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Évaluation de la respiration du sol en milieu montagnard - MASTER SET 2017-2018
ÉVALUATION DE LA RESPIRATION DU
SOL EN MILIEU MONTAGNARD
Présenté par : Mathieu ARTUFEL, Samuel BLOT, Laurie-May GONZALES, Pauline JEAN,
Ludovic MARIE-DIT-ASSE, Laura MARTIN, Thibaut METRIS, et Martina
SOLOFOFIAVIANTSOA
2017-2018
MASTER SET - BEE
Évaluation de la respiration du sol en milieu montagnard - MASTER SET 2017-2018
Table des matières
Introduction ............................................................................................................................................. 1
1. Matériels et Méthodes ..................................................................................................................... 2
1.1. Site d’étude ............................................................................................................................. 2
1.2. Protocoles & Matériels............................................................................................................ 3
1.3. Analyses statistiques ............................................................................................................... 4
2. Résultats .......................................................................................................................................... 5
2.1. Facteurs structurants les différents sites.................................................................................. 5
2.2. La respiration en fonction des versants ................................................................................... 5
2.3. Respiration par versant et usage.............................................................................................. 6
3. Discussion ....................................................................................................................................... 8
3.1. Effet du versant ....................................................................................................................... 8
3.2. Effet de l’usage des sols .......................................................................................................... 8
3.3. Effet de l’altitude .................................................................................................................... 8
3.4. Limites de l’étude ................................................................................................................... 8
4. Conclusion ...................................................................................................................................... 9
5. Bibliographie................................................................................................................................. 10
Résumé.................................................................................................................................................. 11
Abstract ................................................................................................................................................. 11
Évaluation de la respiration du sol en milieu montagnard - MASTER SET 2017-2018
Introduction
La respiration du sol est un processus complexe, à la fois physique et biologique. Les racines
des plantes, l’action des fungi mycorrhiziens, les microorganismes et la faune du sol émettent du CO2
(Gaumont-Guay et al., 2006). La respiration du sol est considérée comme la principale source de CO2
libérée par les écosystèmes terrestres, et constitue le deuxième plus grand flux de carbone (Raich and
Tufekciogul, 2000). En effet, les sols stockent deux à trois fois plus de carbone que l’atmosphère et 3
à 4 milliards de tonnes sont stockés dans les 30 premiers centimètres des sols français (ADEME, 2014).
Étant une source importante de libération de CO2 vers l’atmosphère, le sol agit donc sur le changement
climatique. Afin de mieux appréhender les flux futurs de CO2 liés à la respiration du sol, il convient de
comprendre davantage les facteurs qui l’influencent comme par exemple : la lumière, la végétation, le
pH etc. En plus de ces paramètres, d’autres facteurs tels que le type de sol, le versant ou l’usage du sol
modifient cette respiration. L’intérêt de la présente étude est d’étudier cette respiration en fonction, des
usages du sol, du versant ainsi que de l’altitude en milieu montagnard. L’étude tentera de valiser trois
hypothèses :
- H1 : La respiration diminue en fonction de l’altitude car plus l’altitude augmente moins la
température est élevée
- H2 : La respiration est plus importante sur l’adret car ce versant subit plus d’ensoleillement. Il
y a donc plus de végétation qui réalise la photosynthèse et permet l’oxygénation du sol
- H3 : La respiration du sol est moins importante en pâturage qu’en milieu forestier car en forêt
les racines des arbres respirent davantage et la respiration des microorganismes qui
décomposent la matière organique est importante.
Afin que les résultats soient les plus proches de la réalité, les mesures ont été prise in natura, en milieu
naturel montagnard dans le sud-est de la France, dans le département des Alpes-de-Haute-Provence,
proche la commune de Meyronne (1 300m d’altitude) qui se situe dans la vallée de l’Ubaye.
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Évaluation de la respiration du sol en milieu montagnard - MASTER SET 2017-2018
1. Matériels et Méthodes
1.1. Site d’étude
La station d’étude se situe au Sud-Est de la France, dans le département des Alpes-de-Haute-Provence,
à côté de la commune de Meyronne (1 300m d’altitude) qui se localise dans la vallée de l’Ubaye.
Le climat est contrôlé à la fois par les influences méditerranéennes et montagnardes (Malet et al., 2005),
selon une variabilité mensuelle nette des précipitations (734 ± 400 mm pour la période 1928-2013) ainsi
que des orages d'été. Une grande amplitude de température journalière significative est à noter
(supérieure à 20 ◦C) mais également une moyenne de 120 jours de gel par an et de longues périodes
sèches de mai à octobre (Schlöge et al., 2015).
Trois différents sites ont constitué la zone d’étude à savoir :
- Un premier versant orienté adret (sud) nommé « P », caractérisé par une mosaïque de milieux
ouvert dont des prairies pâturées, et des landes à genévriers de phénicie (Juniperus phoenecea)
présents sous forme de patch en coussinet, dans les altitudes les plus élevées (1950-1930m).
Quelques pins à crochet (Pinus uncinata) et pins sylvestres (Pinus sylvestris), ainsi que de
nombreux amoncellements de roches issus de l’exploitation des sols par les anciens agriculteurs
sont présents. Entre 1860 et 1850m, le milieu est encore caractérisé par une prairie pâturée mais
en cours de fermeture avec de nombreux patchs de genévrier de phénicie et quelques églantiers
(Rosa sp.). Vers 1710m, la pression de pâturage est plus importante et une route se trouve en
proximité. Des patchs de genévriers de phénicie en coussinet et quelques églantiers sont
recensés. En altitude plus basse à 1590m, les prés sont pâturés avec quelques arbustes
d’églantiers et de pruniers de Briançon (Prunus brigantina).
- Un deuxième versant également orienté adret nommé « F », caractérisé par une forêt de
mélèzes (Larix decidua) et un sous-bois de patchs d’églantiers et de genévriers. La végétation
est analogue au premier versant à tous les étages altitudinaux.
- Un troisième versant orienté ubac nommé « U », caractérisé par une forêt de mélèzes et un
faible sous-bois composé de raisin d’ours (Arctostaphylos urva-ursi), de genévrier de phénicie,
sous forme de patchs en coussinets, sur les hautes altitudes (2020m). Le sol souvent érodé
comportait de nombreux éboulis. À 1870m domine une forêt de sapin et un sous-bois herbacé
avec des bryophytes. La même végétation est retrouvée à 1710m, avec toutefois davantage de
branches mortes. En altitude plus basse à 1570m domine une forêt de mélèzes avec le même
type de sous-bois qu’au niveau des altitudes supérieures.
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1.2. Protocoles & Matériels
Chaque site d’étude (P, F, U) se compose de quatre stations de relevés selon un gradient
altitudinal numéroté de 1 à 4, la station 1 correspondant à l’altitude la plus élevée du site (figure 1).
Toutefois, faute de temps, une station de mesure altitudinale du dernier site “F” é été retirée. Ce site ne
comportait donc que 3 stations de mesure. Au niveau d’un même site, les stations sont espacées de 100
à 150 mètres.
Figure 1 Localisation des différentes stations de mesure au sein de la zone d’étude, pour les 3 sites étudiés
L’unité d’échantillonnage choisie est un transect. Pour chaque station, 2 transects distants d’au moins
20 mètres ont servi de ligne de collecte et chaque transect suit la courbe de niveau du terrain. Sur chaque
transect, cinq points (5) d'échantillonnage espacés de 20 mètres les uns des autres ont été positionnés
selon un lancer aléatoire pour déterminer le point de départ.
- Mesure de la respiration
La respiration est la variable réponse. Elle a été mesurée à l’aide d’un respiromètre calibré et mis en
contact avec la surface du sol pendant 128 secondes. La respiration est exprimée en µmol de CO2 par
m² par seconde.
- Mesures des variables explicatives
Les variables explicatives ont été mesurées selon les procédés suivants :
pH : mesuré à l’aide du liquide et dont la valeur est déduite selon la coloration obtenue par
contact du liquide avec un échantillon de sol ;
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● Hygrométrie : mesurée à l’aide d’un hygromètre comportant deux électrodes plantées dans le
sol. L’hygrométrie moyenne exprimée en pourcentage est obtenue à partir de quatre mesures
différentes par point d'échantillonnage ;
● Température du sol : mesurée à l’aide d’un thermomètre planté dans le sol mesurant la
température. Celle-ci est exprimée en degrés Celsius ;
● Taux de recouvrement : évalué sur une surface de 50cm x50cm et correspondant au pourcentage
de végétation recouvrant le sol. D’autres paramètres complémentaires ont été relevés dans le
quadrat à savoir le pourcentage de sol à nu, le pourcentage de cailloux ainsi que les espèces
dominantes ;
● Carbonates : présence déterminée à l’aide d’acide chlorhydrique par mise en contact de
quelques gouttes d’acide chlorhydrique sur le sol. En cas d’absence d’effervescence, de faible
réaction et de forte réaction, les notes respectives de 0 ; 0,5 et 1 ont été attribuées au sol et qui
traduisent la présence ou non de carbonate ;
● Pente : mesurée à l’aide d’un smartphone et exprimée en degré ;
● Altitude : mesurée à l’aide d’un smartphone et exprimée en mètre.
1.3. Analyses statistiques
Les données issues du terrain sont transcrites numériquement sur Excel version 15.0.4815.1002
(Microsoft, 2013). Le logiciel R version 3. 2. 0 (R Core Team, 2015) utilisé pour l’analyse statistique
de ces données. Dans un premier temps, l’analyse en composante principale (ACP) est réalisée sur les
variables explicatives pour caractériser les trois sites d’études. Ensuite, une ANOVA suivie d’un test
de Tukey a été faite sur la variable réponse (respiration du sol) en fonction des facteurs sites et stations.
Enfin, une modélisation à l’aide de la régression linéaire est effectuée entre la respiration et les variables
réponses.
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2. Résultats
2.1. Facteurs structurants les différents sites
Figure 2 ACP des facteurs structurant les différents sites étudiés
Différents facteurs vont structurer le milieu (figure 2). L’inertie des deux axes observés est de 55%. Les
facteurs étudiés ont la même allure sur l’ACP, en prenant trois axes (en étudiant les axes 1 et 2, 2-3, 1-
3) et on obtient une inertie de 70 % ce qui est significatif pour commenter les axes. Ils ont une influence
plus ou moins grande et vont caractériser un « milieu ». Ici, trois milieux de montagne sont étudiés. La
p value étant inférieure à 0.05, l’AFC suivante est considérée comme fiable statistiquement. Les facteurs
les plus représentés dans les axes et qui par conséquent influencent le plus les milieux par leur amplitude
sont la température et le pH pour le premier axe et le recouvrement végétal et l’humidité pour l’axe 2.
La température est en moyenne plus importante en pâturage sur le versant adret qu’en forêt sur le même
versant et encore plus comparativement à l’autre versant en forêt. Le pH suit la même tendance et
amplitude et on retrouve donc les zones avec les pH les moins acides en pâturage et adret forêt. On
retrouve des carbonates dans les zones à pH important. L’humidité semble corrélée au recouvrement
végétal : plus il y a d’humidité, plus le recouvrement végétal est important et vice-versa. Les milieux
forestiers comprennent visiblement les amplitudes les plus importantes.
2.2. La respiration en fonction des versants
La figure 3 représente la
respiration en fonction des
différents versants et usages. La
respiration pour la forêt ubac est
semblable à celle du pâturage. La
respiration de la forêt adret est
significativement plus basse que
les deux autres (p
Évaluation de la respiration du sol en milieu montagnard - MASTER SET 2017-2018 La figure 4 représente la différence de respiration en fonction des versants et des usages ainsi que de l’altitude. Pour l’altitude basse et haute, il n’y a pas de différence de respiration entres les différents usages et versants (p=0.167 et P=0.448). Pour l’altitude moyenne, la respiration pour la forêt adret et le pâturage est identique. La respiration pour la forêt ubac est significativement plus élevée que pour les deux autres (p
Évaluation de la respiration du sol en milieu montagnard - MASTER SET 2017-2018
Pour le Pâturage
La figure 5 représente la respiration en
fonction de l’altitude pour le pâturage. On
n’observe pas de corrélation entre la
respiration et le pâturage (p>0,05).
Figure 5 Corrélation linéaire entre la respiration (µmol CO2/m²s) et
l’altitude (m) (F=3,634, r²=0.087, p=0.061) pour le pâturage
La figure 6 représente la respiration en
fonction de la température. La
respiration semble corrélée à la
température (p=0.033). Plus la
température augmente, plus la
respiration est basse. Le r² étant faible,
la relation n’est pas linéaire.
Figure 6 Corrélation linéaire entre la respiration (µmol CO2/m²s) et la
température (°C) (F=4.849, r²=0.113, p=0.033*) pour le pâturage
Pour la forêt adret et ubac
La figure 7 représente la respiration en fonction de l’altitude pour l’adret et l’ubac. On n’observe pas
de corrélation entre la respiration et l’altitude (p>0,05).
Figure 7 Corrélation linéaire entre la respiration (µmol CO2/m²s) et l’altitude (m) (F=0,125, r²=0,00,
p=0.726 et F=0,01, r²=0,00, p=0.939) pour l’ubac à gauche et l’adret à droite
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3. Discussion
3.1. Effet du versant
Un effet du versant sur la respiration était attendu (figures 3 et 4). En effet, l’orientation d’un
site est l’un des paramètres principaux structurant les écosystèmes montagnards. Cependant, ici, le sens
de l’effet ne semble pas correspondre à l’hypothèse de base H2 (la respiration est plus importante sur
l’adret), le versant nord (ubac) affichant des valeurs de respiration plus élevées que le versant sud (adret)
en particulier à l’altitude “moyenne” (autour de 1750m). Les forts taux d’humidité mesurés en ubac et
leur corrélation positive avec la respiration ainsi que la sécheresse de l’été 2017 pourraient expliquer
cette tendance. Une étude de Curiel Yuste (Curiel Yuste et al., 2003) a pu mettre en avant l’importance
de la réserve en eau du sol comme facteur limitant. À l’échelle du versant, l’orientation a pu faire varier
l'évapotranspiration et donc sa réserve en eau. Ainsi, la respiration du sol aura pu se retrouver affectée:
davantage d’eau à l’ubac entrainant davantage de respiration. Ce “sous facteur” pourrait donc masquer
l’effet principal attendu en étudiant deux versants: l’exposition au soleil.
3.2. Effet de l’usage des sols
Au vu des résultats, l’effet d’usage semble avoir un impact sur la respiration (figure 3 et 4). On
observe une différence significative de la respiration du sol, entre la forêt et le pâturage (dont ce dernier
a des valeurs de respiration plus importantes), tous deux étant orientés en adret. Cela pourrait
s’expliquer par le fait que les graminées sont plus productives en saison sèche, ce qui entraîne une
grande amplitude d'émissions de CO2, tandis que les forêts, aux racines plus profondes conservent une
respiration substantielle pendant la saison sèche (Davison et al., 1998). La deuxième hypothèse H3 (la
respiration du sol est moins importante en pâturage qu’en milieu forestier) est donc validée, puisque il
y a effectivement une différence significative de la respiration en fonction des usages (pour un même
versant). Cependant les résultats obtenus n’ont pas permis d’identifier les principaux facteurs impliqués
(tableau 1).
3.3. Effet de l’altitude
Une relation négative significative entre la température et la respiration du sol va dans le sens
contraire de l’hypothèse sur l’effet de l’altitude H1 (la respiration diminue en fonction de l’altitude),
(tableau 1). La relation température/respiration du sol observée dans la littérature indique d’ordinaire
une relation positive (Drewitt et al., 2002) ; (Jassal et al., 2005) . Mais la faible échelle temporelle de
nos échantillonnages pourrait être à l’origine de cette contradiction. En effet, mesurer la respiration du
sol et sa température à un instant t ne permet pas de modéliser les tendances de son activité annuelle,
les protocoles efficaces se déroulant sur une année complète en permettant le lissage des variations
saisonnières ou d'événements climatiques ponctuels (Rodeghiero and Cescatti, 2005).
3.4. Limites de l’étude
Il est possible d’expliquer quelques résultats de cette étude par certains biais rencontrés. Tout
d’abord, le temps alloué à la récolte des données était trop court. L’ensemble des données a dû être
récolté en seulement trois jours. Très peu de données ont alors pu être enregistrées et ce selon un cours
laps de temps. Il y a donc peu de robustesse dans ce jeu de données, ne pouvant être représentatif de
toute une année. Pour une estimation annuelle, il faudrait répartir le temps de récolte des échantillons
tout au long de l’année dans le but d’étudier un effet saisonnier.
Aussi, pour limiter les effets des températures, la récolte des échantillons devrait être réalisée à
la même heure chaque jour, contrairement à cette étude. En effet, l’écart de température entre la récolte
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du premier échantillon et celle du dernier (dans la même journée) peut être très important. Cela peut
donc constituer un autre biais dans la mesure des températures. De plus les températures du sol étaient
faibles donc il y avait peu d'activité microbienne ce qui peut expliquer que les résultats ne soient pas
exploitables.
D’autres difficultés ont été rencontrées, notamment en ce qui concerne le traitement des
échantillons de terre au fluorimètre : les résultats obtenus ne permettent pas de séparer les différents
modes d'occupation des sols car l’ensemble des valeurs est beaucoup trop homogène pour les
différencier. Les données, ne permettent pas d’en tirer une conclusion.
L’ensemble des valeurs obtenues à l'issu des relevés de sols ne permet pas de les différencier
car elles sont beaucoup trop homogènes.
Enfin, des problèmes de mesure de l’hygrométrie du sol avec la sonde ont eu lieu. Cela peut
être dû au fait que lorsque le sol est trop aéré, l’impulsion électrique entre les deux électrodes circule
mal, voire pas du tout. Certaines données peuvent donc avoir été biaisées, notamment lorsque le
pourcentage d'humidité est égal à 0.
4. Conclusion
Dans un contexte de changement climatique et de changements d’usage des sols, étudier la
réponse des sols, notamment en terme de respiration et donc de CO2 dégagé, est primordial. Les sols
stockant deux à trois fois plus de carbone que l’atmosphère et étant la principale source de rejet de CO2
dans l’atmosphère, de simples modifications pourraient avoir des conséquences significatives (Geng et
al., 2012). L’étude menée est intéressante dans le sens où de nombreux facteurs affectant la respiration
du sol ont pu être appréhendés et ce en corrélation. Mais cette courte étude est à approfondir en termes
de temps comme de techniques et d’analyses afin de mieux monitorer et modéliser la respiration du sol
à long terme, dans les prochaines années. La respiration en fonction de l’altitude étant assez bien
connue, les perspectives de recherches devraient davantage se concentrer sur le thème d’usage des sols.
L’étude de la contribution de tous les facteurs influençant la respiration pourrait apporter de
nombreuses connaissances comme par exemple dans le cadre du projet 4 pour 1000 dont l’objectif fixé
lors de la COP21 est de permettre une meilleure fixation du CO2 atmosphérique dans les sols via des
techniques plus raisonnables d’agriculture, afin de compenser les émissions anthropiques (Zanellaa et
al., 2017).
Ainsi, mieux comprendre l’ensemble des processus régissant la température permettra
d’améliorer les modèles de changement climatique et ainsi d’adapter voire d’imaginer de nouvelles
techniques pour limiter le réchauffement auquel nous faisons face et auquel il est urgent de remédier.
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5. Bibliographie
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[WWW Document]. URL
https://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/7886_sol-carbone-2p-bd.pdf
(accessed 1.28.18).
Curiel Yuste, J., Janssens, I.., Carrara, A., Meiresonne, L., Ceulemans, R., 2003. Interactive effects of
temperature and precipitation on soil respiration in a temperate maritime forest. Tree
Physiology 23, 1263–1270.
Davison, E.., Belk, E., Boone, R.., 1998. Soil water content and temperature as independent or
confounded factors controlling soil respiration in a temperate mixed hardwood forest. Global
Change Biology 4, 217–227.
Drewitt, G.., Black, T., Nesis, Z., Humphreys, E.., Jork, E.., Swanson, R., Ethier, G.., Griffis, T.,
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the Large-Scale Patterns. LoS ONE 7(4): e34968. doi:10.1371/journal.pone.0034968.
Jassal, R., Black, T., Novak, M.., Morgenstern, K., Nesis, Z., Gaumont-Guay, D., 2005. Relationship
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Malet, J.., Van Asch, T.W.., Van, B., Maqueraire, O., 2005. Forecasting the behaviour of complex
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elevation/temperature gradient in the Italian. Alps. Glob Chang Biol 11, 1024–1041.
Schlöge, I., Malet, J.., Reichenbach, P., Remaître, A., Doubre, C., 2015. Analysis of a landslide multi-
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Zanellaa, A., Bolzonellaa, C., Lowenfelsb, J., Pongec, J.., Bouchéd, M., Sahae, D., Singh, S., Fritz, L.,
Savoryg, A., Blouinh, M., Sartoria, M., Tatti, D., Kellermanni, L.., Trachselj, P., Burgosi, S.,
Minasnyk, B., Fukuokaa, M., 2017. Techno humus systems and global change–conservation
agriculture and 4/1000 proposal. Applied Soil Ecology 122, 271–296.
10 | P a g eÉvaluation de la respiration du sol en milieu montagnard - MASTER SET 2017-2018
Résumé
La respiration du sol est une source d’émission de carbone dans l’atmosphère. Elle est influencée à la
fois par des facteurs abiotiques et biotiques. La présente étude a été menée dans la vallée de l’Ubaye en
région Alpes-de-Hautes-Provence, en milieu montagnard, selon un gradient altitudinal échelonnant de
1570 à 1950m et au niveau de trois versants différents. L’objectif était d’évaluer l’influence du versant,
de l’usage du sol et de l’altitude (température) sur la respiration du sol. Les résultats montrent que la
respiration est plus importante sur le versant nord par rapport au versant sud et s’explique par un fort
taux d’humidité des sols au niveau du premier versant. Cette tendance est surtout présente en altitude
moyenne. La valeur de la respiration est plus élevée en pâturage qu’en milieu forestier. Les graminées
du milieu ouvert sont plus productives et respirent donc davantage en saison sèche contrairement à
l’activité racinaire des arbres en forêt. Le modèle issu des analyses a montré une corrélation
significativement négative de la température et de la respiration du sol. Cette tendance peut s’expliquer
par le fait que les données utilisées ont été collectées sur trois jours et ne représentent donc pas la
respiration annuelle des sols. Les résultats de cette étude soulignent que d’autres facteurs influencés par
les premiers tels que le taux d’humidité des sols et l’activité de la végétation constituent des facteurs
clés permettant d’expliquer la variation de la respiration du sol en milieu montagnard.
Altitude – Humidité – Montagne – Respiration – Sol – Température - Ubaye – Usage – Végétation –
Versant
Abstract
Soil respiration is a source of carbon emission into the atmosphere. It is influenced by both abiotic and
biotic factors. The present study was conducted in the Ubaye valley in the Alpes-de-Hautes-Provence
region, in a mountain, according to an altitudinal gradient ranging from 1570 to 1950m and at three
different slopes. The objective was to evaluate the influence of slope, land use and altitude (temperature)
on soil respiration. Respiration is higher on the northern slope compared to the southern slope. It can
be explained by a high soil moisture content at the first slope. This trend is especially observed in
medium altitude. The value of respiration is higher in pasture than in forest. Grasses in the open
environment are more productive and therefore breathe more during the dry season, contrasting to the
root activity of trees in the forest. The model obtained from the analyzes showed a significative negative
sense of the linear relationship between temperature and soil respiration. This trend could be explained
by the fact that the data used were collected in only three days and therefore do not represent the annual
soil respiration. The results of this study showed that other factors influenced by the first ones such as
soil moisture content and vegetation activity are key factors to explain the variation of soil respiration
in a mountain environment.
Altitude – Land use – Moisture – Mountain – Respiration – Slope - Soil – Temperature – Ubaye –
Vegetation
11 | P a g eVous pouvez aussi lire
