Développement d’un modèle forestier générique simulant les flux et les stocks de carbone et d’eau dans le cadre des changements climatiques L’augmentation de la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère pourrait être à l’origine...
moreDéveloppement d’un modèle forestier générique simulant les flux et les stocks de carbone et d’eau dans le cadre des changements climatiques
L’augmentation de la concentration en gaz carbonique dans l’atmosphère pourrait être à l’origine de changements climatiques importantes. La végétation semble constituer un puits conséquent au carbone: ~2Gt/an sur les 7Gt émises par an par les activités anthropiques, sont stockés dans les écosystèmes terrestres. Il est donc indispensable de mieux quantifier le cycle du carbone dans les biomes terrestres. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre avec pour but d’améliorer la quantification des flux et des stocks de carbone et d’eau dans les écosystèmes forestiers. Le travail de thèse a été subdivisé en trois taches principales: l’amélioration et la validation d’un modèle de type SVAT et le renforcement de son caractère générique, l’étude des effets de la variabilité spatiale des paramètres d’entrées sur les flux de carbone et d’eau simulés et le développement de méthodes (utilisation de la télédétection) pour estimer certains des paramètres d’entrées à l’échelle de la région.
Tout d’abord, nous avons poursuivi le développement et l’amélioration d’un modèle forestier (CASTANEA). CASTANEA simule les flux suivants : la Production Primaire Brute (PPB), la respiration autotrophe aérienne et souterraine, la respiration hétérotrophe du sol, l’évapotranspiration du couvert et le drainage de l’eau. A partir de ses flux, l’évolution des stocks de carbone du sol, la croissance aérienne et souterraine du bois et la dynamique d’eau dans le sol sont calculées. Les flux sont calculés à un pas de temps semi-horaire alors que l’évolution des stocks (eau et carbone) est implémentée journellement. Le peuplement est représenté comme un arbre moyen avec 5 compartiments physiquement localisés : tiges, branches, feuilles, grosses racines et fines racines et un compartiment physiquement non localisé : les réserves glucidiques. Le couvert est schématisé par une série de strates horizontales d’indice foliaire identique. Seule la variabilité verticale des propriétés photosynthétiques et de la respiration des feuilles est prise en compte. Le modèle ne tient compte d’aucun type de variabilité horizontale. Les variables météorologiques, requises chaque demi-heure pour le fonctionnement de CASTANEA, sont le rayonnement global, la température de l’air, l’humidité relative, la vitesse du vent et les précipitations.
Le modèle a été précisément paramétré sur le site Euroflux de Hesse en 1997, nous avons étudié l’effet sur les variables de sortie de l’incertitude concernant la mesure des paramètres d’entrées. Nous avons montré que les incertitudes concernant les paramètres conditionnant le couplage eau carbone et de la réponse de la photosynthèse au PAR, pesaient fortement sur la simulation du Flux Net de Carbone (FNC). Ensuite nous avons évalué chaque processus implémenté dans le modèle. Pour cela, nous avons utilisé de nombreuses mesures auxiliaires disponibles sur le site de Hesse en 1997: croissance du bois, photosynthèse à l’échelle des branches, respiration du bois et du sol, transpiration, contenue en eau du sol et interception du rayonnement et de la pluie. Nous avons montré que le modèle reproduisait bien les bilans carboné et hydrique calculés par la somme des flux locaux mesurés (correspondant chacun à un processus). Cependant, il existe un biais quand on compare les simulations annuelles et les flux mesurés par la méthode des corrélations (mesure intégrative). Ce résultat questionne notamment le processus de changement d’échelle lorsque l’on construit un modèle. Ensuite nous avons évalué le modèle à Hesse sur le plus long terme de 1997 à 2003, par comparaison des simulations et des mesures de FNC, d’eau et d’accroissement du bois aérien. Le modèle reproduit bien les variations journalières et interannuelles mais ne capte pas une forte tendance à la hausse du FNC observée sur les mesures. Ce résultat questionne une fois de plus le changement d’échelle et notamment les variations de la surface d’intégrée par les mesures.
Nous avons aussi paramétré et validé le modèle pour 3 autres sites Euroflux en comparant à chaque fois nos simulations à plusieurs années de flux mesurés par la méthode des corrélations (1 site dominé par un chêne sempervirent et deux sites de conifères). Ensuite sur 6 peuplements représentatifs de la forêt française nous avons simulé les effets de la dérive climatique simulée par le modèle climatique ARPEGE de 1960 à 2099 sur les flux de carbone et d’eau. Nous avons montré que la Production Primaire Brute (PPB) et la respiration de l’écosystème (Reco) augmentaient dans tous les cas, mais dans des proportions différentes selon l’espèce et le site. La conséquence est l’augmentation du FNC (PPB-Reco) pour 4 peuplements, la stabilisation pour 1 et la décroissance pour le dernier. De plus, la sécheresse tend à augmenter aussi ce qui limite la hausse de PPB à partir de 2030.
Suite aux validations de la version de base du modèle deux améliorations du modèle ont été développées et testées : Tout d’abord, nous avons implémenté la résistance mésophyllienne dans le module de photosynthèse foliaire. La plupart des modèles de photosynthèse ne prennent en compte, que les résistances au trajet du CO2 comprises entre la surface des feuilles et les chambres sous stomatiques, alors que, quand le CO2 diffuse jusqu’au chloroplastes, il existe aussi des résistances internes (ou mésophylliennes) en phase liquide et en phase gazeuse. Nous avons observé, que la prise en compte de ces résistances modifiait la réponse de la photosynthèse foliaire au rayonnement mais changeait peu le couplage eau carbone contrairement à ce que l’on présupposait. La seconde modification concerne l’allocation du carbone : simulation de coefficients d’allocation variables en fonction des conditions du milieu, simulation de l’indice foliaire, simulation de la masse surfacique des feuilles. Le carbone disponible pour la mise en place de nouvelles structures est égal à la différence entre la Production Primaire Brute (PPB) et de la Respiration Autotrophe (RA) du couvert. Ensuite, ce carbone disponible est réparti entre les différents « compartiments », feuilles, bois aérien, grosses racines, fines racines selon des coefficients d’allocation. L’utilisation de coefficients d’allocation constants (comme dans la version de base de CASTANEA) ne permet pas de prendre en compte des effets âges ou des effets de fertilité. Il est alors nécessaire d’implémenter des règles mécanistes d’allocation, ou de contraindre les coefficients d’allocation selon différents critères. Nous avons développé un modèle d’allocation pour les espèces décidues en utilisant deux sortes de contraintes fonctionnelles : l’homéostasie de la quantité de réserves carbonées et les contraintes hydrauliques, l’arbre devant constamment maintenir un continuum d’eau entre le sol et les feuilles, ce qui conditionne sa surface de tissus conducteurs, sa conductance stomatique, et le rapport entre surface foliaire et surface racinaire. En utilisant un important jeu de donnée sur deux sites (Fontainebleau et Hesse), nous avons montré que la simulation des variations spatiales et temporelles de croissance aériennes est améliorée lorsque les variations d’allocation sont prises en compte. Nous avons aussi testé la validité de la simulation du LAI à partir de la quantité de réserves. Un module de simulation de la masse surfacique en fonction du rayonnement incident a aussi développé. A l’aide d’un large jeu de données (5 sites de mesures et trois espèces), nous avons démontré la fiabilité de ce modèle.
Un massif forestier comme celui de Fontainebleau, peut être considéré comme une mosaïque de parcelles, dont les caractéristiques du couvert dépendent des espèces présentes, de la fertilité du sol, des pratiques forestières ou de la pente. Si l’on est capable de déterminer sur chaque parcelle les caractéristiques conditionnant les FNC, il est possible de réaliser des cartes du FNC sur l’ensemble du massif avec un modèle comme CASTANEA. La parcelle constitue alors le niveau de résolution de l’étude. Mais pour déterminer le FNC directement à l’échelle du massif forestier, au lieu de réaliser près de 3000 simulations, chacune d’entre elles correspondant à une parcelle, une seule simulation peut être réalisée à partir des paramètres moyens sur le massif. Une parcelle « moyenne » est ainsi sensée représentée le massif forestier. C’est ce type de simplification qui est fait dans les modèles fonctionnant aux échelles continentales ou globales. Cependant, les flux de carbone et d’eau constituent la résultante de processus qui parfois présentent des réponses non linéaires aux caractéristiques du milieu. Si l’on procède à une agrégation spatiale de paramètres (par l’utilisation d’un peuplement moyen) présentant une variabilité pour laquelle la réponse du FNC sature, les estimations du FNC sont alors en théorie positivement biaisées. Nous avons donc étudié l’effet de l’hétérogénéité spatiale sur la simulation des flux de carbone de façon totalement théorique par une étude de sensibilité et de manière plus contrainte par l’hétérogénéité effective observée à trois échelles différentes. Dans un premier temps, une analyse de sensibilité a été menée en faisant varier simultanément, dans des gammes réalistes, six principaux paramètres d’entrées : la biomasse de bois, la réserve utile en eau du sol, l’agrégation du couvert, l’indice foliaire, et la masse surfacique des feuilles de lumière. Dans un deuxième temps, l’effet de l’agrégation spatiale des paramètres d’entrées sur la simulation des flux de carbone et d’eau est considérée à trois échelles différentes, de 0.8 à 1000 ha, en utilisant des résolutions spatiales allant de 10-2 ha à 20 ha. L’analyse de sensibilité indique que la photosynthèse et la respiration de l’écosystème montrent une réponse modérément non linéaire seulement pour le l’ind...
