Les changements globauxet le fonctionnement des écosystèmes :

la forêt méditerranéennede Puéchabon

Equipe DREAMCEFE-CNRS, Montpellier, France

Richard JOFFREEquipe DREAMCEFE-CNRS

richard.joffre@cefe.cnrs.fr

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