizelle, 1972 ; Johnsrud, 1978) . La fixation de l'azote atmosphérique est le fait d'un micro-organisme symbioti- que hébergé dans les nodules racinaires des Aulnes (bactéries filamenteuses du genre Frankia).
L'azote fixé au niveau des nodules s'intègre dans le cycle biologique par différentes voies :
— décomposition des feuilles d'Aulne ;
- excrétion directe dans le sol de substances azotées par les racines et les nodules de l'Aulne ;
- décomposition des racines d'Aulne ;
— décomposition des nodules.
La fixation annuelle d'azote atmosphérique par l'Aulne est variable suivant les espèces et les conditions stationnelles . Elle peut dépasser 100 kg par hectare et par an.
Cet apport d'azote modifie complètement la microflore du sol (Wicklow et al ., 1974) ainsi que le type d'humus et accélère la vitesse du cycle biologique.
Les essais démontrant l'effet bénéfique d'une plantation intercalaire d'Aulne sur une espèce associée sont relativement nombreux . Tarrant et Trappe, dans leur revue bibliographique de 1971, citent un essai sur Frêne, Liquidambar et Tulipier, deux essais sur Épicéa, six sur Pins et deux sur Douglas . Depuis, d'autres essais ou observations ont confirmé ces premiers résultats (De Bell et Radwan, 1979 ; Courrier et Garbaye, 1981).
Tableau I Caractéristiques du sol lessivé glossique
(en m
M .O . (°/o) C (%) N (%) C/N pH P 2 0 5(%o)*
Ca K
A~ 3,76 2,19 0,132 16,6 5,1 0,24 5,1 0,33
(0-10)
A 2 1,51 0,88 0,067 13,1 4,9 0,23 2,9 0,19
(30-40)
II Btg 5,6 0,42 5,6 0,33
Tableau II Composition en éléments totaux des boues semi-industrielles de la statu (en %)
pH (eau) C/N
C N P K Ca Mg Na Fe
11,2 10,3 15,8 1,54 1,04 0,28 13,5 0,40 0,11 17040
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Biologie et forêt
MATÉRIEL ET MÉTHODES
Le dispositif expérimental a été installé sur une parcelle forestière privée adjacente à la forêt domaniale d'Amance (Meurthe-et-Moselle) . Le peuplement originel était un taillis-sous-futaie de Charme à réserve de Hêtre et de Chêne rouvre . Le sol est un sol lessivé glossique à mull mésotrophe développé sur 50 à 80 cm de limons reposant sur les argiles du Lias . II s'agit d'un sol riche bien pourvu en bases échangeables à taux de saturation supérieur à 50 % dans l'horizon A l (tableau I).
Le peuplement a été exploité au cours de l'hiver 1979-80 . Les boues de station d'épuration ont été épandues en septembre 1980 à raison de 24, 61 et 146 tonnes de matière sèche à l'hectare.
II s'agissait d'une boue semi-liquide contenant 80 % d'eau et provenant de l'agglomération de Nancy (300 000 habitants) . Ces boues ont été floculées par la chaux et le sulfate d'aluminium.
Elles sont relativement riches en métaux lourds et très riches en phosphore et azote total (tableau II).
Les boues ont été épandues six mois avant la plantation qui a été effectuée en mars 1981 . Cette période de six mois a permis une maturation in situ des boues, c'est-à-dire un lessivage du chlorure de sodium, le départ de l'excès d'ammoniac et la carbonation de la chaux . À la plantation, le pH (eau) des boues était de 8,2 au lieu de 11,2 au moment de l'épandage . Sans une telle période de maturation à l'air libre, les boues sont toxiques pour la végétation forestière.
Dans un traitement supplémentaire, nous avons appliqué la fertilisation minérale complète suivante :
Avant plantation :
— 180 kg de P 2 0 5 /ha sous forme de supertriple ; - 100 kg de K 2 0/ha sous forme de sulfate de potasse ;
— 75 kg de N/ha sous forme d'ammonitrate.
positif expérimental
JO g) en %
Fer libre -
Mg S/T (%) Argile Limons
fins
Limons grossiers
Sables tins
Sables grossiers
1,11 54 1,65 21 .7 40,5 23 .2 3,25 4 .1
1,15 45 1,70 21,7 41,7 23,8 3,2 3,5
3,21 54 2,79 45,5 23,2 21,7 3,3 1,8
uble extractiona H 2SO4N/250 et NaOH N/10.
épuration de l'agglomération de Nancy
(en ppm)
Zn Mn Cu Pb Cr Cd
1 946 387 280 767 133 33
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F . LETACON -D . BOUCHARD - J .GARBAYE
Un an après la plantation :
— 75 kg de N/ha sous forme d ' ammonitrate.
Chaque type de fertilisation minérale ou organique a été appliqué à une plantation de Frêne pur (Fraxinus excelsior L .) à raison de 4 444 plants à l'hectare, ou à une plantation mixte (Fraxinus excelsior L., Alnus incana L .) comprenant à l'hectare 2 222 Frênes et 2 222 Aulnes plantés en alternance.
Chaque traitement unitaire avait une surface de 225 m ' (15 m x 15 m – 120 plants) . Les Aulnes et les Frênes ont été installés en ligne distante de 250 cm et plantés à 75 cm sur la ligne.
La plantation a eu lieu en mars 1981 . Il s'agissait de plants 2-0 provenant des pépinières Naudet à Leuglay . Nous avons vérifié que les Aulnes étaient bien nodulés au moment de la plantation.
Les Frênes avaient une hauteur comprise entre 40 et 55 cm, les Aulnes une dimension comprise entre 80 et 100 cm.
Chaque traitement a été répété quatre fois suivant un dispositif en blocs éclatés . L'installation des blocs a été faite suivant l'épaisseur des limons . Nous pouvons résumer le dispositif de la façon suivante :
TÉMOIN
24 t de boues/ha (m .s .) 61 t de boues/ha (m .s .)
146 t de boues/ha (m .s .) Fertilisation minérale
NPK
Frêne seul Frêne + Aulne Frêne seul
Frêne + Aulne Frêne seul Frêne + Aulne Frêne seul Frêne + Aulne Frêne seul Frêne + Aulne
Les plants ont été mesurés à 5 reprises : 1 an, 2 ans, 3 ans, 5 ans et 6 ans après la plantation.
En 1986 . les Aulnes dominaient les Frênes . Ils ont été recépés au cours de l'hiver 1986-1987.
La plantation a été régulièrement entretenue mécaniquement . En l'absence de clôture, de nombreux dégâts de gibiers (frottis et abroutissements) ont été observés, aussi bien sur les Aulnes que sur les Frênes.
L'interprétation des résultats a été effectuée par analyse de variance à deux facteurs contrôlés.
RÉSULTATS
Effet des apports minéraux ou organiques sur la croissance du Frêne en peuplement pur (figures 1 et 2)
Un an après la plantation, aucun effet n'était visible sur la croissance en hauteur du Frêne . On pouvait simplement déceler des tendances et noter la couleur beaucoup plus verte des Frênes ayant été plantés sur les boues de station d'épuration.
Dès la deuxième année, l'effet des boues est devenu très net, à partir de la dose 61 tonnes à l'hectare . Six ans après la plantation, le meilleur traitement est un apport de 61 tonnes de boues à l'hectare . Cet effet est très supérieur à une fertilisation classique, qui n'améliore que très
120
faiblement et non significativement la croissance (figure 1) . On notera que l'ap- port de 24 tonnes n'est toujours pas si- gnificatif par rapport au témoin . Un ap- port de 146 tonnes de boues sèches à l'hectare a un effet légèrement dépressif (figure 2) par rapport au traitement 61 tonnes .
Figure 2 HAUTEUR DU FRÊNE EN PEUPLEMENT PUR 6 ANS APRÈS LA PLANTATION.
Figure 1 EFFET DES APPORTS MINÉRAUX OU ORGAN :OUES
SUR LA CROISSANCE DU FRÊNE.
Hauteur (cm) 400
0 2 4 6Annees
PPDS 5 "2, 40,5 300
200
100
Témoin NPK 24 t 61 t 146 t
Traitements
Effet des apports minéraux ou organiques sur la croissance de l'Aulne (figure 3)
L'Aulne ne réagit pas à des apports minéraux ou organiques . Après un an, la fertilisation ou des apports de 24 tonnes ou de 61 tonnes de boues n'ont pas d'effet . Un apport de 146 tonnes semble avoir un effet dépressif mais non significatif par rapport au témoin . À trois ans, l'effet dépressif semble se manifester dès la dose de 61 tonnes, mais cet effet dépressif n'est toujours pas significatif .
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F. LETACON -D. BOUCHARD -J . GARBAYE
Aulne 1 an après plantation T
T
160
40
0 120
Témoin NPK 24 t 61 t 146 t
Traitements
24 t Traitements
Effet de l'Aulne sur la croissance du Frêne (figures 4 et 5)
Un an après la plantation, il n'y avait aucun effet de l ' essence fixatrice d'azote sur la croissance du Frêne planté en mélange quel que soit le niveau de fertilité minéral ou organique.
Cinq ans après la plantation, cet effet est devenu significatif dans le traitement où la fertilité initiale du sol n'avait pas été modifiée . Les différences se sont nettement amplifiées l'année suivante (figure 4) . Six ans après la plantation, l'effet de l'Aulne sur la croissance du Frêne est à peu près équivalent à un apport de 38 tonnes de boues sèches à l'hectare, ce qui est tout à fait remarquable . On peut estimer, d'après la figure 4, que l'azote fixé par les nodules a commencé à s'incorporer au cycle biologique quatre ans après la plantation.
L'effet de l'Aulne est beaucoup plus faible lorsque l'on augmente le niveau de fertilité du sol (figure 5) . II devient même statistiquement légèrement dépressif à partir d'un épandage de 61 tonnes de boues par hectare . S'il est tout à fait logique que l'effet de l'Aulne sur le Frêne en mélange devienne plus faible ou nul lorsque la fertilité du milieu augmente, il est plus difficile a priori d'expliquer un effet dépressif à haut niveau de fertilité.
Aulne 3 ans après plantation
i i
300
200 f
too
o
Témoin NPK 61 t 146 t
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Biologieetforêt
Figure 3 : EFFET DES APPORTS
1
MINÉRAUX OU ORGANIQUES SUR LA CROISSANCE DE L'AULNEFigure 4 : 200 EFFET DE L'AULNE SUR LA CROISSANCE ' DU FRÊNE 6 ANS APRÈS LA PLANTATION
Figure 5 EFFET DE L'AULNE SUR LA CROISSANCE DU FRÊNE A DIFFÉRENTS NIVEAUX DE FERTILITÉ 6 ANS APRÈS LA PLANTATION
0 2 3 4 5 6 7 Années
PPDS5 45,4 En gris foncé . Frêne seul
En gris clair . Frêne + Aulne
1 I
l 400
300
100
0
Te main NPK 24 t 61 t 116 t
Traitements
En fait, cet effet dépressif peut parfaitement se comprendre . Dans le meilleur traitement (61 tonnes de boues à l'hectare) la biomasse produite est très élevée . Si la croissance de l'Aulne n'est pas augmentée (elle est même légèrement diminuée), celle du Frêne l'est notablement . Il est probable que, dans ce traitement, l'Aulne et le Frêne se concurrencent pour l'alimentation en eau, dont les possibilités restent constantes quel que soit le traitement . La biomasse de l'Aulne étant plus importante que celle du Frêne (à trois ans, les Aulnes avaient atteint dans ce traitement plus de 200 cm contre 150 cm au Frêne), la concurrence pour l'eau est donc plus forte pour les Frênes en mélange que pour les Frênes en peuplement pur.
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F . LE TACON - D . BOUCHARD - J . GARBAYE
DISCUSSION ET CONCLUSION
Sur sol lessivé à mull mésotrophe, la fertilisation minérale n'améliore que très faiblement la croissance du Frêne . Il est probable que les 150 kg d'azote par hectare qui ont été apportés en deux fois (75 kg la première année et 75 kg la deuxième année) ont été partiellement entraînés par les eaux de pluie avant que la biomasse du Frêne ne devienne suffisante . Il aurait été probablement plus judicieux d'apporter l'azote minéral plus tard, 3 ou 4 ans après la plantation.
L'apport d'éléments fertilisants sous forme de boues de station d'épuration a eu un effet tout à fait remarquable . Le meilleur traitement est constitué par un apport de 61 tonnes de boues (apports exprimés en matière sèche à l'hectare) . Cet apport est évidemment considérable : 940 kg d'azote total et 635 kg de P total à l'hectare.
L'azote ainsi apporté, qui est sous forme essentiellement organique, se minéralise partiellement tous les ans pendant la période de végétation et permet une croissance optimale des Frênes dont les exigences en azote sont importantes.
Ces boues de station d'épuration n'ont pas de valeur commerciale . Néanmoins, le transport, et surtout l'épandage (306 tonnes de boue humide pour 61 tonnes de boues sèches, qui est la dose que nous recommanderions) augmenteraient notablement le coût de la plantation.
Cependant, leur effet est tel sur la croissance du Frêne que ce surcoût devrait être largement compensé par les gains obtenus.
Le problème de l'utilisation de ces boues de station d'épuration en forêt est d'une autre nature.
Est-il acceptable d'épandre dans un milieu naturel des résidus de l'activité humaine ? La réponse, qui n'est pas de notre ressort, est probablement non.
Par contre, nous pensons qu'un tel épandage est plus envisageable lorsqu'il s'agit de reboiser des milieux non forestiers et en particulier des sols qui seront abandonnés dans les prochaines années par l'agriculture . Beaucoup de ces sols conviendront en effet au Frêne qui devrait être une des essences à privilégier dans ce type de milieu.
L'effet, sur la croissance du Frêne, de l'Aulne blanc planté en mélange est très significatif . Cet effet ne devient très important que six ans après la plantation . Ce temps de latence est logique car il est nécessaire que l'azote fixé par les Frankia associés à l'Aulne soit progressivement intégré dans le cycle biologique.
En raison de la concurrence Frêne-Aulne, en particulier pour l'eau, l'effet bénéfique de l'Aulne sur la croissance du Frêne diminue avec l'augmentation de la fertilité du sol . Dans le meilleur traitement pour le Frêne, il peut même devenir dépressif.
L'utilisation de l'Aulne en mélange avec une essence principale pose deux types de problèmes.
Le premier est de nature sylvicole . Il est en effet toujours délicat de mener un peuplement mixte, surtout avec des essences qui ont un potentiel de croissance différent . L'Aulne a une croissance initiale très rapide ; il faut donc qu'il ne concurrence pas trop l'essence principale . Il est cependant relativement facile de subordonner l'Aulne par recépage . Il se pose aussi le problème de la densité relative de l'essence principale et de l'essence associée.
Nous rejoignons là le deuxième problème qui est d'ordre économique . Le peuplement d'Aulne n'aura pas de valeur en lui-même et ne vaut que par son effet sur le cycle biologique . Dans l'hypothèse d'une plantation de Frêne de routine à une densité normale, il est évident que l'introduction d'Aulne intercalaire entraînerait un surcoût . Ce surcoût est-il compensé par l'amé- lioration de la fertilité de la station et par l'amélioration de la croissance initiale du Frêne ?
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Biologie et forêt
II est impossible de répondre dans le cadre de cette étude . Il nous semble cependant que ce type de peuplement mélangé a un avenir certain et qu'il serait souhaitable de l'expérimenter à grande échelle pour mieux cerner ses avantages et ses inconvénients, en particulier sur le plan économique . En dehors de l'aspect économique et en dehors de l'effet quasi immédiat sur l'essence principale, la prise en compte de la fertilité de la station à long terme nous semble aussi être un critère de première importance trop souvent négligé.
F . LE TACON, D . BOUCHARD, J . GARBAYE Station de Recherches sur le Sol, la Microbiologie
et la Nutrition des Arbres forestiers Laboratoire de Microbiologie forestière CENTRE DE RECHERCHES FORESTIÈRES (INRA)
BP 35
CHAMPENOUX 54280 SEICHAMPS
Ce travail a été réalisé grâce au concours financier du ministère de l'Environnement et de l'Agence française pour la Maîtrise de l'Énergie (AFME) . Nous remercions Monsieur Schaffqui a bien voulu mettre le terrain expérimental a notre disposition.
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