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Les changements globauxet le fonctionnement des écosystèmes :
la forêt méditerranéennede Puéchabon
Equipe DREAMCEFE-CNRS, Montpellier, France
Richard JOFFREEquipe DREAMCEFE-CNRS
Climat méditerranéenClimat méditerranéen
présent sur tous les continents(Californie, Chili, Afrique du sud,Australie)
transition tempéré-tropical
répartition inégale des pluiesdans l’année
Source: The Met Office. Hadley Centre for Climate Prediction and Research.
Changements attendus des précipitations annuelles en 2050 pour une hypothèse d’accroissement des émissions de CO2 atmosphérique d’environ 1% (HadCM2 model).
HadCM2 préditHadCM2 prédit la décroissancela décroissance
des précipitations des précipitations dans les 5 régionsdans les 5 régions
à climat méditerreanéenà climat méditerreanéen
Modifications observées
Montpellier : Precipitations annuelles 1762-1997
Annee
Pré
cipi
tatio
ns (
mm
)
1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 19800
250
500
750
1000
1250
1500
Montpellier : Precipitations maiaout 1762-1997
Annee
Pré
cipi
tatio
ns (
mm
)
1780 1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 19800
50
100
150
200
250
300
350
400
température : +0.1 à +0.3 degré / 10 ans (Catalogne)
précipitation : diminution (ex: Montpellier)
La demande évaporative s’est accrue depuis un siècleimpliquant un niveau de contraintes et de stress plus grand sur la végétation
(Piñol et al. 1998)
Roquetas (Tarragona)
950
1000
1050
1100
1150
1200
1900 1920 1940 1960 1980 2000
Evapora
tion
pote
nti
elle
(m
m)
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
L o n g itu d e (° )
42.0
42.5
43.0
43.5
44.0
44.5L
atit
ude
(°) Montpellier
Narbonne
Toulouse
Perpignan
Girona
Albi
Vers une diminutiondu cumul de précipitations estivales...
0
20
40
60
80
100
120
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0
M ontpe llie r
N arbonne
C astres
M eyrue is
5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0
C u m u l d e p réc ip ita tio n d e m a i à aoû tM o yen n e 185 1 -1 90 0
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 00
20
40
60
80
100
120
M o n tp e llie r
N a rb o n n e
C a stre s
M ey ru e is
C u m u l d e p réc ip ita tio n d e m a i à aoû tM o yen n e 1 95 9 -1 99 4
Modèle ARPEGE Météo-FranceLocalisation des points de la grille
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
P mm
MONTPELLIER MONTPELLIER
1970 - 2000 2070 - 2100
Précipitations estivales (mai à août)Modèle ARPEGE
02468101214161820222426283032
T ° C
MONTPELLIER MONTPELLIER
1970 - 2000 2070 - 2100
Températures maximales estivales (mai à août)Modèle ARPEGE
Le climat dans le bassin méditerranéen au 21ème siècle ?
Modèles GCM (UKTR, Hadley Center)
260
280
300
320
340
360
380
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
CO2 atmosphérique (ppm)
0
1
2
3
4
5
6
J F M A M J J A S O N D
Augmentation de température (°C)
Modification du régime des précipitations
Précipitation(mm)
Temps de retour
CO2
2xCO2
25mm -
1 an 10 ans
Les changements globauxet le fonctionnement des écosystèmes :
Les forêts méditerranéennes sont-elles des sources ou des
puits de carbone ?
Quelle doit être la démarche de recherche ?
• Approche intégrée du fonctionnement des écosystèmes en termes de carbone, nutriments et eau
• Comprendre le rôle de la variabilité inter et intra spécifique et de l ’hétérogénéité spatiale dans le maintien à long-terme des communautés
• Nécessité d’échelles temporelles et spatiales emboîtées
Dream CNRS
L ’approche ascendante ou“ Telling ecosystem from individuals ”
Le fonctionnement des écosystèmes est à la fois sous le contrôle des réponses des individus aux facteurs de l’environnement et des contraintes hydriques et nutritionnelles à l’échelle de l’écosystème.
Dream CNRS
• Comment les flux d’H2O et de C varient-ils au cours des saisons et des années ?
• Quelles sont les interrelations entre les flux d’énergie, d’eau et de carbone et quelle est l’importance des contrôles environnementaux, biologiques et structuraux
Dream CNRS
L’approche descendante : analyse des échanges de C entre la végétation et l’atmosphère
Eddy correlation
H2O
Atmosphere
Energy CO2
Ecosystem
TURBULENCESWIND
L ’écosystème étudié:L ’écosystème étudié:
La forêt dechêne vert (Quercus ilex L.)
- dominant au nord du bassin méditerranéen
- sempervirent
Site d’étude Puéchabon 35 km NW Montpellier 3°35’40’’E, 43°44’30”N, altitude 270 m calcaire jurassique réserve en eau disponible ca. 150 mm sur 4.5m
de profondeur climat méditerranéen sub-humide précipitation annuelle 883 mm
(1998 sec 1999 humide 2000 humide) température moyenne annuelle 13.5°C
Dream CNRS
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
1985 1990 1995
Mean
25%
75%
Time (years)
Ye
arly
ra
infa
ll (m
m)
Dream CNRS
Le bilan de carbone d ’une forêt est la (petite) différence entre deux (grands) flux opposés, respiration et assimilation.
Il présente une variabilité spatiale et temporelle de ± 50%
Les mesures directes de flux de CO2 permettent de mesurer le bilan de carbone d ’écosystèmes entiers avec une résolution temporelle fine.
Ces mesures combinées à un monitoring environnemental continu et à la modèlisation permettent de quantifier le fonctionnement de l’heure à la décade.
Le carbone dans l’écosystème forestier...
Méthode:
Mesurer les flux et les échanges nets de carbone et d ’eau
Décrire, analyser et modéliserles acquisitions (photosynthèse) et les pertes de carbone (respiration, décomposition de la MO)
Quantifier les stocks de carbonedans les divers compartiments de l’écosystème
Forêt de chêne vert de Puéchabon
Les stocks de carbone
Les échanges nets de carbone
La production nette de carbone
Dream CNRS
La majorité des études s’intéressent à la biomasse aérienne…
Mais les racines peuvent
représenter la plus
grande partie du carbone...
Quantifier les stocks de carbone ...
….sans compter le carbone de la matière organique des sols !
La mesure des biomasses racinaires
Les stocks de carbone
Partie aériennefeuilles 300 g C m-2
bois 4800 g C m-2
Partie souterrainesouches 2600 g C m-2
racines 2200 g C m-2
Sollitière 300 g C m-2
MO 6100 g C m-2
2/3
1/3
Forêt de chêne vert de Puéchabon
Les stocks de carbone
Les échanges nets de carbone
La production nette de carbone
(eddy) ( leaf) (Soil)(Stem)
Mesure des flux de carbone
Dream CNRS
Early July 1998 to lateOctober1999
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Time (days)
NE
E g
C m
-2
Dream CNRS
Drought
Recovery
July 05 1998
-500
0
500
1000
1500
2000
PAR
-10.0
-7.5
-5.0
-2.5
0.0
2.5
5.0
FCO2
Time (hours)
Ph
oto
syn
thet
ic a
ctiv
e ra
dia
tio
n
FC
O2 (
mo
l m-2 s
-1)
L’acquisition de carbone
August 29 1998
-500
0
500
1000
1500
2000
PAR
-10.0
-7.5
-5.0
-2.5
0.0
2.5
5.0
FCO2
Time (hours)
Ph
oto
syn
thet
ic a
ctiv
e ra
dia
tio
n(
mo
l m
-2 s
-1)
FC
O2 (
mo
l m-2 s
-1)L’acquisition de carbone
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
-4
-3
-2
-1
0
Relative water content
Pre
daw
n le
af w
ater
pot
entia
l
Le stress subi par le chêne vert et la régulation du fonctionnement
-5 -4 -3 -2 -1 00.0
2.5
5.0
7.51998
19992000
2001
Predawn leaf water potential
Eco
syste
m G
PP
La régulation de la GPP par les facteurs de l’environnement
0.4 0.6 0.8 1.00.0
2.5
5.0
7.5
1998200119992000
Relative water content
Eco
syst
em G
PP
La régulation de la GPP par les facteurs de l’environnement
0 5 10 15 20 250.0
2.5
5.0
7.5
10.0
Mean air temperature, °C
GP
Pda
y
La régulation de la GPP par les facteurs de l’environnement
Totaux annuels moyenne sur 3 années complètes
• NEE 373 g C m-2 (178-568)
• Reco 1068 g C m-2 (843-1292)
• GPP 1396 g C m-2 (1103-1687)
La respiration de l’écosystème représente 76 % de la GPP
Les flux de carbone
-300
-200
-100
01998 1999 2000 2001 2002
Assimilation brute
g C
m-2
0
100
200Respiration de l'écosystème
g C
m-2
Forêt de chêne vert de Puéchabon
Forêt de chêne vert de Puéchabon
-150
-100
-50
0
50
Echange net
1998 1999 2000 2001 2002
g C
m-2
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec-250
-200
-150
-100
-50
0
GP
P (
g C
m-2)
Soil temp °C
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec0
50
100
150
200
Growth respiration
Droughtlimitation
RE
(g
C m-2)
0
10
20
Ecosystem respiration
Gross Primary Production
Les facteurs régulateurs de la photosynthèse (GPP) et de la respiration (RE) ne varient pas de façon symétrique au cours de l’année.
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec-150
-100
-50
0
50
100
Ecosystem source of C
Ecosystem sink of C
NE
E (
g C
m-2
)
NEE Monthly average (period 1998-2005)
La distribution du carbone sequestré (NEE) mensuellement est irrégulière et diffère de celle d’un écosystème tempéré.
• La respiration de la végétation a depuis longtemps été séparée en respiration de croissance et respiration de maintenance (McCree 1970; Thornley 1970)
“Growth-and-Maintenance-Respiration Paradigm”
• La phénologie et les patrons de croissance déterminent la période durant laquelle la composante respiration de croissance est significative
Les pertes de carbone : la respiration
Reco = Reco,ref RWC e ((bRWC + c)(t - tref
)/10)
tref = 0 °C, R eco, ref = 1.063 μmol CO2 m-2 s-1,b = 0.463, c = 0.383 n = 302, r2 = 0.78RMSE = 0.54 μmol CO2 m-2 s-1
Nous faisons l’hypothèse que
•Pendant la période de croissance de la végétation Reco = base Reco + Rgrowth
•Le reste de l’annéeReco = base Reco avec
2003
Time (month)
Ec
os
ys
tem
Re
sp
ira
tio
n
2
4
6
8
0
10
Décomposition de la respiration de l’écosystème en respiration de croissance et respiration de maintenance
Période de croissance
Patron mensuel de la respiration de croissance au printemps
Cambial activityShoot growthFlowering
0.00
0.05
0.10
I I I I I I I
J F M A M J J
Rela
tive g
row
thre
spir
atio
n
-1
0
1
2
3
41999
-1
0
1
2
3
42001
-1
0
1
2
3
4
I I I I I I IJ F M A M J J
2002
Res
pir
atio
n d
e cr
ois
san
ce
• Estimation de la respiration de croissance à partir des données de production annuelle, de la composition biochimique et des coûts de construction (Penning de Vries 1974)
Production 1999 2001 2002 growth cost
gr YG
Leaf fall 174 252 325 1.86 0.294 0.772
Flowers 19 15 40 1.86 0.294 0.772
Stem growth
196 259 60 1.61 0.194 0.838
Coarse roots & stump
206
272
63
1.61
0.194
0.838
Fines roots*
71 71 71 1.80 0.270 0.787
Growth respiration estimated
154
200
150
Growth respiration measured
170
208
142
Production en g C m-2 an-1
Cout de construction en g C (g C of new biomass)-1
Respiration de croissance Biochimie et coût de construction
154 200 150
Respiration de croissance eddy flux
170 208 142
L’augmentation de la respiration de l’écosystème provoquée par les changements climatiques (données Arpège) serait en 2100 de 20 % par rapport à la situation actuelle !!!
Les échanges d’eau sont également mesurés au niveau de l’écosystème, à celui du sol et enfin à l’échelle individuelle de l’arbre par la mesure des flux de sève
Mesure des flux de sève dans les arbres
StocksFlux - ToursFlux - Avion13C 18O CO-CO2
Stocks +Flux
Le réseau européen de mesures
S
Eddy fluxtower
Solarplant
Fully instrumented plot
R1
“light” plot
“light” plot
R2
S
Eddy fluxtower
Solarplant
Fully instrumented plot
R1
“light” plot
“light” plot
R2
La manipulation d’écosystème : un dispositif expérimental d’exclusion de pluies à Puéchabon
Trois blocs S, R1 et R2
L’exclusion de pluie vise à anticiper une diminution des précipitations de 20 %, en accord avec les prévisions des modèles climatiques en 2050
Les arbres des placettes éclaircies en 1992 ont survécu à l’extrême sécheresse de 1994
Prades 1994
Sécheresse et fonctionnement des forêtsLes effets des traitements sylvicoles