Étude des facteurs microclimatiques et édaphiques liés à la présence d’herbacées agronomiques qui affectent la colonisation naturelle et le développement juvénile des arbres sur les parcs à résidus miniers épaissis

Résumé La végétalisation des résidus miniers représente un défi important en raison de leurs propriétés physico-chimiques uniques. Au Canada, la plupart des résidus miniers sont produits dans la région bioclimatique de la forêt boréale et leur végétalisation est donc primordiale pour réduire la fragmentation du territoire et l’empreinte écologique des activités minières. L’ensemencement des parcs à résidus miniers avec un mélange de graines de plantes herbacées agronomiques (légumineuses et graminées) est une pratique courante en première phase de la revégétalisation de ces résidus. Toutefois, peu d’études ont tenté de déterminer si cette pratique a un effet positif sur la succession végétale menant à un écosystème forestier, ou de quelle façon le choix des espèces semées influence l’établissement éventuel d’arbres boréaux. En 2013, une aire expérimentale in situ de résidus miniers d’un hectare a été aménagée sur un site minier aurifère à Malartic (QC, Canada). Cette aire a été subdivisée en trois blocs de cinq placettes. Chaque placette a été ensemencée aléatoirement avec un des cinq traitements suivants : graminées agronomiques, légumineuses agronomiques, un mélange des deux, une mince couche de topsoil, ou un témoin (résidus seuls). En 2015, 30 semis de trois essences d’arbres boréaux pionniers; pin gris (Pinus banksiana), mélèze (Larix laricina), bouleau à papier (Betula papyrifera) et d’un cultivar de saule (Salix miyabeana) ont été plantés dans une aire représentant 1/3 de chaque placette. Des quadrats ont été délimités dans le reste de l’aire des placettes, une partie de ceux-ci pour évaluer la communauté de plantes vasculaires produite par colonisation spontanée, une autre partie pour déterminer le taux d’établissement de quatre essence (P. banksiana, L. laricina, B., papyrifera et Salix discolor) manuellement semées. Tous les résultats présentés sont basés sur des mesures prises l’année suivante (2016). La première partie de la recherche portait sur les propriétés physico-chimiques du sol ainsi que la hauteur, la biomasse racinaire et la nutrition foliaire des semis plantés. Le traitement de topsoil a produit une teneur en matière organique et un point de flétrissement plus élevés, ainsi qu’une masse volumique apparente plus faible que les autres traitements, cependant les propriétés du sol des traitements herbacés n’étaient pas significativement différentes de celles du témoin. Toutes espèces confondues, la mortalité des semis plantés était plus faible pour les graminées (20 %) que pour les légumineuses (37 %) ou le mélange (28 %), à comparer avec 6 % pour le topsoil et 84 % pour le témoin. La biomasse racinaire, la croissance en hauteur et la teneur en N foliaire du saule étaient plus élevées dans les légumineuses que dans les autres traitements, incluant le topsoil. La deuxième étape de la recherche visait à comparer la diversité des plantes spontanées entre les traitements. La richesse spécifique était plus élevée pour le topsoil que pour les traitements d’herbacées (moyenne de 17 espèces par placette contre 6), sans différence significative entre ces derniers. La diversité de Shannon était supérieure dans le topsoil comparé aux légumineuses. Une analyse multivariée a montré que 60 % de la variation entre communautés (distance de Bray-Curtis) était expliquée par les traitements; notamment, les arbres pionniers de la famille des salicacées étaient plus abondants dans le traitement de légumineuses, mais demeuraient rares en général. La troisième étape de la recherche consistait à évaluer les effets du microclimat (température et humidité du sol, transmission de la lumière) produit par les traitements sur la germination de semences des quatre essences forestières. Au niveau du microclimat, la seule différence significative observée était une teneur volumétrique en eau du sol plus grande pour le topsoil (près de 40 % à 5 cm de profondeur, vs. 30 % ou moins pour les autres traitements). Néanmoins, la germination et l'établissement du pin gris et du mélèze étaient significativement plus élevés dans le traitement des graminées que dans les autres traitements. Les semis de bouleau à papier étaient quant à eux absents de tous les traitements. Malgré le peu d’années écoulées depuis l’ensemencement des herbacées agronomiques, cette étude a démonté des apports complémentaires des graminées (survie des semis) et des légumineuses (azote foliaire, croissance et établissement des salicacées) qui dépassaient dans plusieurs cas les apports du traitement témoin positif (topsoil). Ces résultats justifient l’ensemencement d’un mélange de graminées et de légumineuses, avec une proportion au moins égale de légumineuses. De plus, l’association positive entre les légumineuses et les arbres pionniers de la famille des salicacées, démontrée par une plus grande croissance des semis de saule plantés ainsi qu’un nombre plus grand d’arbres volontaires des genres Salix et Populus, permet de recommander la plantation de ces essences à croissance rapide sur des résidus miniers préalablement ensemencées de légumineuses agronomiques. Abstract Revegetation of mine tailings represents a major challenge due to their unique physicochemical properties. In Canada, most mine tailings are produced in the boreal forest bioclimatic region, so revegetation is essential to reduce land fragmentation and the ecological footprint of mining activities. Seeding tailings sites with a mixture of agronomic herbaceous plant seeds (legumes and grasses) is a common practice in the first phase of tailings revegetation. However, few studies have attempted to determine whether this practice has a positive effect on plant succession leading to a forest ecosystem, or how the choice of seeded species influences the eventual establishment of boreal trees. In 2013, a one-hectare experimental in situ tailings area was set up on a gold mine site in Malartic (QC, Canada). The area was subdivided into three blocks of five plots. Each plot was randomly seeded with one of five treatments: agronomic grasses, agronomic legumes, a mixture of the two, a thin layer of topsoil, or a control (tailings alone). In 2015, 30 seedlings of three pioneer boreal tree species; jack pine (Pinus banksiana), tamarack (Larix laricina), paper birch (Betula papyrifera) and a willow cultivar (Salix miyabeana) were planted in an area representing 1/3 of each plot. Quadrats were delineated in the remainder of the plot area, part of them to assess the volunteer vascular plant community, the rest to determine the rate of establishment of four manually seeded species (P. banksiana, L. laricina, B., papyrifera and Salix discolor). All results presented are based on measurements taken the following year (2016). The first part of the research focused on the physicochemical properties of the soil, as well as the height, root biomass and foliar nutrition of the planted seedlings. The topsoil treatment produced a higher organic matter content and wilting point, as well as a lower bulk density than the other treatments, however the soil properties of the herbaceous treatments were not significantly different from those of the control. All species considered, mortality of planted seedlings was lower for grasses (20%) than for legumes (37%) or the mixture (28%), compared with 6% for topsoil and 84% for the control. Root biomass, height growth and foliar N content of willow were higher in legumes than in the other treatments, including topsoil. The second stage of the research compared the diversity of volunteer plants between treatments. Species richness was higher in the topsoil than in the herbaceous treatments (mean of 17 species per plot vs. 6), with no significant differences between the latter. Shannon diversity was higher in topsoil than in legumes. A multivariate analysis showed that 60% of the variation between communities (Bray-Curtis distance) was explained by the treatments; in particular, pioneer trees of the Salicaceae family were more abundant in the legume treatment but remained rare in general. The third stage of the research consisted in assessing the effects of the microclimate (soil temperature and moisture, light transmission) produced by the treatments on seed germination of the four forest tree species. In terms of microclimates, the only significant difference observed was a higher volumetric soil water content for topsoil (nearly 40% at 5 cm depth, vs. 30% or less for the other treatments). Nevertheless, germination and establishment of jack pine and tamarack were significantly higher in the grass treatment than in the other treatments. Paper birch seedlings were absent from all treatments. Despite the few years that have elapsed since the agronomic grasses were sown, this study demonstrated complementary contributions from grasses (seedling survival) and legumes (foliar nitrogen, growth, and establishment of Salicaceae) that in several cases exceeded the contributions of the positive control treatment (topsoil). These results justify seeding a mixture of grasses and legumes, with at least an equal proportion of legumes. In addition, the positive association between legumes and pioneer trees of the Salicaceae family, demonstrated by greater growth of planted willow seedlings and a greater number of volunteer trees of the Salix and Populus genera, means that we can recommend planting these fast-growing species on mine tailings previously seeded with agronomic legumes.

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