L’effet de l’hydrologie des pentes sur le drainage oblique

Plusieurs études ont pour but de modéliser le cheminement de l’eau dans le sol et le substrat rocheux (Kirkby 1988 et 1989; Anderson et Burt 1990). Peu d’études traitent du drainage oblique et de son influence sur la productivité forestière. Le drainage oblique fait partie des variables à caractère permanent intégrée dans l’inventaire écoforestier québécois. Son évaluation sur le terrain est si complexe qu’on l’évalue simplement par sa présence ou son absence. Ducruc et Gerardin (1988) définissent le drainage oblique comme étant la circulation interne de l’eau le long d’une pente et s’exprimant surtout par l’enrichissement en éléments nutritifs de cette eau, au fur et à mesure de sa descente dans la pente, favorisant ainsi le développement de peuplements floristiques plus productifs dans le milieu et le bas de la pente. La perte d’éléments nutritifs par lessivage en haut de la pente expliquerait probablement cet enrichissement des sols en bas de la pente. La croissance en hauteur des arbres peut augmenter de 2 à 5 m et le volume du peuplement forestier de 20 à 40% sur les sites où l’on trouve du drainage oblique (Roberts 1986).  Le flux latéral se produit en trois occasions: dans une zone où la décharge d’eau verticale est inférieure au taux net de percolation du dessus, lorsque l’eau de percolation atteint une nappe perchée ou une grande zone saturée, ou quand la conductivité hydraulique latérale excède grandement la conductivité verticale (Kirkby 1988). En Abitibi, on rencontre ce phénomène fréquemment dans les podzols ayant un horizon induré ou dans les gleysols ayant un horizon argileux sous-jacent à un horizon sablonneux (Gaudreau 1979; Bergeron et al. 1983).

Le flux hydrique, le pH et l’azote minérale devraient augmenter en fonction de la longueur de la pente ainsi qu’avec la profondeur dans le sol. La percolation verticale dans les horizons de surface et la percolation latérale dans les horizons en profondeur expliqueraient en partie, les variations de concentrations en nitrate dans le sol (Coats et al. 197 6; Vitousek et al. 1979; Foster et al. 1989). Certains auteurs ont observé des variations de concentrations de l’azote au cours d’une saison de croissance ou après l’installation de lysimètres dans le sol (Krause 1982; Foster et al. 1989; Shepard et al. 1990). D’autres auteurs ont noté une diminution de la  minéralisation de l’azote en fonction de l’augmentation en acidité de l’eau d’infiltration (Bockheim 1984; Stroo et Alexander 1986; Boutin et Robitaille 1989). L’intensité du drainage vertical et oblique variant avec la longueur de la pente arrière, il est fort probable que l’on observe des variations de pH et de la concentration en azote.

Cette étude in situ permettra de mieux comprendre le phénomène de drainage oblique et d’identifier les zones où il se produit. Nous tenterons de prédire l’effet de la longueur de pente arrière et de différents facteurs (pédologiques, géomorphologiques, physiographiques et météorologiques) sur le flux hydrique, le pH, la concentration et le flux d’azote minérale dans le sol le long d’un gradient de pente.

Dispositif expérirnental 

Le dispositif expérimental a été installé systématiquement sur cinq niveaux de longueur de pente arrière (LPA), chacun espacé d’environ 65 m soit à 70, 130, 200, 265 et 330 m de LPA  . Nous avons installé deux stations aux deux premiers niveaux de LPA, puis trois stations aux trois derniers niveaux de LPA (la coulée étant plus large) afin d’évaluer les variations spatiales à un niveau de LP A.

Quatre lysimètres sans tension sont installés par station, pour un total de 52 lysimètres sur le transect. Malgré certaines limites liées à l’utilisation de lysimètres sur le plan de la précision de l’évaluation de la vitesse d’infiltration et des concentrations en éléments nutritifs, le lysimètre demeure un outil adéquat pour étudier les tendances générales par la comparaison entre les sites (Haines et al. 1982; Binkley 1986). Nous avons utilisé des lysimètres sans tension puisqu’ils échantillonnent efficacement le flux dans les sols saturés en eau où le drainage oblique est plus abondant, alors que le lysimètre à tension évalue plus précisément le flux en milieu non-saturé (Shaffer et al. 1979; Haines et al. 1982). Le ruissellement hypodermique, en milieu saturé en eau, domine l’hydrogramme d’un bassin versant pour le type de sol de notre étude (Anderson et Burt 1978).

Deux lysimètres ont été installés sous l’horizon A et deux, au milieu de l’horizon B et ce à chaque station. L’effet du drainage oblique sur la productivité forestière du pin gris devrait se manifester davantage à ces profondeurs. Nous avons choisi ces profondeurs car bien que les racines du pin gris s’étendent jusqu’à un mètre de profondeur, la majorité du système racinaire se trouve au-dessus de 45 cm de profondeur soit environ au milieu de l’horizon B (Poster et Morrison 1976). Nous nous basons aussi sur Brisson (1992) qui a effectué une étude préliminaire sur le même site qui portait sur la productivité du pin gris selon un gradient topographique. Cette étude révèle l’importance de l’épaisseur de l’horizon B comme mesure critique du volume de sol nécessaire pour les racines, démontrée par sa valeur de prédiction de la productivité forestière du pin gris. Les lysimètres situés aux mêmes profondeurs serviront à évaluer les variations à l’intérieur d’une même station. L’orifice grillagé du lysimètre est posé sur la surface de l’horizon de sol non-perturbé, fraîchement creusé en amont du trou. Ainsi, nous croyons diminuer l’impact de l’installation des lysimètres sur l’augmentation du lessivage en nitrate observé dans certaines études (Nagpal 1982; Shepard et al. 1990).

Après l’installation des lysimètres, le remplissage s’est effectué horizon par horizon, en commençant par le C et en finissant par les couches organiques. Nous avons noté les caractéristiques pédologiques (type d’humus, présence d’horizons indurés, pierrosité, texture, profondeur des horizons, du sol et de la nappe phréatique) et hydrologiques (présenèe de macropores, ruissellement de surface) du sol à l’aide d’un guide de terrain (Bates et al. 1985).

Échantillonnage et analyse chimique 

Avec une pompe électrique portative Master Flex, un chronomètre et un cylindre gradué, nous avons mesuré la quantité d’eau qui entre dans le lysimètre pendant un laps de temps donné. Connaissant la surface de la fente de chaque lysimètre, nous avons calculé la quantité d’eau qui passe par unité de surface et de temps, soit le débit du drainage oblique ou flux hydrique.

Le pH était évalué le jour même de l’échantillonnage à l’aide d’un pH mètre à électrodes combinées et l’échantillon d’eau était ensuite congelé. Les échantillons, prélevés entre le 27 mai et le 17 juillet 1990, ont été conservés congelés jusqu’à l’automne 1990, où les analyses chimiques ont été effectuées. Nous avons utilisé un auto-analyseur Alpkem (RFA 300) pour évaluer les concentrations d’azote sous forme de nitrate et d’ammonium.

L’intensité de l’échantillonnage variait selon les épisodes pluviaux et la présence ou non d’eau dans les lysimètres. Ainsi, durant une semaine particulièrement pluvieuse, nous avons évalué le flux hydrique trois fois par jour. Un échantillon d’eau par lysimètre par jour était alors retenu pour fin d’analyse chimique. On n’échantillonnait qu’aux deux ou trois jours, pour les périodes sans précipitation alors que les lysimètres étaient à sec.

Analyses statistiques 

Dans un premier temps, nous avons déterminé si les moyennes de pH, de flux saisonnier, de concentration en azote et de flux d’azote variaient entre les LP A, les profondeurs et l’interaction de la LP A et de la profondeur. Le flux saisonnier représente la quantité d’eau (flux hydrique) ayant passé du 28 mai au 16 juillet 1990, par lysimètre et en litre par unité de surface verticale (cm²). Ce flux donne un indice de la quantité d’eau ayant passé dans chaque lysimètre durant la majeure partie de la saison de croissance des arbres.

Dans un deuxième temps, les différences de moyennes étaient vérifiées entre les stations par LP A pour les mêmes variables. L’analyse de variance s’effectuait avec un ou plusieurs critères de classification selon le cas. Nous avons effectué les comparaisons multiples des moyennes avec la méthode des moindres carrés (Least-square means). Lors de nos tests, l’hypothèse Ho était rejetée, soit l’homogénéité des moyennes, quand la probabilité était inférieure à 0,05. Des analyses de variance plus détaillées (par horizon et/ ou par LP A) permettaient de situer les différences de moyennes significatives. Les calculs concernant le pH ont été effectués après avoir transformé les valeurs en concentration H+.

Nous avons étudié les différentes relations entre les variables à l’aide de régressions linéaires simples telles que: la relation entre la longueur de pente et le flux d’eau et d’azote; les interactions entre les concentrations en ammonium, en nitrate et le pH; l’effet des précipitations sur le lessivage de l’ammonium et du nitrate et leurs variations au cours de l’expérience. Les données de précipitations mensuelles et de leurs concentrations moyennes en nitrate/nitrite et en ammonium proviennent de deux stations météorologiques gérées par le Ministère de l’Environnement du Québec (Grimard 1984; Grimard 1985; Jacques et Grimard 1987; Jacques et Boulet 1988; Boulet et Jacques 1989; Jacques et Boulet 1990). Ces stations sont potentiellement représentatives de la région selon les normes du « Unified Data Base Committee » et sont situées à moins de 50 km de l’aire d’étude. Les données du mois de mai, juin et juillet de 1981 à 1988 ont été utilisées dans cette analyse. Toutes les analyses statistiques ont été effectuées en utilisant le progiciel SAS (1985) .