Doctorants : A. GENET, F. BIKINDOU, H. GOMAT, JCR. ALMEIDA 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. D’annunzio, 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 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008

(fertilisants et fixation) 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 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 qui sont soumis une anthropisation plus ou moins marquée Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008

(fertilisants et fixation) Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Introduction Écosystèmes forestiers ? - 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 - et temporelle Durée de révolution Eucalytpus Acacia Pins Tropicaux Epicea, Pin maritime 7-15 ans 25-35 ans 50-70 ans Chêne Hêtre 80-100 ans 120-150 ans - horizontale EFC Eucalypt Fiber Congo Forest area Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008

Cycles Biogéochimiques, une méthode de référence Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Introduction 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 Sites ateliers Tempérés et Tropicaux comme modèles d’étude Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008

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

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Sites ateliers bois Feuille Demande 10 20 30 40 50 60 0-1 ans 1-2 ans 3-4 ans 4-5 ans 6-7 ans K Efficience des transferts internes d’éléments Forte capture des apports atmosphériques Substitution de K par Na dans l’équilibre électrique Colonisation racinaire profonde (10 m) Fortes restitutions d’éléments par les litières et présence d’un mat racinaire important 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 d’éléments par minéralisation des litières d’eucalyptus CONGO Laclau et al. 2007 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008

Breuil, 30 ans, Calcium, Morvan : m.e.p. M Bonneau et Coll. 1976 Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Sites ateliers Breuil, 30 ans, Calcium, Morvan : m.e.p. M Bonneau et Coll. 1976 Efficacité du recyclage biologique dans le maintien d’éléments labiles dans l’écosystème Douglas témoin 114 162 56 270 6 11 458 230 75 108 34 50 51 37 27 161 21 61 29 16 20 14 10 kg.ha-1.an-1 µmol.L-1 Ca kg.ha-1 pluie Douglas amendé (amendé en 1983 = 800kg.ha-1) 15 Dans ce sol très pauvre, le recyclage s’opère dès les premiers horizons……..comme dans les sols tropicaux Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Ranger et al.. 2008

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

Use of the conceptual model, simplification for nutrient I/O budgets Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Notion de Fertilité Use of the conceptual model, simplification for nutrient I/O budgets Atmospheric deposits Weathering Harvest Soil Vegetation Rest. Upt. Minéra. Drainage 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… Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008

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

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – E-Dendro, principe Les modèles dendrométriques, comme cadres conceptuels d’analyse et comme outils de simulations Inventaire forestier réel ou virtuel à l’âge A Évaluation de la fertilité du site 1. Croissance Croissance du peuplement en H dominante Croissance du peuplement en surface terrière Croissance individuelle en Hauteur Croissance individuelle en surface terrière Inventaire à l’âge A + 1 mois Saint-André et al. 2002 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008

Eucalypt-Dendro, un moteur de croissance classique Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – E-Dendro, principe Eucalypt-Dendro, un moteur de croissance classique 1 1 Croissance en hauteur Croissance en hauteur 2 2 Accroissement en surface Accroissement en surface dominante dominante terrière terrière du peuplement du peuplement dt dh o dt dh o dt dG dt dG Inventaire (t) Inventaire (t) < 600 t/ha < 600 t/ha 2500 t/ha 2500 t/ha Si densité trop faible, perte de production dt dh o dt dh o o h o h 4 4 Hauteur des arbres Hauteur des arbres 3 3 Accroissement en Accroissement en Surface Surface terrière terrière individuelle individuelle Avec une particularité dho/dt = f(site, ho, DENSITE) h h dt dg dt dg 2500 t/ha 2500 t/ha ) , ( âge densité f et = g s ) , ( âge densité f et = g s < 600 t/ha < 600 t/ha g g c c s s c c Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Inventaire (t+1) Inventaire (t+1)

Volume pour chaque arbre Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – E-Dendro, principe 2. Propriétés du bois Inventaire à l’âge A + 1 mois Équation de profil de tige (clone-dependante) Empilement des cernes Équations de biomasse par compartiment Volume pour chaque arbre Biomasse par compartiment par cerne 3. Bio-géochimie Modèle d’évolution des éléments minéraux Équations de minéralomasse Concentrations N P K intra-cerne Minéralomasses N, P, K, Ca, Mg Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Laclau et al. 2001, Saint-André et al. 2002, Saint-André et al. 2005, Gomat et al. 2007, Adu Bredu et al. 2008

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

Example for the stand basal area growth Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse Example for the stand basal area growth Slash management ? ? TA TB Stand Basal Area Growth Dominant Height growth Stand Basal Area Growth TB TA Dominant Height growth 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 ? Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008

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

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

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

Des réponses contrastées entre sites mais Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse Résultats – Réponse des écosystèmes à la gestion des résidus d’exploitation, exemple du Cifor Des réponses contrastées entre sites mais L’intensité 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 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Saint-André et al. 2008

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse Résultats – Réponse des écosystèmes à la densité et à la fertilisation dho/dt ho k r1 acclim hlim r2 c Les paramètres varient k et r varient avec la densité et la fertilisation. Hlim est modifié par l’apport en engrais et la fertilité du sol – Courbes de réponses plutôt « saturantes » et clone dépendantes r1=r10*(1-exp(-dens*r11)); k10 = k100 * Napport + k101; k=k10*(1+exp(-dens*k11)); Mao. 2008 Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008

chez le douglas (plus de bois avec la même quantité de feuilles) Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse Résultats – Modèles de biomasse/minéralomasse 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 80 Biomasse (kg) TEMOIN FERTILISE Épicéa, Feuilles Circonférence à 1m30 (cm) 50 100 150 200 250 300 350 400 20 40 60 80 TEMOIN FERTILISE Douglas, Tronc Biomasse (kg) Circonférence à 1m30 (cm) Et pas de différences fertilisés/non fertilisés sur les autres compartiments pour les deux essences Les arbres fertilisés sont plus efficients, mais cela ne s’exprime pas de la même façon chez le douglas (plus de bois avec la même quantité de feuilles) et chez l’épicéa (autant de bois avec moins de feuilles) Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Sicard et al. 2006

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

FEUILLES, Hêtre Feuilles Bois Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse Résultats – Structure « âge - maturité » des modèles de biomasse, un schéma qui commence à être générique (Eucalyptus/Hêtre) 40 80 120 160 200 50 100 150 Age (années) Paramètre b (pente) Eucalyptus - Congo Hetre - France Eucalyptus - Brésil FEUILLES, Hêtre Feuilles 50 100 150 200 250 Paramètre b (pente) Age (années) Structure de modèle équivalente, l’information Hêtre nécessite un retour sur le modèle Eucalyptus (asymptote) Eucalyptus - Congo Hetre - France Eucalyptus - Brésil Bois Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Genet et al. 2008, in prep

Base suffisante pour comparer différentes options sylvicoles Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Conclusion Conclusion…. Les modèles dendrométriques (Eucalyptus/Hêtre/Chêne) actuellement en place permettent de simuler : Ä La croissance des arbres et des peuplements en fonction de la sylviculture (densité de plantation, éclaircies) et de la fertilité des stations Ä Les incorporations annuelles des principaux éléments minéraux ainsi que les immobilisations et les translocations entre cernes Ä 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 d’aller jusqu’au bilan « sol » Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008

(fertilisants et fixation) Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Perspectives 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 l’approche 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 l’eau dans les modèles, simulations de bilans sols en fonction des choix sylvicoles Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008