Approches multi-échelle de la vulnérabilité et du pouvoir adaptatif des écosystèmes aux changement globaux et à la raréfaction des ressources

Animateurs :    Lisa Wingate ; Frédéric Frappart

Comprendre les effets potentiels du changement global à des échelles toujours plus vastes est souvent entravé par les contraintes logistiques liées aux mesures sur de grandes zones, parfois lointaines et d’accès difficile, et par l’extrapolation des mécanismes physiologiques d’espèces connues à des plantes dont les temporalités sont très différentes. Les nouvelles technologies permettent désormais d’acquérir un grand nombre de données essentielles, et à des échelles spatio-temporelles très diverses. Être capable de mesurer les changements des processus physiologiques à l’échelle d’un arbre, voire à plus petite échelle, ou aux alentours immédiats d’une tour de flux peut servir à enrichir un modèle mécaniste et, en même temps, alerter sur un changement de processus biologique, pouvant conduire à des diminutions significatives de productivité ou à une forte mortalité forestière. La combinaison de ce type d’observations in-situ et des observations réalisées par télédétection peut donner un coup d’accélérateur au suivi des écosystèmes en multipliant les échelles spatio-temporelles des observations et permettre une meilleure compréhension des fonctions écosystémiques et des menaces pesant sur elles. Au cours des 5 prochaines années, nous développerons un programme de recherche visant à exploiter les observations des processus et des traits importants de l'écosystème à petite échelle et à les relier à des mesures et des tendances de ‘big data’ à plus grande échelle en utilisant une compréhension mécaniste, des modèles et des bases de données de traits. En particulier, nous proposons d’étudier les 5 questions scientifiques suivantes.

Mieux comprendre les causes sous-jacentes des tendances à court terme du brunissement de la biosphère terrestre. Au cours des 30 dernières années, les satellites ont enregistré des changements dans la temporalité et l’intensité du verdissement saisonnier et annuel de la surface de la Terre. Bien que, globalement, la planète deviendrait progressivement plus verte (Possiblement à cause de l’effet fertilisant du CO₂), certaines régions mais il y actuellement débat sur le brunissement de certaines suivraient plutôt une tendance au brunissement, parfois attribué à un dépérissement accru des forêts lié aux sécheresses et aux incendies. Quels sont les déterminants réels de ces tendances au brunissement et faut-il s'attendre à ce que ces tendances augmentent avec la hausse du CO₂? C'est une question qui sera explorée au sein de l'unité à l'aide d'une suite de produits satelliteaires et d'infrastructures à grande échelle en particulier l'ICOS-RI et le réseau international de phénocam. ISPA possède toute l'expertise pour mieux estimer les diverses contributions de la mortalité due à la sécheresse, des incendies, de la déforestation et du métabolisme et de la productivité des plantes (nutriments et métabolites secondaires) aux changements récents du CO₂ et du climat.

Les traits foliaires (composition chimique et propriétés spectrales) nous renseignent-ils sur le type de partenaire mycorhizien ? Des études suggèrent que les écosystèmes tempérés dominés par des plantes associées à des ectomycorhizes (EM) seraient plus aptes à stocker du C dans leur biomasse en réponse à une augmentation de CO₂ que les écosystèmes dominés par plantes associées à des mycorhizes arbusculaires (AM). Cartographier les associations mycorhiziennes à large échelle reste un défi majeur même s’il a été montré que les indices de réflectance spectrale de la végétation acquis par télédétection sont fortement corrélés aux associations mycorhiziennes et peuvent être utilisés pour distinguer des parcelles de forêt dominées par des AM vs. par des EM. Il apparaît également de plus en plus évident que les associations mycorhiziennes sont des ‘traits intégrateurs’ des membres des communautés souterraines et aériennes et de leurs fonctions. L’objectif principal de cette étude sera (a) d’examiner les liens entre la composition chimique des feuilles, leurs phénologies et leurs propriétés spectrales parmi des espèces tempérées ainsi que (b) de comprendre comment ces traits foliaires sont reliés à des relations spécifiques entre une espèce de plante et son partenaire mycorhizien à multi-echelle.

Assurer le suivi de la biomasse et de l’état hydrique des écosystèmes à grande échelle (pays, continent) est primordial pour détecter les puits et sources de carbone des forêts, termes clés du bilan de carbone global, et afin de mieux prévoir et modéliser leur sensibilité aux stress naturels et anthropogéniques: sécheresses, feux de forêt, déforestation, attaques biotiques, … Ce suivi des stocks de carbone à grande échelle nécessite de découpler l'influence des effets saisonniers liés à l'état hydrique (humidité de surface – SM, VOD) et à la croissance de la végétation (VOD) sur le signal mesuré par les capteurs satellitaires à faible résolution spatiale (~25 km) fonctionnant dans le domaine des micro-ondes (AMSR-2, SMOS, SMAP, ASCAT et bientôt CIMR). La synergie d’un grand nombre d'observations in-situ et spatiales, disponibles sur une large gamme d'échelles spatiales emboîtées et à des pas de temps différents nous permettra de mieux comprendre les processus en nous basant sur des observations in-situ (par ex mesures de flux des sites ICOS, mini-capteurs radars d’état hydrique des arbres) et de relier processus et information de télédétection disponibles de l’échelle du paysage à l’échelle régionale au moyen d’indices tirés de différent produits (NDVI, LAI, occupation des sols, observations dans l’infrarouge thermique du stress hydrique des couverts, hauteurs d’arbre dérivées des mesures lidars, d’observables radars). Cela nous permettra également de valider les produits SM et VOD déduits d’observation à grande échelle spatiale, et de développer des méthodologies d’estimation de SM et du VOD à plus haute résolution spatiale au moyen de méthodes statistiques de désagrégation et à partir de de données à haute résolution spatiale.

Limitation de la production agricole par les nutriments à l’échelle globale | Le but ici est de mieux comprendre la contribution des différents mécanismes impliqués dans la limitation de la production agricole à l’échelle globale par les nutriments (dynamique des nutriments dans le sol, ajustements des plantes, interaction entre nutriments, etc.). Les pertes de rendement global seront estimées pour la période actuelle et sous différents scénarios (ex: relocalisation de la production alimentaire, réduction de l’élevage, expansion de l’agriculture biologique). Pour cela, nous nous appuierons sur des modèles simples développés au sein de l’unité à l’échelle de la parcelle (par ex, prélèvement du phosphore par les plantes, modèle de dynamique du phosphore du sol), appliqués à l’échelle globale (résolution demi-degré lati x lon) moyennant certaines hypothèses et nourris par des bases de données globales portant notamment sur les pratiques agricoles. Les bases de données spatialisées utilisées en entrée des modèles ou pour confronter les sorties sont issues de collaborations (données satellitaires désagrégées par type d’écosystème, données locales extrapolées ou d’inventaires nationaux downscalés).

“Downscaling” du climat à l’échelle du paysage | Afin d'anticiper le devenir des socio-écosystèmes, nous utilisons des projections climatiques de plus en plus fiables, mais dont la résolution spatiale reste limitée, de l'ordre de la dizaine de km minimum. Cette résolution spatiale n'est pas assez fine pour étudier les risques climatiques des cultures ou l'impact de l'aménagement du territoire et des pratiques agri-sylvicoles sur les micro-habitats et la biodiversité. Des approches de changement d'échelle descendante sont donc utilisées qui rendent compte de l'influence des propriétés topo-géographiques (latitude, continentalité, altitude, pente, aspect, etc.) sur le climat local. Actuellement ces approches ne prennent pas en compte l'influence du type de couvert végétal sur les variables climatiques au sommet du couvert. Plusieurs études sur les zones tempérées et tropicales montrent cependant que, par rapport à une prairie ou une culture adjacente, la température 'radiative' d'une forêt, mesurée par satellite ou in situ a une amplitude journalière moins grande et est en moyenne plus fraîche. Des études de modélisation montrent également qu'une diminution de la surface boisée a un effet sur la température de l'air certes moindre que sur la température radiative, mais néanmoins marqué, notamment dans les tropiques. L'impact du type de couverture végétale sur le climat local et régional est également fonction de l’épisode climatique (événement extrême, etc.) A ISPA, nous souhaitons développer de nouvelles approches de "downscaling" climatique à l’échelle de paysages hétérogènes qui puissent rendre compte des processus biophysiques liés à la morpho-physiologie des canopées végétales. En combinant des modèles numériques de terrain et des cartes d'occupation des sols décamétriques (Theia CES Sol)) avec des réseaux de capteurs micro-météorologiques dans des paysages agricoles ou forestiers, nous testerons plusieurs approches de "downscaling" et étudierons l'influence du type de couverture végétale, sur site et alentours (dans un rayon de 100 à 500 m), sur les variables micro-météorologiques au-dessus du couvert.

Collaborations: INRAE: BIOGECO, TETIS, Nationales: ESPACE-DEV, IMS, LEB, LERMA, OMP, CNRM. Internationales: ICOS-RI, Colorado State University, MIT, PBL Netherlands Environment Assessment Agency, Uni. Leuven, UCSB