L’altération des minéraux dans les sols forestiers du Bouclier Canadien : quels facteurs environnementaux affectent la variabilité spatiale et temporelle de la mise en solution des cations basiques?

Abstract

Les processus d’altération des minéraux constituent un important pourvoyeur de nutriments pour les plantes et jouent parallèlement un rôle déterminant dans la neutralisation des dépositions acides dans les écosystèmes terrestres et aquatiques. Plus spécifiquement, l’altération des silicates et son couplage avec la végétation constituent également un puits de carbone et contrôle l’évolution à long terme du climat. Malgré la place centrale de ces processus dans le cycle biogéochimique global des éléments, il n’existe pas de méthode standard pour quantifier les taux d’altération des minéraux. De plus, l’impact des changements environnementaux sur ces processus demeure difficile à anticiper en milieu naturel. En effet, l’altération des minéraux résulte de l’interaction complexe de facteurs hydro-climatiques (précipitations, température, humidité des sols), bio-chimiques (pH, matière organique, activité biologique) et physiques avec les sols ou le matériel parental. Or, ce caractère multidimensionnel de l’altération des minéraux a rarement été considéré dans des études visant à analyser les impacts de variables environnementales sur ces processus en milieu naturel. De même, les méthodes permettant d’analyser les effets intégrés de plusieurs facteurs agissant simultanément ont été peu explorées. À travers cette thèse, nous avons : 1) quantifié les taux d’altération historiques et contemporains de cations basiques (Ca, Mg, Na et K) dans une vaste aire géographique au Québec; 2) évalué la concordance entre trois méthodes d’estimation des taux d’altération des minéraux; 3) développé une nouvelle approche pour obtenir des taux d’altération fiables sur des échelles de temps de l’ordre de l’année afin d’analyser la variabilité temporelle des taux d’altération des minéraux; et 4) examiné l’impact de certaines caractéritiques des bassins versants et de facteurs environnementaux sur la variabilité des taux d’altération.

Les résultats montrent que des variables reliées au climat expliquent jusqu’à 51.6% de la variation spatiale des taux d’altération contemporains des cations basiques. Des variables liées à la lithologie, aux dépôts acides et aux propriétés des sols captaient également une proportion significative de la variance. Quant aux taux d’altération historiques, certaines propriétés des sols, tels que la surface spécifique et la composition minéralogique, constituaient les principaux déterminants de leur variabilité spatiale dans l’aire d’étude. En ce qui concerne la variabilité temporelle des taux d’altération des cations basiques, les résultats de cette recherche montrent qu’ils dépendent essentiellement de l’évolution des conditions hydrocilimatiques. Dans l'ensemble, les taux d’altération des cations basiques sont positivement affectés par la température, la proportion de feuillus dans la canopée, les précipitations sous forme de pluie, les dépôts de sulfate et la surface spécifique des sols, alors qu’ils sont négativement affectés par les précipitations sous forme de neige et le nombre de jours de gel. Ces résultats représentent une contribution originale à la compréhension des processus d’altération des minéraux en milieu naturel et à l’amélioration des connaissances sur l’impact potentiel des changements climatiques sur l’altération des minéraux et, de là, sur la capacité des sols à soutenir l’apport en nutriments essentiels à la croissance forestière à long terme.

Mineral weathering is an important nutrient provider for plants, and these processes play a key role in the neutralization of acid inputs in terrestrial and aquatic ecosystems. Silicate weathering and its coupling with the vegetation also constitutes a carbon sink and controls the long-term evolution of the climate. Despite the central role of mineral weathering processes in the overall biogeochemical cycle of elements, there is no standard method for quantifying the rates at which minerals weather. Moreover, the impact of environmental changes on these processes remains difficult to anticipate in natural envi-ronments. Mineral weathering results from the complex interaction of hydro-climatic (precipitation, temperature, soil moisture), biochemical (pH, organic matter, biological activities) and physical factors with soils or parental material. However, the multidimensional nature of mineral weathering has rarely been considered in studies aiming at analyzing the impacts of environmental variables on these processes in the natural environments. Furthermore, approaches that allow to analyze the integrated effects of several simultaneously acting factors have been little explored. Through this thesis, we have: 1) analyzed the spatial variability of historical and contemporary weathering rates of base cations (Ca, Mg, Na and K) in a wide geographical area in Quebec; 2) evaluated the agreement between three methods for estimating mineral weathering rates; 3) developed a new approach for estimating base cation weathering rates on an annual time scale in order to analyze temporal variability in mineral weathering rates; and 4) examined the impact of the watershed characteristics and environmental factors on the variability of weathering rates.

The results show that climate-related variables accounted for up to 51.6% of the spatial variation in contemporary weathering rates of base cations. Variables related to ion sources (lithology, sulphate deposition and soil properties) also explained a significant proportion of the variation. As for historical base cation weathering rates, soil properties, such as surface area and mineralogical composition, were the main determinants of their spatial variability in the study area. Regarding the temporal variability of base cation weathering rates, the results of this research show that they depend essentially on the evolution of hydro-climatic conditions. Overall, base cation weathering rates are positively affected by temperature, percent deciduous canopy cover, precipitation as rain, sulphate deposition, and soil surface area, while they are negatively affected by precipitation as snow and the number of frost days. These findings provide an original contribution to the understanding of mineral weathering processes in natural environments, and they are likely to improve knowledge about the potential impact of climate change on mineral weathering and hence on the ability of soils to supply essential plant nutrients to sustain long-term forest growth.