Les changements globaux et le fonctionnement des écosystèmes : la forêt méditerranéenne

1. Les changements globaux • et le fonctionnement • des écosystèmes : • la forêt méditerranéenne • de Puéchabon Richard JOFFRE Equipe DREAM CEFE-CNRS richard.joffre@cefe.cnrs.fr Equipe DREAM CEFE-CNRS, Montpellier, France

2. Climat méditerranéen • transition tempéré-tropical • répartition inégale des pluiesdans l’année • présent sur tous les continents(Californie, Chili, Afrique du sud,Australie)

3. HadCM2 prédit la décroissance des précipitations dans les 5 régions à climat méditerreanéen Changements attendus des précipitations annuelles en 2050 pour une hypothèse d’accroissement des émissions de CO2 atmosphérique d’environ 1% (HadCM2 model). Source: The Met Office. Hadley Centre for Climate Prediction and Research.

4. Modifications observées • précipitation :diminution (ex: Montpellier) • température : +0.1 à +0.3 degré / 10 ans (Catalogne)

5. 1200 Roquetas (Tarragona) 1150 1100 Evaporation potentielle (mm) 1050 1000 950 1900 1920 1940 1960 1980 2000 (Piñol et al. 1998) La demande évaporative s’est accrue depuis un siècle impliquant un niveau de contraintes et de stress plus grand sur la végétation

6. Vers une diminutiondu cumul de précipitations estivales...

8. Modèle ARPEGE Météo-France Localisation des points de la grille

9. Précipitations estivales (mai à août) Modèle ARPEGE 2070 - 2100 1970 - 2000

10. Températures maximales estivales (mai à août) Modèle ARPEGE 2070 - 2100 1970 - 2000

11. Augmentation de température (°C) Précipitation (mm) Modification du régime des précipitations 2xCO2 CO2 25mm - 1 an 10 ans Temps de retour Le climat dans le bassin méditerranéen au 21ème siècle ? CO2 atmosphérique (ppm) Modèles GCM (UKTR, Hadley Center)

12. Les changements globaux • et le fonctionnement • des écosystèmes : • Les forêts méditerranéennes sont-elles des sources ou des puits de carbone ? • Quelle doit être la démarche de recherche ?

13. 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

14. 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

15. L’approche descendante : analyse des échanges de C entre la végétation et l’atmosphère • 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

16. Eddy correlation WIND TURBULENCES Energy CO2 H2O Atmosphere Ecosystem

17. L ’écosystème étudié: La forêt de chêne vert (Quercus ilex L.) - dominant au nord du bassin méditerranéen - sempervirent

19. 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

20. Dream CNRS

22. Le carbone dans l’écosystème forestier... 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.

23. Méthode: • Mesurer les flux et les échanges nets de carbone et d ’eau • Décrire, analyser et modéliser • les acquisitions (photosynthèse) et les pertes de carbone (respiration, décomposition de la MO) • Quantifier les stocks de carbone • dans les divers compartiments de l’écosystème

24. Forêt de chêne vert de Puéchabon Les stocks de carbone Les échanges nets de carbone La production nette de carbone

25. Dream CNRS

26. Quantifier les stocks de carbone ... La majorité des études s’intéressent à la biomasse aérienne… Mais les racines peuvent représenter la plus grande partie du carbone... ….sans compter le carbone de la matière organique des sols !

27. La mesure des biomasses racinaires

30. Les stocks de carbone • Partie aérienne • feuilles 300 g C m-2 • bois 4800 g C m-2 • Partie souterraine • souches2600 g C m-2 • racines 2200 g C m-2 • Sol • litière 300 g C m-2 • MO 6100 g C m-2 1/3 2/3

31. Forêt de chêne vert de Puéchabon Les stocks de carbone Les échanges nets de carbone La production nette de carbone

32. Mesure des flux de carbone (eddy) ( leaf) (Stem) (Soil)

33. Dream CNRS

34. Recovery Drought Dream CNRS

35. July 05 1998 L’acquisition de carbone 5.0 2000 2.5 F 1500 CO2 0.0 ( m 1000 Photosynthetic active radiation -2.5 mol m 500 -2 -5.0 s -1 ) PAR 0 -7.5 F CO2 -500 -10.0 Time (hours)

36. August 29 1998 L’acquisition de carbone 5.0 2000 2.5 F 1500 ) CO2 -1 s 0.0 ( m -2 1000 Photosynthetic active radiation mol m -2.5 mol m m 500 -2 ( s -5.0 -1 ) PAR 0 -7.5 F CO2 -500 -10.0 Time (hours)

37. Le stress subi par le chêne vert et la régulation du fonctionnement

38. La régulation de la GPP par les facteurs de l’environnement

39. La régulation de la GPP par les facteurs de l’environnement

40. La régulation de la GPP par les facteurs de l’environnement

41. Les flux de carbone Totaux annuels moyenne sur 3 années complètes • NEE 373 g C m-2 (178-568) • Reco1068 g C m-2 (843-1292) • GPP 1396 g C m-2 (1103-1687) La respiration de l’écosystème représente 76 % de la GPP

42. Forêt de chêne vert de Puéchabon

43. Forêt de chêne vert de Puéchabon

44. 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.

45. NEE Monthly average (period 1998-2005) La distribution du carbone sequestré (NEE) mensuellement est irrégulière et diffère de celle d’un écosystème tempéré.

46. Les pertes de carbone : la respiration • 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

47. Nous faisons l’hypothèse que • Pendant la période de croissance de la végétation • Reco = base Reco + Rgrowth • Le reste de l’année • Reco = base Reco avec tref = 0 °C, R eco, ref = 1.063 μmol CO2 m-2 s-1, b = 0.463, c = 0.383 n = 302, r2 = 0.78 RMSE = 0.54 μmol CO2 m-2 s-1

48. Décomposition de la respiration de l’écosystème en respiration de croissance et respiration de maintenance Période de croissance

49. Patron mensuel de la respiration de croissance au printemps

50. 4 1999 3 2 1 0 -1 4 2001 3 2 1 0 -1 Respiration de croissance 4 2002 3 2 1 0 -1 I I I I I I I J F M A M J J