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

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

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). HadCM2 prédit la décroissance des précipitations dans les 5 régions à climat méditerreanéen Source: The Met Office. Hadley Centre for Climate Prediction and Research.

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

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

Vers une diminution du cumul de précipitations estivales...

Modèle ARPEGE Météo-France Localisation des points de la grille

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

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

Le climat dans le bassin méditerranéen au 21ème siècle ? Augmentation de température (°C) CO2 atmosphérique (ppm) Modification du régime des précipitations Précipitation (mm) Temps de retour CO2 2xCO2 25mm - 1 an 10 ans En effet, la concentration en CO2 atmospheirque auigemente de maniere hyperbolique dpeuis le 19ème siècle et cette augementation devrait se poursuivre jusqu à un doublement du Coé atmospheiruque au cours du 21ème siècle. Les modèles meterologiques types GCM prévoient ainsi, pour le climat du bassin mediterraneen occidental, une augmentation des températures de 1°c en hiver et jusqu’à 5°c en hiver, ainsi qu’une modification de la distribtion temporelle des précipitation (plus q une diminution des precipitations totale). Ainsi les precipitations rares et importantes seront plus frequentes tandis que les pluies fines seront plus rares, conduisant a une augmentation de la periode de secheresse estivale. Modèles GCM (UKTR, Hadley Center)

Quelle doit être la démarche de recherche ? 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 ?

Nécessité d’échelles temporelles et spatiales emboîtées 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

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

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

Eddy correlation H2O Atmosphere Energy CO2 Ecosystem TURBULENCES WIND

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

réserve en eau disponible ca. 150 mm sur 4.5m de profondeur 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

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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.

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

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

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….sans compter le carbone de la matière organique des sols ! 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 !

La mesure des biomasses racinaires

Les stocks de carbone 1/3 2/3 Partie aérienne Partie souterraine Sol feuilles 300 g C m-2 bois 4800 g C m-2 Partie souterraine souches 2600 g C m-2 racines 2200 g C m-2 Sol litière 300 g C m-2 MO 6100 g C m-2 2/3 1/3

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

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

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Recovery Drought Dream CNRS We present here the time course of daily NEE observed from early July 1998 to late October 1999. The first summer is characterized by a large drought followed by a recovery period. In 1999 the effect of the drought on the course of NEE is limited. Drought Dream CNRS

Photosynthetic active radiation L’acquisition de carbone July 05 1998 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 -7.5 F CO2 -500 -10.0 Time (hours)

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

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

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

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

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

Les flux de carbone Totaux annuels moyenne sur 3 années complètes NEE 373 g C m-2 (178-568) Reco 1068 g C m-2 (843-1292) GPP 1396 g C m-2 (1103-1687) La respiration de l’écosystème représente 76 % de la GPP

Forêt de chêne vert de Puéchabon

Forêt de chêne vert de Puéchabon

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.

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

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

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

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

Patron mensuel de la respiration de croissance au printemps

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

Estimation de la respiration de croissance à partir des données de production annuelle, de la composition biochimique et des coûts de construction (Penning de Vries 1974)

Cout de construction en g C (g C of new biomass)-1 Production 1999 2001 2002 g rowth cost r Y G Leaf fall 174 252 325 1.86 0.294 0.772 Flowers 19 15 40 Stem growth 196 259 60 1.61 0.194 0.838 Coarse roots & stump 206 2 72 6 3 Fines roots* 71 1.80 0.270 0.787 Growth respiration estimated 4 200 150 measured 170 208 142 Production en g C m-2 an-1 Cout de construction en g C (g C of new biomass)-1

Respiration de croissance Biochimie et coût de construction 154 200 150 eddy flux 170 208 142

L’augmentation de la respiration de l’écosystème provoquée par les changements climatiques (données Arpège) serait en 2100 de 20 % par rapport à la situation actuelle !!!

Les échanges d’eau sont également mesurés au niveau de l’écosystème, à celui du sol et enfin à l’échelle individuelle de l’arbre par la mesure des flux de sève

Mesure des flux de sève dans les arbres

Le réseau européen de mesures Stocks Flux - Tours Flux - Avion 13C 18O CO-CO2 Stocks +Flux

La manipulation d’écosystème : un dispositif expérimental La manipulation d’écosystème : un dispositif expérimental d’exclusion de pluies à Puéchabon Trois blocs S, R1 et R2

L’exclusion de pluie vise à anticiper une diminution des précipitations de 20 %, en accord avec les prévisions des modèles climatiques en 2050

Sécheresse et fonctionnement des forêts Les effets des traitements sylvicoles Les arbres des placettes éclaircies en 1992 ont survécu à l’extrême sécheresse de 1994 Prades 1994