Assessing the impact of the Potassium cycle on stand growth and resource-use in tropical Eucalypt plantations: a process-based modeling approach

Cornut Ivan. 2022. Assessing the impact of the Potassium cycle on stand growth and resource-use in tropical Eucalypt plantations: a process-based modeling approach. Gif-sur-Yvette : Université Paris-Saclay, 198 p. Thèse de doctorat : Biologie : Université Paris-Saclay

Titre français : Modélisation mécaniste de l'influence du cycle du Potassium sur la croissance et l'utilisation des ressources des plantations d’Eucalyptus en zone tropicale

Encadrement : Delpierre, Nicolas ; Le Maire, Guerric

Résumé : Nutrients are central in the limitation of forest productivity. Due to frequent biomass exports and poor soils, tropical eucalypt plantations are an example of strongly nutrient-limited ecosystems. The plantations cover a wide surface ~7.5 Mha) in Brazil. Large-scale nutrient (N, P, K) omission experiments have been conducted over multiple rotations, and an important coherent data set of the response of this system to nutrient availability is available. In many of these experiments, Potassium (K) was identified as the major limiter of wood productivity.Mechanistic forest models have proven to be relevant tools to explore the response of forest ecosystems to nutrient limitations by Nitrogen (N) and recently, Phosphorus (P). In this thesis we created the first coupled C-H2O-K process-based model in an attempt to quantify and identify processes responsible for the limitation of wood productivity by K. We used the model as a tool to explore two main questions regarding the K-limitation of wood productivity in tropical eucalypt plantations: 1) What is the impact of K plant availability on photosynthesis (C-source)? 2) Is the limitation of the C source enough to explain the limitation of wood productivity by K deficiency in tropical eucalypt plantations? To this end, the processes impacted by plant K availability were identified in a literature review (Chapter II). In the modelling work, a specific focus was thus put on leaves (Chapter III), the recycling of K in the plant and allocation of K to the different organs (chapter IV). The assimilation of C was greatly reduced under K deficiency. This was mainly the result of a decrease in leaf area combined to a decline in photosynthetic capacity per leaf area. The importance of processes governing K internal plant recycling was also underlined (chapter IV). Simulations also showed that this reduction in C assimilation was enough to explain the observed reduction of wood productivity in the K omission stand and that no stoichiometric limitation was necessary (chapter IV). This model is the first step for including more essential nutrients in forest process based models.

Résumé (autre langue) : Les nutriments sont une cause majeure de la limitation mondiale de la productivité forestière. Les plantations tropicales d'eucalyptus sont un bon exemple d'un écosystème fortement limité par les nutriments. Les plantations couvrent une grande surface au Brésil (~7.5Mha) Des expériences d'omission de nutriments (N, P, K) à large échelle ont donc été menées sur de multiples rotations et une base de données cohérente de la réponse de ce système à la disponibilité des nutriments a été construite. Dans plusieurs de ces expériences le Potassium (K) a été identifié comme l'élément le plus limitant de la production de bois. Les modèles forestiers mécanistes ont démontré leur intérêt pour explorer la réponse des écosystèmes forestiers aux limitations par l'azote (N) et plus récemment le phosphore (P). Ici nous avons utilisé une approche de modélisation basée sur les processus en créant le premier modèle couplé C-H2O-K pour quantifier et identifier les processus responsables de la limitation de la production de bois par le K. Cet outil a été utilisé afin de répondre à deux questions principales : 1) Quel est l'impact de la disponibilité du K au niveau de la plante sur la photosynthèse (source de C) ? 2) La limitation de la source de C est-elle suffisante pour expliquer la limitation de la production de bois par la déficience K dans les plantations tropicales d'eucalyptus ? Les processus impactés par la disponibilité du K au niveau de la plante ont été identifiés dans une revue de la littérature. Le jeu de données récolté dans les expériences de manipulation des nutriments a été utile pour introduire des processus propres au K ainsi que la paramétrisation du modèle. L'assimilation du C a été grandement réduite par la déficience K. C'était le résultat d'une diminution de la surface foliaire et la capacité photosynthétique par unité de surface de feuille. L'importance de la circulation interne du K a aussi été soulignée. Les simulations ont aussi montré que la réduction de source de C était suffisante pour expliquer la réduction observée de la production de bois dans la parcelle d'omission K et qu'une limitation stoechiométrique n'était pas nécessaire. Le développement de ce modèle est une première étape vers l'inclusion de nutriments essentiels supplémentaires dans les modèles mécanistes de forêts.

Agences de financement hors UE : Centre de Coopération Internationale en Recherche Agronomique pour le Développement, Agence Nationale de la Recherche

Projets sur financement : (FRA) CLAND : Changement climatique et usage des terres

Auteurs et affiliations

• Cornut Ivan, CIRAD-PERSYST-UMR Eco&Sols (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/608464/)

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