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Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières :

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1 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières : du schéma conceptuel à la réalisation pratique sur des écosystèmes tropicaux et tempérés. L. Saint-André, R. Dannunzio, A. Genet, D. Derrien, H. Gomat, Z. Mao, J-P. Laclau, Y. Nouvellon, Ph. Deleporte, B. Zeller, J. Ranger, J-P. Bouillet Doctorants : A. GENET, F. BIKINDOU, H. GOMAT, JCR. ALMEIDA Masters/Ingénieurs: E. BANZOUZI, R. MIALOUNDAMA, C. SICARD, S. CONCHE, Z. MAO, F. THOMAS

2 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Introduction Écosystèmes forestiers ? -Des stocks et flux de matières (C, H20, Minéraux) -Des dynamiques de populations (Arbres, populations microbiennes etc..) qui interagissent avec deux matrices (atmosphère et sol) sur un substrat géologique et une situation morpho-pédologique donnés qui sont soumis une anthropisation plus ou moins marquée Dépôts atmosphériques Absorption directe Matières organiques du sol Chutes de litières Restitutions souterraines Nutrition hydrique et minérale Drainage Apports (fertilisants et fixation) Décomposition des litières Biomasse, minéralomasse Roche Mère Sol Atmosphère Altération Bio- disponibilité Remontées capillaires

3 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Écosystèmes forestiers ? - horizontale EFC Eucalypt Fiber Congo Forest area - et temporelle Durée de révolution Eucalytpus Acacia Pins Tropicaux Epicea, Pin maritime 7-15 ans25-35 ans50-70 ans ChêneHêtre ans ans - Une complexité verticale Dépôts atmosphériques Absorption directe Matières organiques du sol Chutes de litières Restitutions souterraines Nutrition hydrique et minérale Drainage Apports (fertilisants et fixation) Décomposition des litières Biomasse, minéralomasse Roche Mère Sol Atmosphère Altération Bio- disponibilité Remontées capillaires Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Introduction

4 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Sites ateliers Tempérés et Tropicaux comme modèles détude Cycles Biogéochimiques, une méthode de référence CYCLE GEOCHIMIQUE - Dépôts atmosphériques - Altération des minéraux du sol - Drainage - Ruissellement superficiel CYCLE BIOLOGIQUE - Échanges foliaires - Prélèvements au sol - Immobilisation - Retombées de litière - Minéralisation des matières organiques CYCLE BIOCHIMIQUE - Transferts internes Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Introduction

5 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Cycles Biogéochimiques, une méthode de référence Source : Ranger et Turpault (1999) B I O C N É O S E Compartiment annuel Partie pérenne Racines fines et symbiotes Horizons holorganiques (Ol, Of,Oh) Solutions des horizons holorganiques Complexe adsorbant Solutions du sol Complexe adsorbant (CEC + P + S ads.) S O L Fertilisation Chute de Sortie Apports atmosphériques Exportation Transport Pluviolessivat brut litière Entrée Faune Entrée Sortie dissolution / minéralisation Prélèvement Fixation de N (non) symbiotique Minéraux du sol Prélèvement Décomposition des racines fines Percolation Altération Entrée Sortie Adsorption Désorption Erosion Drainage Remontée capillaire Minéraux du sous-sol N volatilisé Minéralisation Drainage latéral Colluvionnement Bilans entrées-sorties déléments nutritifs. Plusieurs échelles spatiales et temporelles. Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Introduction

6 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Forte capture des apports atmosphériques boisFeuille Demande ans1-2 ans3-4 ans4-5 ans6-7 ans K Efficience des transferts internes déléments Colonisation racinaire profonde (10 m) Substitution de K par Na dans léquilibre électrique Immobilisation ligneuse < Prélèvements au sol Besoins nutritifs Deux phases de croissance : < 2 ans Mise en place du houppier > 2 ans Transferts internes K > N P > Mg 0 > Ca Restitutions au sol importantes N, Ca et Mg Libération déléments par minéralisation des litières deucalyptus Fortes restitutions déléments par les litières et présence dun mat racinaire important CONGO Laclau et al Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Sites ateliers

7 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin kg.ha -1.an -1 µmol.L -1 Ca kg.ha -1 Douglas témoinDouglas amendé (amendé en 1983 = 800kg.ha -1 ) Breuil, 30 ans, Calcium, Morvan : m.e.p. M Bonneau et Coll Efficacité du recyclage biologique dans le maintien déléments labiles dans lécosystème Dans ce sol très pauvre, le recyclage sopère dès les premiers horizons……..comme dans les sols tropicaux pluie 15 Ranger et al Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Sites ateliers

8 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Soil fertility in Forest ecosystems ? Total reserves = long term Soil organic matter Soil mineral Weathering = current restoration Mineralization = current restoration Exch. + available reserves = current Both total and available elements are necessary for the diagnosis…..one major difficulty is the dimension of the box ie. limit of the ecosystem Uptake from the trees Restitution by litter falls and root turn-over Soil chemical fertility is based on a small amount of nutrient circulating rapidly in the ecosystem Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Notion de Fertilité

9 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Use of the conceptual model, simplification for nutrient I/O budgets Drainage Atmospheric deposits Weathering Harvest Soil Vegetation Rest. Upt. Minéra. Fluxes used for calculating the I/O nutrient budgets at a given scale…………but it is necessary to verify if other fluxes are significant in an ecosystem eg. N fixation, erosion etc… Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Notion de Fertilité

10 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Deux grandes approches de modélisation: Roche Mère -Production, Biomasse, Minéralomasse BIOMETRIQUE -Tient en compte la sylviculture Permet de quantifier et simuler les impacts des choix sylvicoles -Bon couplage C, Minéraux Obtention de bilans hydriques simplifiés (hors remontées capillaires et écoulements préférentiels) et solutés régime permanent MECANISTE - Tient compte du climat - Stocks et fluxs de C - Bon couplage C, H2O Permet de quantifier et simuler les impacts des accidents climatiques (sécheresse) et des changements climatiques à long terme Cf Biljou et Profile Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Modèles généralisés Processus Intégrés (croissance, mortalité etc..) Processus écophysiologiques (photosynthese, respiration etc..) Géochimie : thermo-cinétique (altération, adsorption, spéciation) Biologie : transpiration, prélèvement des solutés, biodégradation, respiration Transferts : ensemble des propriétés hydrodynamiques, évaporation, diffusion gaz Couplage Ex MIN3P

11 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Les modèles dendrométriques, comme cadres conceptuels danalyse et comme outils de simulations Évaluation de la fertilité du site 1. Croissance Inventaire à lâge A + 1 mois Inventaire forestier réel ou virtuel à lâge A Croissance individuelle en Hauteur H dominante Croissance du peuplement en H dominante surface terrière Croissance du peuplement en surface terrière surface terrière Croissance individuelle en surface terrière Saint-André et al Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – E-Dendro, principe

12 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Eucalypt-Dendro, un moteur de croissance classique Avec une particularité dho/dt = f(site, ho, DENSITE) Accroissement en surface terrièredu peuplement Accroissement en Surfaceterrièreindividuelle Hauteur des arbres Inventaire (t+1) Inventaire (t) Croissance en hauteur dominante dt dh o o h 2500 t/ha < 600 t/ha dt dG dt dh o dt dg c c h 2500 t/ha < 600 t/ha ),(âgedensitéf et Accroissement en surface terrièredu peuplement Accroissement en Surfaceterrièreindividuelle Hauteur des arbres Inventaire (t+1) Inventaire (t) Croissance en hauteur dominante dt dh o o h 2500 t/ha < 600 t/ha dt dG dt dh o Si densité trop faible, perte de production dt dg c c h 2500 t/ha < 600 t/ha ),(âgedensitéf et Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – E-Dendro, principe

13 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin Propriétés du bois Équations de biomasse par compartiment Inventaire à lâge A + 1 mois Volume pour chaque arbre Équation de profil de tige (clone-dependante) Empilement des cernes Biomasse par compartiment par cerne 3. Bio- géochimie Concentrations N P K intra-cerne Modèle dévolution des éléments minéraux Équations de minéralomasse Minéralomasses N, P, K, Ca, Mg Laclau et al. 2001, Saint-André et al. 2002, Saint-André et al. 2005, Gomat et al. 2007, Adu Bredu et al Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – E-Dendro, principe

14 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Example for the dominant height growth Slash management ? ? ? Site Index was not modified by treatments Site Index was modified by treatments Site Index was not modified by treatments but the speed to reach the asymptote was changed Quantification of the slash management effects ? ? Both Site Index and the speed to reach the asymptote was modified by treatments Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse

15 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Example for the stand basal area growth Slash management Capacity of trees to catch site potentialities was not modified Capacities of tree to catch site potentialities was altered Quantification of the slash management effects ? TATA TBTB Stand Basal Area Growth Dominant Height growth Stand Basal Area Growth Dominant Height growth TATA TBTB ?? Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse

16 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Example for the individual tree growth Slash management Tree competition was not modified Quantification of the slash management effects ? ?? Tree competition was enhanced in T B treatment Individual tree Basal Area Growth Tree circumference T A = A *dG A T B = B *dG B Individual tree Basal Area Growth Tree circumference Tree competition was enhanced in T A treatment T B = B *dG B T A = A *dG A If A > B If A = B If A < B Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse

17 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Résultats – Réponse des écosystèmes à la gestion des résidus dexploitation, exemple du Réseau Cifor Réseau international, protocole identique sur différents écosystèmes Hauteur dominante en fonction de lâge Indice de fertilité - Inchangé- Temporairement affecté - Durablement affecté Saint-André et al Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse

18 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Résultats – Réponse des écosystèmes à la gestion des résidus dexploitation, exemple du Cifor Accroissement en surface terrière en fonction de laccroissement en hauteur dominante Capacité des arbres à utiliser les ressources Saint-André et al Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse

19 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Résultats – Réponse des écosystèmes à la gestion des résidus dexploitation, exemple du Cifor Des réponses contrastées entre sites mais Lintensité de la réponse est corrélée au ratio N dans les résidus / N dans le sol. Quand ce ratio augmente (intensité de charge), la réponse sur la surface terrière augmente également Saint-André et al Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse

20 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Résultats – Réponse des écosystèmes à la densité et à la fertilisation Les paramètres varient k et r varient avec la densité et la fertilisation. Hlim est modifié par lapport en engrais et la fertilité du sol – Courbes de réponses plutôt « saturantes » et clone dépendantes dho/dt ho k r1r1 acclim hlim r2r2 c r1=r10*(1-exp(-dens*r11)); k10 = k100 * Napport + k101; k=k10*(1+exp(-dens*k11)); Mao Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse

21 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Résultats – Modèles de biomasse/minéralomasse Les arbres fertilisés sont plus efficients, mais cela ne sexprime pas de la même façon chez le douglas (plus de bois avec la même quantité de feuilles) et chez lépicéa (autant de bois avec moins de feuilles) Et pas de différences fertilisés/non fertilisés sur les autres compartiments pour les deux essences TEMOIN FERTILISE Douglas, Tronc Biomasse (kg) Circonférence à 1m30 (cm) Sicard et al Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse

22 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Résultats – Modèles de biomasse/minéralomasse -Même résultats pour leucalyptus au Brésil, les arbres fertilisés sont plus efficients (autant de bois produit avec moins de feuilles), mais cela sexprime uniquement aux jeunes âges - Fort effet âge sur les relations allométriques FEUILLESTRONC 12 mois 24 mois 36 mois Almeida et al. 2008, in prep Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse

23 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Résultats – Structure « âge - maturité » des modèles de biomasse, un schéma qui commence à être générique (Eucalyptus/Hêtre) Structure de modèle équivalente, linformation Hêtre nécessite un retour sur le modèle Eucalyptus (asymptote) FEUILLES, Hêtre Age (années) Paramètre b (pente) Eucalyptus - Congo Hetre - France Eucalyptus - Brésil Paramètre b (pente) Age (années) Eucalyptus - Congo Hetre - France Eucalyptus - Brésil Feuilles Bois Genet et al. 2008, in prep Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse

24 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Conclusion…. Les modèles dendrométriques (Eucalyptus/Hêtre/Chêne) actuellement en place permettent de simuler : La croissance des arbres et des peuplements en fonction de la sylviculture (densité de plantation, éclaircies) et de la fertilité des stations Les incorporations annuelles des principaux éléments minéraux ainsi que les immobilisations et les translocations entre cernes La restitution des éléments via les chutes de litières et leur décomposition Base suffisante pour comparer différentes options sylvicoles Mais, ne boucle pas (rétroaction sur la croissance) et ne permet pas encore daller jusquau bilan « sol » Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Conclusion

25 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Dépôts atmosphériques Absorption directe Matières organiques du sol Chutes de litières Restitutions souterraines Nutrition hydrique et minérale Drainage Apports (fertilisants et fixation) Décomposition des litières Biomasse, minéralomasse Roche Mère Sol Atmosphère Altération Bio-disponibilité Remontées capillaires La suite…. Axe de progression 1 - Accentuer lapproche générique pour la croissance/biomasse/minéralomasse Axe de progression 2 – Déterminants de la fertilité des sols et courbes de réponses des paramètres des modèles Axe de progression 3 – Matière Organique du sol (processus de stabilisation/destabilisation) Axe de progression 4 – Intégration de leau dans les modèles, simulations de bilans sols en fonction des choix sylvicoles Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Perspectives


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