Forêts, cycles du carbone et de l’eau, et changements globaux par Bernard Saugier Université Paris-Sud Orsay Bernard.Sa

1. Forêts, cycles du carbone et de l’eau, et changements globauxpar Bernard Saugier Université Paris-Sud Orsay Bernard.Saugier@eco.u-psud.fr Où sont les forêts? Spécificités de leur fonctionnement Impact possible des changements globaux Méthodes d’étude: OTC, FACE, cernes Quelques résultats: carbone, eau Pistes de recherches

2. Fraction de sol recouvert d’arbres Source: WCMC-UNEP, AVHRR 92-93 1 km

3. Que représentent les forêts? • Forêts tropicales 17,5 millions de km2  • Forêts tempérées 10 millions de km2  • Forêts boréales 13,5 millions de km2  • Total 41 millions de km2 • 28% de la surface des terres émergées • 82% de la biomasse continentale (650 Gt C) • 52% de la product. de biomasse (63 GtC/an) • Chiffres approximatifs! Source: Roy, Saugier et Mooney, eds, 2001. Terrestrial Global Productivity, Academic Press.

4. Particularités des forêts • Faible albedo  piège à rayonnement • Forte évaporation de l’eau interceptée • Racines profondes  RU élevée et transpiration maintenue en période sèche • Indice foliaire élevé et maintenu longtemps • Production élevée (durée de la saison de croissance) • Stock C important (biomasse et sol)

5. Bilan global de carboneen Gt C/an

6. Emissions mondiales de carbone (GtC an-1)

7. Décroissance du carbone sol après passage forêt-culture

10. Les changements globaux • Le CO2 a augmenté de 280 à 370 ppm • La température a augmenté de 0,6 °C • Les dépôts azotés ont augmenté • La surface des forêts a diminué en zone tropicale, et augmenté en zone tempérée • L’agriculture a libéré du CO2 en oxydant la matière organique des sols

11. Bilan carboné d’une forêt

12. Mesure du flux vertical de CO2 au-dessus d ’une forêt

13. Flux de carbone au dessus d ’une hêtraie (Hesse, Vosges) (Granier, Le Dantec, Dufrêne) mesures simulation Fc (gc m-2 day-1) 1997 1998 1999

14. Comment la photosynthèse répond-t-elle à l’augmentation du CO2 ? • Chambre sur feuille • Sacs à branches (branch bags) • Enceintes sur mini-couverts (OTC, OSC) • FACE (Free Air CO2 Enrichment) • Modélisation

15. Système de mesure de photosynthèse sur feuille

16. Photosynthèse de feuilles de hêtre Réponses au CO2 interne (Aurélie Deveau) CO2 actuel CO2 double Feuille de lumière Feuille d’ombre

17. « Branch bag »

18. Open-top chamber

19. Open side chamber

20. Mini-couverts de hêtre: flux de CO2 versus éclairement (R. Liozon) 2 CO2 1 CO2

21. Flux journaliers de CO2 au dessus de mini-couverts de hêtre à Orsay (A=350, E=700 ppm) Thèse Rodolphe Liozon

22. E Croissance en volume de bois de jeunes hêtres (Liozon et al.; production de biomasse X1.5) CO2 double CO2 normal

23. ETR double CO2 = 0.9* ETR simple CO2Mini-couverts de hêtres, thèse R. Liozon

24. Effet d ’un doublement du CO2sur un couvert de jeunes hêtres • La photosynthèse du couvert double en juin, • mais la stimulation est moindre en été • La productivité annuelle P augmente de 47% • La consommation en eau E diminue de 10% • P/E augmente d ’environ 60% • La stimulation serait plus forte pour un couvert non fermé (augmentation de surface foliaire)

25. Et pour des arbres adultes?

26. Système d’enrichissement en CO2 de plein air (FACE, Oak Ridge)

27. Résultats sur plantation de Liquidambar (h=15m) d’un traitement CO2 X 1.5 (537 ppm en moyenne)

28. Effets du CO2 sur la conductance stomatique (Liquidambar, FACE)

29. Sur un an, CO2 X1.5 réduit la transpiration de 10%, ETR de 7%

30. Voit-on déjà des effets du CO2 sur des arbres de forêt? • Le δ13C des cernes d’arbres a-t-il varié? • On sait qu’il représente A/g, le rapport entre l’assimilation de CO2 et la conductance stomatique

31. Rapport assimilation/ conductance stomatique déduit du 13C des cernes de hêtre (plateaux calcaires de Lorraine) Duquesnay et al., 1998, PCE 21, 565-572

32. Les forêts poussent plus vite

33. ETR et production future des forêts Effets d’une augmentation du CO2 : • Indice foliaire  ou  • Photosynthèse et production  • Transpiration  ou  • Efficience d ’utilisation de l ’eau  • CO2 favorable aux forêts

34. Effets d ’un réchauffement • Durée de la saison de croissance  • ETP  • Respiration  mais acclimatation probable • ETR  ou  et productivité  • Problèmes possibles en climat sec

35. Dépôts azotés  • Indice foliaire et azote foliaire  • Photosynthèse  • Productivité 

36. CO2, T et N , Précip.  ou  • Effet global sur ETR difficile à prévoir • Effet direct du CO2  ou  ETR • Effet direct de T  ETR • Effet direct de N  ETR • Effets combinés = ? • Une chose sûre: PPN/ETR et PPN 

37. Une réserve (la Tillaie) fixe-t-elle du carbone?

38. B biomasse de la forêt, PG photosynthèse, R respiration totale (plantes + décomposeurs), PN productivité nette de l ’écosystème (= stockage de carbone dans la biomasse ou le sol)Le bilan carboné tend en principe vers zéro(sauf pertes de C gazeuses ou liquides)

39. Effets d ’un réchauffement •  la durée de la saison de croissance •  la respiration (plantes, décomposeurs) •  la disponibilité en eau •  la productivité puis  à forte temp.

40. Effets d ’une augmentation de CO2 et de température • La fixation de CO2 augmente • Cela accroît les besoins en éléments minéraux (azote notamment) • Si l’offre en azote du sol augmente avec la photosynthèse, la production de biomasse augmente • Il en résulte une augmentation du carbone stocké (temps de résidence du C  30 ans)

41. Mesure des stocks et de leurs variations • L’essentiel du stock est dans le bois des arbres et le sol • En France, l ’Inventaire Forestier National fait un inventaire précis de 120 000 points tous les 10 ans mais ne revient pas sur les mêmes sites, d ’où nécessité d ’adapter le protocole. • Le volume de bois sur pied est estimé de façon précise (2-3%?) mais le passage à la biomasse et au carbone introduit des incertitudes (>10%) • Le flux de CO2 est mesuré de façon continue sur environ 150 sites, son intégration fournit une estimation indépendante de la variation de stock (mais il subsiste de grosses incertitudes).

42. De l ’écosystème à la région, mesures par avion et satellite Recouvrement végétal (VIS, PIR) Biomasse (radar, lidar pour hauteur) Chlorophylle et azote (VIS, PIR, MIR) Fluorescence de la chlorophylle (futur)

43. Distribution spatiale des peuplements de la forêt de Fontainebleau (données ONF) Autres Chênes Hêtre Mélange feuillus Pin sylvestre

44. Chlorophylle du Couvert g m-2sol Chênes Hêtre Azote (% MS) Chlorophylle du Couvert µg cm-2

45. Production Primaire Nette NPP (gC m-2 year-1) < 200 200-400 400-500 500-600 600-700 >700 not simulated N 5000 m Production Nette de l’Ecosystème NEP (gC m-2 year-1) -400 -200 -200 0 0 100 100 200 200 400 400 600 not simulated

46. Stockage net de carbone simulé par 6 modèles de végétation+sol

47. Conclusions • Une évidence: les forêts jeunes accumulent du carbone • Même les forêts matures (non exploitées) semblent accumuler du carbone • Cela est dû au déséquilibre introduit par les changements globaux ( production) • Ce stockage devrait durer quelques décennies (5, 10? C ’est controversé!)

48. Questions à résoudre • Stomates et bilan hydrique en CO2 élevé • Valider les modèles de C sol (stocks et flux) • Affiner la spatialisation des modèles de bilan carboné (NDVI, Chl, N) • Caractériser la diversité de réponses au CO2 et au climat pour planter des arbres adaptés aux conditions futures