Forest decline in Rhine valleys. Water balance on oak stands from the national Harth forest (Haut-Rhin) and role of drought on radial growth of oaks
Dépérissement forestier en vallée du Rhin. Etude du bilan hydrique des chênaies de la forêt domaniale de La Harth (Haut-Rhin) et impact des épisodes de sécheresse sur la croissance radiale des chênes
Résumé
The purpose of this study was to identify and quantify soil water constraints in oaks stands from the Harth Forest and to evaluate their possible involvement in the recent decline of oaks (tree mortality and reduction of growth). Water shortage in oak-forest ecosystems in the Harth Forest has been quantify by soil water balance modelling (Granier et aL, 1999). taking into account both local pedological and climatic condition. Rainfall is highly variable form north (640 mm) to south (800 mm) of the forest. Extractable water from the soil of each of the 70 plots used for tree-ring measurements (Bréda. 1998) has been calculated from soil description. Soils were sandy with high stones amount leading to low extractable water (80-100 mm). Leaf area index (LAI) of stand canopy and duration of leafly period have been measured. Transpiration of covering herb layer was measured using close chambers at different dates in the year. Transpiration was strongly related to the radiation reaching the herb layer : maximum transpiration of herb was observed before oak budburst but sharply decreased as LAI of oak canopy developed. The daily water balance proposed to ca1culate seasonal pattern of soil water content during the year was validated for the local condition by direct measurements of soil water content (TDR) and throughfalI. Extractable water was estimated in situ from soil water content measurements and water uptake was observed till 2 m depth. Soil water dynamic computed by the model compared weIl with observed measurements. Water balance was then reconstructed from 1964 by modelling. using daily climatic data. Radial growth as previously measured from tree-rings was reconstructed from monthly temperature and rainfall. Cumulated rainfaIl during May, June and July explained the largest part of year-to-year growth variability (46% for sessile oak. 41% for pedonculate oak). Nevertheless. during the recent time 0964-1994) exhibiting a decrease in radial growth and a dieback in oaks from both species. monthly c1imatic data were not suitable to reproduce year-to-year variability in tree-rings and differences between oak species. Drought events were then computed from retrospective modeIling of soil water balance for each of the 70 plots. using its own extractable water and LAI. An index of soil water deficit was computed from duration and intensity of water shortage during the leafly period. occurring below a threshold of soil water content inducing stomatal closure « 40% of extractable water). Soil water deficit was significantly correlated to radial growth. The reduction in radial growth of pedonculate oaks started during the 1972 drought event and then progressively decreased as compared to the one of sessile oaks after 1976, 1983 and 1985 period of water shortage. The most severe drought event from the last 30 years was quantify in 1989. which was probably responsible for oak ecosystems dieback leading to the establishment of the "Observatoire Ecologique de la Harth". Moreover, this study pointed out specifie response to climate of each oak species. pedonculate oak being more sensitive to the growth from the previous year. Finally. daily water balance ca1culation was significantly more efficient than monthly c1imatic data to detect water shortage reducing radial growth of both oak species.
L'objectif de cette étude était d'identifier et de quantifier les contraintes hydriques subies par les chênaies de la Harth et d'évaluer leur rôle dans les phénomènes récents de dépérissement (mortalité et perte de croissance) des chênes de ce massif. Les contraintes hydriques liées au contexte pédo-climatique de la Forêt de la Harth ont été quantifiées par modélisation mécaniste de bilan hydrique (Granier et al, 1999). La pluviométrie varie fortement selon un gradient du nord (640 mm) au sud (800 mm). La réserve utile des sols de chacune des 70 placettes dendroécologiques a été estimée à partir de descriptions pédologiques réalisées sur fosses. Les sols, à texture sableuse et à forte charge en cailloux, sont très filtrants et offrent une réserve utile faible (80-100 mm). Le couvert de chaque peuplement a été caractérisé en 1996 par son indice foliaire (LAI) et par la longueur de sa saison de végétation. La transpiration d'une strate herbacée couvrante a été quantifiée à différentes périodes de la saison à l'aide de chambres à transpiration. Le rayonnement atteignant la strate herbacée conditionne l'intensité de cette transpiration : la transpiration herbacée maximum a été estimée à 3.5 mm.j-1 lors de journées à fort rayonnement avant débourrement des chênes; lorsque le couvert arborescent atteint son LAI maximum, la contribution de la strate herbacée devient négligeable. Le modèle de bilan hydrique forestier journalier proposé pour calculer l'évolution saisonnière de la réserve en eau du sol a été validé par des mesures directes de l'humidité volumique du sol et les précipitations sous couvert. Les mesures d'humidité volumique du sol, réalisées par TDR ont permis l'évaluation in situ de la réserve utile et ont révélé des prélèvements racinaires jusqu'à 2 m de profondeur. Le modèle proposé a montré une bonne cohérence avec les mesures réalisées in situ, autorisant l'utilisation de ce modèle pour une reconstruction rétrospective du bilan hydrique. La croissance radiale des chênes a ensuite été reconstruite à partir de données mensuelles de température et de pluviométrie. La pluviométrie cumulée des mois de mai, juin et juillet explique la plus grande part de la variabilité interannuelle de croissance (460Al pour le sessile, 41% pour le pédonculé). Toutefois, sur la période récente au cours de laquelle une perte de croissance et un dépérissement ont été constatés (1964-1994), les variables pluviométriques mensuelles n'expliquent pas la variance interannuelle de croissance, ni les écarts entre espèces. Les épisodes de contrainte hydrique ont alors été reconstruits grâce à la modélisation du bilan hydrique journalier paramétré pour chaque placette (réserve utile, indice foliaire) ; l'évolution de la réserve en eau du sol a ainsi été évaluée à partir de chronologies climatiques quotidiennes remontant à 1964. Un indice de stress caractérisant la durée et l'intensité du déficit hydrique, défini par rapport à au seuil de régulation de la transpiration de 0.4 * RU, a été calculé pour chaque année et chaque placette. Les variations inter-annuelles des indices de stress hydriques sont significativement corrélées aux variations de croissance radiale mises en évidence par l'étude dendroécologique du massif. La perte de croissance du chêne pédonculé s'est amorcée lors de la sécheresse de 1972 et l'écart entre sa croissance et celle du chêne sessile s'est accentué progressivement lors des déficits hydriques de 1976, 1983 et 1985. La contrainte hydrique de l'année 1989 a été la plus sévère depuis 1964 et est sans doute responsable des fortes mortalités ayant conduit à la mise en place de l'Observatoire Ecologique de la Harth. Ces travaux ont de plus mis en évidence des différences de réponse au climat entre les deux espèces de chênes, la croissance du pédonculé d'une année étant plus fortement conditionnée par la croissance de l'année précédente. Le calcul de bilan hydrique journalier s'est montré beaucoup plus puissant que les pluviométries mensuelles pour détecter les contraintes hydriques affectant significativement la croissance radiale des deux espèces de chênes.