Méthodes d’évaluation du bilan de carbone forestier Nicolas Delpierre Ecophysiologie végétale, L.E.S.E. Université Paris Sud nicolas.delpierre@u-psud.fr Bât. 362 RdC, bureau 21 Septembre 2013

Stage M1 EBE Avril-Mai 2014 Etude de la variabilité inter-arbre de la phénologie du feuillage des forêts tempérées nicolas.delpierre@u-psud.fr RENECOFOR

Module METO Bilan C forestier septembre novembre janvier Introduction Méthodes d’estimation BC TP analyse séries temporelles flux nets de C TP inventaire forestier (partie 1 : terrain) Respiration du sol, réserves carbonées TP inventaire forestier (partie 2 : calculs) septembre novembre janvier

Changements globaux et accroissement de [CO2]atm - 10 000 BP = fin de la dernière glaciation (Würm) IPCC, 2007

Variabilité interannuelle de [CO2]atm Composition atmosphérique : N2= 78% O2= 21% Ar = 1% CO2= 0.04% données Mauna Loa (www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/)

Variabilité interannuelle de [CO2]atm 6/7ème des 150 Mkm² de continents sont dans l’hémisphère Nord. Bande rouge sur le graphe= localisation équateur www.esrl.noaa.gov

Cycle global du carbone Stocks : Gt C – Flux : Gt C/an Atmosphère 750 +7.5 +90 -118 +60 +58 -2.5 -90 +1.5 -2.2 Combustibles Fossiles 6000 ? Végétation 650 Surface 1000 Océans Zones profondes 38000 Sols 3200 Stocks et Flux en absence de perturbations anthropiques => équilibre Sol représente le pool majeur des écosystèmes continentaux Forêts représentent ~50% stock C écosystèmes continentaux (contiennent 80% du C aérien et 35% du C souterrain continental). 0.8*640/(1500+640)+0.4*1500/(1500+640)=0.52 Océans jouent un rôle de première importance. Facteurs phy, et non bio, en contrôlent le bilan carboné. Sont donc moins étudiés, car ne peuvent être associés à un politique de gestion visant à limiter augmentation de CO2 atm. 1 GtC ~ 0.47 µmol/mol Prod primaire nette continents ~350 gC/m²/an (150 M km²) PPN océans ~ 70 gC/m²/an (350 M km²) La moindre PPN des océans tient principalement à la moindre dispo nutriments en surface: la photo a lieu en zone photique et le recyclage sur toute la profondeur des océans, ce qui limite l’accès des org de la zone photique aux nutriments. L’accroissement de la teneur en cO2 atm par combustion de C fossile revient à injecter dans un cycle rapide du C normalement inclus dans cycle à échelle tps géologique. Loi de Henry gouverne la fixation de CO2 par les océans : x=p/H où x=fraction molaire de gaz en phase liquide; p=pression partielle de gaz atmosphérique; H=facteur de Henry, augmentant avec la température. Donc si T de l’eau augmente, on réduit x, qui est par contre forcée par l’accroissement de p. Influence anthropique : 7.5+1.5-2.5-2.2 = + 4.3 GtC/an (bilan net atmosphérique). Source Le Quéré et al., 2009 Nature. Flux moyens 2000-2007 Sédiments 50 000 000 ? Robert et Saugier, 2005 Le Quéré et al., 2009

Localisation des réservoirs de carbone Sabine et al., 2004 Les forêts renferment 43% du C contenu dans la biosphère continentale. (contiennent 82% du C aérien et 35% du C souterrain continental). 0.82*650/(3200+650)+0.35*3200/(3200+650)=0.43 Sabine et al., 2004

Bilan de carbone d’un écosystème forestier Respiration écosystémique Photosynthèse VOC Respiration canopée et troncs Respiration racinaire Activité microbienne CH4 NPO : flux annexes non mesurés = DOC perdus par drainage et VOCs, mesurables, mais de faible magnitude. Ce ne sont pas des flux de CO2, mais contribuent néanmoins qu bilan de C de l’écosystème. Rappeler dans le même temps la défniition de PPN et PNB. Sol organique DOC Sol minéral

Bilan de carbone d’un écosystème forestier Photosynthèse Respiration écosystémique PNE = PPB - Reco NPO : flux annexes non mesurés = DOC perdus par drainage et VOCs, mesurables, mais de faible magnitude Dire également un mot de flux de CH4. Préciser les notions de source et puits de Carbone. Sol organique Sol minéral

Temps de résidence moyen Forêt tempérée PPB 1700 gC m-2 an-1 Reco 1100 gC m-2 an-1 Intéressant donner équivalent « Feuilles de papier » Cellulose = (C6H10O5)n Masse molaire = (6*12+10*1+5*16)n soit 44% de C Une feuille de papier classique a un grammage de 80 gMS / m² = 35 gC/m² Donc GPP= 1700 gC/m²  48 feuilles empilées Reco = 1100 gC/m²  31 feuilles empilées NEP = 600 gC/m²  17 feuilles empilées Temps de résidence moyen 18 ans Malhi et al., 1999

Monitoring the vegetation / atmosphere C exchanges FLUXNET Monitoring the vegetation / atmosphere C exchanges Forest sites Non-forest sites A l’échelle du globe, l’activité de la végétatio en termes d’échanges C avec l’atm est suivie sur un ensemble de 400 sites, dont 55% de sites forestiers. Sites forment le réseau mondial FLUXNET. Répartis principaelemnt en HN, aux latitudes tmpérées. More than 400 sites worldwide 55% forest sites

Investigation du bilan de C forestier : Flux et Stocks PPB Reco, Coupes, feux… Stock ± D Stock

Investigation du bilan de C forestier : Mesure des stocks PPB Reco, Coupes, feux… Stock Etat instantané de la biomasse du peuplement (répétable : D stock) Très bonne représentativité spatiale (échelle de la forêt : 104 m²) Exprimé en gC / m²sol

Investigation du bilan de C forestier : Mesure des stocks Biomasse Bois sur pied  Inventaire forestier (jeudi / vendredi) Biomasse foliaire Mesure de surface foliaire et masse surfacique Stocks gC/m²sol Noter que les approches sont complémentaires: Les inventaires seuls ne permettent ps d’avoir un bilan de C suivi (il faudrait le faire tous les ans). Ils permettent néanmoins d’initialiser les pools de C. Pb de mesures de certains compatiments (e.G. racines) Les mesures de flux permettent d’avoir : réponses dynamiques et évolution temporelle des stocks MOS  dosage et densité Biomasse racinaire  excavation…

Investigation du bilan de C forestier : Mesure des flux PPB Reco, Coupes, feux… Stock ± D Stock Etat instantané des échanges avec l’atmosphère Représentativité restreinte (organe à 102 m²) Exprimé en gC / m²sol / seconde

Investigation du bilan de C forestier : Photosynthèse foliaire (A) Mesure des flux Compartiments Feuilles Tronc Sol Photosynthèse foliaire (A) Respiration (Rtronc) Respiration (Rsol) Exprimé en gC / m²organe / seconde

Investigation du bilan de C forestier : Photosynthèse foliaire (A) Mesure des flux Compartiments Feuilles Tronc Sol Photosynthèse foliaire (A) Respiration (Rtronc) Respiration (Rsol) Exprimé en gC / m²organe / seconde Méthode intégrative : Eddy covariance (gC/m²sol/seconde)

Anémomètre Sonique (mesures u, v, w) Analyseur de gaz à infra-rouges (mesures c, q) http://max2.ese.u-psud.fr/SiteBarbeau/index.html

Covariance des turbulences Méthodologie Covariance des turbulences eddy covariance [CO2] h - +

données haute fréquence Eddy covariance données haute fréquence 1er juin 2013 – 10:30 (TU) Forêt de Barbeau Cov(X,Y)=sum((xi-xbar)*(yi-ybar)/N)

données haute fréquence Eddy covariance données haute fréquence 1er juin 2005 – 10:30 (TU) Forêt de Barbeau Cov(X,Y)=sum((xi-xbar)*(yi-ybar)/N)

Mesures semi-horaires Bilans annuels de CO2 Mesures semi-horaires Année 2005 flux mesurés flux simulés puits source Saison de végétation PNE = PPB - R

Courbe de réponse à la lumière mois d’août

Courbe de réponse à la lumière mois d’août Pmax Pmax-Rn a -Rn

Covariance des turbulences Application Travaux Pratiques Méthodologie Covariance des turbulences eddy covariance Application Travaux Pratiques Bilan annuel de C d’une hêtraie Réponse de la PNE au rayonnement incident

Ajustement d’un modèle linéaire Rappels Ajustement d’un modèle linéaire

Ajustement d’un modèle linéaire Rappels Ajustement d’un modèle linéaire

Ajustement d’un modèle linéaire Rappels Ajustement d’un modèle linéaire

Ajustement d’un modèle linéaire Rappels Ajustement d’un modèle linéaire On cherche à minimiser la somme des carrés des erreurs => Annuler la dérivée de la fonction SCE

Compléments

Déficit de pression de vapeur d’eau Rappels Humidité relative Déficit de pression de vapeur d’eau Ta Tr ea es

Analyseurs de gaz à infra-rouges (IRGA) Mesures de flux Analyseurs de gaz à infra-rouges (IRGA) Spectres de transmittance Dioxyde de carbone Vapeur d’eau 100 100 50 50 Longueur d’onde (micromètres) Longueur d’onde (micromètres) 4.26 µm 2.59 µm

Méthodologie Respiration du sol soil chambers CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 Infra-Red Gas Analyser CO2

Méthodologie Respiration du sol soil chambers IRGA Rsol : µmol/m²/s Ci : µmol/m3 t : s V : m3 A : m² h d

Méthodologie Respiration du sol Ct Ct’ C0

Méthodologie Respiration du sol Ct C0 t0 t

Application Travaux Pratiques Méthodologie Respiration du sol Application Travaux Pratiques Influence de la température et de l’humidité sur la respiration du sol