Action de recherche N°50

République Tunisienne
Ministère de l’Agriculture
Institution de la Recherche et de l’Enseignement Supérieur
Agricoles
Direction de la planification du suivi et de l’évaluation des programmes de recherche
FORMULAIRE DE PROPOSITION
D’UNE
ACTION DE RECHERCHE (AR)
(Projet FORESTERRA.2013)
Action de recherche N°50
1- Identification de l’AR :
1.1 Intitulé : Comprendre les facteurs de changement globaux, les impacts et les indicateurs
sur les écosystèmes forestiers: une approche à l’échelle méditerranéenne (Changements
globaux) : Cas du chêne liège dans le nord ouest et dans ses zones reliques.
1.2 Coordinateur de l’AR
Nom
Prénom
Etablissement
Ammari
Youssef
Institut National de Recherche en Génie Rural Eaux et Forêts (INRGREF)
1.3 Equipe de chercheurs
1.3.1 Chercheurs appartenant aux établissements relevant de l’IRESA
Nom et Prénom
Amari Youssef
Ennajah Amel
Nesrine Tlili
Albouchi Ali
Sghaier Taher
Garchi Salah
Mechergui Rania
Grade
Directeur de recherche
Attachée de recherche
Doctorante
Directeur de recherche
Maitre de recherche
Maitre de recherche
Attachée de recherche
Etablissement
INRGREF
INRGREF
INRGREF
INRGREF
INRGREF
INRGREF
INRGREF
1.3.2 Autres chercheurs ne relevant pas de l’IRESA
Nom et Prénom
Grade
Etablissement
1
1.4 Partenaires
1.4.1 Partenaires du développement
Organisme : Structure de développement / vulgarisation chargé de transmettre les acquis aux groupes cibles, ex OEP, GIL etc
Nom vis à vis et fonction : indiquer le nom et la fonction de la personne responsable du programme au sein de l’organisme
Organisme
Direction Générale des Forêts
CRDA
ODESYPANO
Réf : convention
(*)
Nom vis à vis
Fonction
Youssef Saadani Directeur Général
(*) Joindre une copie de la convention
1.4.2 Bénéficiaires
Organisme : Structure susceptible d’être intéressée par les résultats de la recherche mais non impliquée dans la réalisation des
activités de recherche
Groupe cibles …. : indiquer le type d’utilisateur potentiel des résultats de recherche ( éleveurs, agriculteurs, SMVDA, Office.. )
Partenaires bénéficiaires
Ministère de L’Agriculture
Groupe cible(s), bénéficiaire(s) potentiels
des résultats
DGF,
CRDA,
Organismes de recherche
d’enseignement, de développement et de planification
et
2- Description de l’AR
2.1 Problématique
- Présenter les problèmes en mettant en relief la perception des responsables du développement
- Indiquer les références éventuelles appuyant cette problématique, notamment les stratégies et plans de développement, les
séminaires nationaux, les conjonctures etc ……
- Terminer en précisant comment la proposition de recherche pourrait elle apporter une réponse au problème posé ?
Dans le bassin méditerranéen, situé à l’interface des climats arides et tempérés, les écosystèmes
naturels constituent une source de services importante (ressource agro sylvo pastorale, paysage,
biodiversité, bilan en eau et carbone). Ils sont soumis à une forte variabilité climatique intrinsèque de
sécheresse et de température dont la fréquence des événements extrêmes serait susceptible de
s’aggraver dans le contexte des changements globaux. Les mécanismes de réponse des écosystèmes à
ces événements extrêmes sont encore mal connus du fait de leur rareté, et pourraient induire soit des
ajustements progressifs du fonctionnement de la végétation à court terme, soit des modifications
brusques de ces systèmes comme la mortalité des individus, le remplacement des espèces, ou
l’augmentation des perturbations. Les forêts Tunisiennes couvrent la totalité du champ climatique
méditerranéen et constituent une zone d’étude représentative du risque d’événements climatiques
extrêmes en Méditerranée (sécheresse fréquente, canicule sous sirocco, gel et neige occasionnels).
Le climat méditerranéen est caractérisé par une saison estivale sèche associée à de fortes températures,
et à un hiver doux et pluvieux. Ce climat est fortement variable avec des années marquées par des
périodes de sécheresses plus ou moins longues, des vagues de chaleur estivale (Ciais et al. 2005) ou
des événements neigeux rares mais pas exceptionnels et des événements pluvieux en automne plus ou
moins intenses induisant de fortes crues érosives. Ce type de climat induit donc que les espèces
capables de s’y maintenir peuvent supporter des températures fortes, de l’air sec, et un déficit hydrique
2
supérieur à 1 mois, tout en étant capables de tolérer des températures minimum hivernales négatives.
Dans ce contexte climatique, les incendies sont aussi une perturbation récurrente, face à qui la majeure
partie des espèces végétales ont développé des stratégies de résistance (protection du tronc par une
couche de liège et rejet de souche dans le cas du chêne liège (Quercus suber), et de résilience (la
germination des graine est facile ou/et déclenchée par une scarification de son enveloppe externe par le
feu). Ce qui permet à ces espèces de se maintenir dans un environnement instable. Les scenarios
climatiques pour le 21ième siècle prévoient une augmentation des températures significative en
méditerranée de plus de 3°C (Gibelin and Déqué 2003) et une diminution des précipitations
printanières, induisant un allongement de la période de sécheresse, qui pourraient donc accentuer les
caractéristiques déjà contraignantes du climat méditerranéen.
Les écosystèmes méditerranéens en Tunisie se situent à l’interface entre les climats arides et tempérés,
en limite sud de l’aire de répartition des principales espèces méditerranéennes, et devraient être des
plus affectés par les changements climatiques annoncés. Les écosystèmes se maintiennent dans les
conditions climatiques méditerranéennes les plus extrêmes, et des petites variations interannuelles
peuvent avoir des conséquences importantes étant donné la non-linéarité des mécanismes de réponse
des écosystèmes face aux conditions climatiques extrêmes.
Nous proposons dans ce projet de structurer et former un réseau d’observation et d’analyse des
indicateurs biologiques (sécheresse, croissance, phénologie, incendies) en vue de la préparation d’un
observatoire à long terme de la réponse des écosystèmes à la variabilité spatio-temporelle des extrêmes
climatiques en méditerranée.
En effet, Nous proposons d’initier un réseau d’observation de la forêt Tunisienne à l’échelle régionale,
à l’instar des réseaux d’observation mis en œuvre dans les pays du nord méditerranéen afin d’identifier
la variabilité régionale des processus de fonctionnement dans les écosystèmes sud méditerranéens en
conditions extrêmes, et d’identifier les seuils de tolérances de ces écosystèmes aux extrêmes
climatiques. Cette thématique répond d’une part à la préoccupation de la durabilité des systèmes agro
sylvo pastoraux en Tunisie et de manière plus générale, à l’étude de la réponse des écosystèmes
méditerranéens aux extrêmes climatiques. Nous avons choisi trois indicateurs principaux de réponse de
la végétation à la variabilité climatique : i) la phénologie, qui est l’étude des stades de développement
des bourgeons de fleurs et des feuilles, et qui répond principalement aux températures hivernales et
printanières, ii) la structure et la dynamique foliaire, qui permet à la plante de réguler sa surface de
transpiration, iii) la croissance des rameaux qui est un indicateur intégré de la variabilité de
productivité des espèces au même titre que la dendrochronologie et iv) la teneur en eau de la végétation
qui varie au cours de la saison en fonction du déficit hydrique et détermine la capacité de combustion
de la biomasse combustible. Nous chercherons à corréler ces indicateurs avec les signaux issus de la
télédétection afin de pouvoir faire un diagnostic continue sur l’ensemble de la zone forestière
Tunisienne des états de la végétation.
Au final, le projet présenté ici regroupe un réseau de chercheurs impliqués dans l’étude régionale du
fonctionnement des écosystèmes méditerranéens en Tunisie. Il a pour but de collecter, au niveau
régional sur l’ensemble de la zone bioclimatique méditerranéenne en Tunisie, les différents paramètres
qui contrôlent la variabilité spatiale du fonctionnement des écosystèmes (surface foliaire, croissance,
phénologie, teneur en combustible et le risque d’incendie associé) afin de calibrer les signaux que l’on
peut obtenir par télédétection de manière continue. Ces informations seront ensuite utilisées dans des
modèles de végétation adaptés afin de pouvoir prédire les zones de vulnérabilité de ces écosystèmes
dans les scénarios de changements climatiques attendus en Tunisie. L’équipe ainsi créé rassemble les
spécialistes Tunisiens des différentes thématiques abordées, en incluant à la fois l’observation de
terrain et son lien avec les images de télédétection qui offre l’avantage d’obtenir une information
spatialisée sur l’ensemble de la région.
Mots clés :
Chêne liège
Changement
globaux
Réseau
Indicateurs
d’observations biologiques
observatoire
3
2.2 Travaux pertinents accomplis ou en cours dans le cadre de cette problématique
2.2.1 A l’étranger
Donner un bref historique des recherches menées à l’étranger autour de la même problématique et portant sur la même thématique
envisagée dans la proposition en soulignant l’apport de ces recherches ( notamment sur le plan méthodologique ) , les possibilités
d’adaptation à la Tunisie ( méthodes et résultats )
Pour les propositions faites dans le cadre de recherches régionales ( en réseau, UE, organismes internationaux … ) préciser en quoi
les recherches antérieures faites dans le domaine ne font pas double emploi pour la Tunisie .
Préciser en quoi la proposition de recherche est en cohérence avec ce qui précède .
Des recherches ont été entamées depuis Mars 2010 à l’unité Dynamique Réactionnelle des
Ecosystemes, Analyse et Modélisation (DREAM) dans l’UMR CEFE de Montpellier (UMR labellisée
par l’IRD), dont les objectifs sont de comprendre le fonctionnement des écosystèmes naturels, et de
modéliser ces processus afin de prévoir la réponse des écosystèmes aux changements climatiques. Les
résultats des travaux d’une équipe de recherche sur l’écosystème à chêne vert (Site de Puéchabon,
dirigé par S. Rambal, CEFE/CNRS) montrent une réponse à court terme des écosystèmes en terme de
dynamique foliaire (ajustement interannuel du LAI), de croissance, et de phénologie (date de
débourrement des feuilles). En effet, ces paramètres ont montré des conséquences sur la productivité
du système en termes de longueur de période de végétation et de surface foliaire transpirante. Les
espèces méditerranéennes équilibrent ainsi leurs pertes en eau par transpiration en fonction de la
disponibilité de la ressource afin de limiter l’effet du stress hydrique et au-delà le dessèchement de
leurs organes qui peut favoriser le risque d’incendie ou la détérioration du système de vaisseaux
conducteurs. L’ensemble de ces processus sont étudiés et analysés depuis 1998 par l’équipe de l’IRDDREAM ainsi que par l’équipe du département « fonctionnement des écosystèmes du CEFE » comme
I. Chuine (CEFE/CNRS), spécialisée dans l’étude et la modélisation des processus phénologiques. Ces
études locales ont depuis 2005 été étendues aux pays de la rive sud de la méditerranée. Ces ajustements
sont perceptibles au niveau régional par différentes indices issus de la télédétection, comme le NDVI
pour la variabilité spatiale et temporelle de la surface foliaire. Ainsi, les séries temporelles
hebdomadaires de NDVI issues du capteur MODIS (250 m de résolution minimum) sont de bons
indicateurs de la saisonnalité du NDVI et donc de la phénologie et de sa variabilité interannuelle. Le
CEFE/CNRS travaille sur ces images pour les travaux de modélisation du bilan en eau et de celui de
carbone à l’échelle régionale
Ce projet sera ainsi fortement relié aux programmes en cours comme le programme Européen FUME
(sur les incendies) et l’ ANR SCION (I. Chuine, 2010-2013) dont l’objectif est de coupler les modèles
de bilan en eau, carbone et de phénologie au niveau régionale afin de simuler les ajustements des
écosystèmes à la variabilité climatique. La base de données qui sera crée sera utilisée pour calibrer et
utiliser les modèles développés dans ce projet, avec des applications sur la zone d’étude en Tunisie.
2.2.2 En Tunisie
En particulier montrer en quoi la problématique posée ne trouve pas de réponses adéquates dans les résultats des recherches
antérieures ?,
ou (et) en quoi la proposition de recherche rendra possible une valorisation de recherches antérieures ou en cours ? ,
ou encore préciser comment la recherche proposée sera possible en l’absence de toute recherche antérieure sur la thématique
concernée (problématique nouvelle) ?
Si une recherche est en cours par ailleurs montrer leur complémentarité.
Les activités de recherche qui seront entreprises dans ce programme couvrent des champs d’études
innovants en Tunisie, et qui viennent compléter les actions déjà menées sur le fonctionnement des
4
forêts méditerranéennes en Tunisie. L’étude de la phénologie est un nouveau champ de recherche, aux
implications multiples, de l’écologie des espèces, à la qualité de l’air (substances allergènes des pollens
par exemple). Cette thématique, déjà engagée sur l’olivier de manière ponctuelle, sera étendue aux
espèces dominantes. Les applications en termes d’aires de distribution des espèces ou d’indicateurs de
changements climatiques sont encore peu étudiées et peu enseignées en Tunisie. Les résultats devront
être largement diffusés, et notamment aux instituts forestiers qui pourraient prendre en charge ce type
d’étude sur le long terme, en tant que réseau de surveillance de fonctionnement des forêts. Ces résultats
pourraient être intégrés à l’inventaire forestier national.
L’étude de la dynamique foliaire et de la croissance des rameaux, indicatrice de la productivité des
écosystèmes, représentent des indicateurs alternatifs de la variabilité interannuelle de la productivité
des forêts. Cette perspective de recherche sera pour la première fois étudié en Tunisie, et ceci à grande
échelle sur un gradient climatique important. Cette observation ne nécessite pas d’appareillage
compliqué mais de la précision dans les protocoles de prélèvements et de mesures. Des ateliers de
formations pourraient être organisé et une présentation des protocoles, et résultat devra être diffusée au
plus grand nombre d’intéressés.
Enfin, l’étude de la teneur en eau de la végétation sera aussi réalisée, dans la Forêt de chêne. Si on
applique les relations qui existent en France entre les services forestiers et les services de prévention
des incendies, une transmission des résultats, devrait être assurée aux délégations forestière afin
d’assurer une vigilance accrue dans les périodes dites à risques pour la propagation des incendies. Une
campagne d’information envers les partenaires forestiers locaux et nationaux devra être assurée.
Enfin, un travail de communication sur l’apport de la télédétection et la modélisation sur la
surveillance forestière sera assuré par des rétroactions fortes entre les fournisseurs de données
(observateurs de terrain) et le groupe de travail sur la modélisation/télédétection. Les résultats obtenus
par télédétection seront communiqués, sous formes cartographiques explicites aux différents instituts
qui ont fourni les données afin de visualiser la concrétisation de la collecte de données et son
utilisation pour des applications cartographiques régionales.
2.2.3 Références bibliographiques
Se contenter au maximum des cinq (5) principales références, en indiquant si possible les coordonnées des sites où elles sont
disponibles, pour permettre éventuellement un accès rapide si les besoins s’en font sentir
Ennajah A., Azri W., Sai-Kachout S., Taibi K., Mouillot F., Ourcival J.M., 2013 – Drought effects on buds
growth and dynamic of Tunisian cork oak populations. International Journal of Agronomy and Plant
Production. Vol., 4 (8), 1742-1752, 2013.
Ennajah A., Azri W., Sai-Kachout S., Taibi K., Guibal F., 2013 – Growth and productivity of three Tunisian
cork oak populations along a climatic gradient: dendrochronological approach and validation by SIERRA
model. Wulfenia Journal. No.6, volume 20.
Chakroun H., Mouillot F., Nasr Z., Nouri M., Ennajah A., Ourcival J.M., 2013 – Performance of LAI-MODIS
and the influence on drought simulation in a Mediterranean forest. Ecohydrology. DOI: 10.1002/eco.1426.
Ennajah A., Guibal F., Mouillot F., Hanchi B., Garchi S., 2010 – Croissance radiale du chêne liège et climat en
Tunisie. Revue sécheresse, 21 (1) : 34-41.
Staudt M., Ennajah A., Mouillot F., Joffre R. 2008. Do Isoprenoid emissions of Tunisian Cork Oak populations
originating from contrasting climatic conditions differ in their response tio summer drought. Canadian journal
of forest Research. 38(12): 2965-2975.
5
2.3 Objectifs
2.3.1 Objectif global
Indiquer l’objectif qui permettrait d’apporter des réponses à la problématique posée dans 2.1
Cet objectif est unique et ne peut en aucun cas être confondu avec le résultat attendu
Nous faisons l’hypothèse qu’une analyse régionale du fonctionnement de cette espèce nous fournira les
indicateurs des seuils de tolérance de cette espèce à maintenir une activité de croissance et de
reproduction, ainsi que la réaction de cet écosystème aux conditions climatiques les plus extrêmes.
Identifier ces seuils requiert des informations à large échelle afin de prendre en compte la variabilité
édaphique, et les observations à long termes qui permettent d’obtenir des informations sur les
rétroactions indirectes du climat sur le fonctionnement de cet écosystème. Ces études à long terme
permettent aussi de pouvoir capter les années exceptionnellement chaudes ou sèches où des
mécanismes non linéaires peuvent apparaitre.
Nous proposons dans ce projet d’estimer la variabilité spatiale et temporelle de la productivité de
l’écosystème chêne liège dans les zones potentielles et reliques en Tunisie afin de i) identifier son
patron spatial de productivité, et de le relier à l’hétérogénéité climatique ou édaphique et ii) de tester
l’impact de la variabilité climatique interannuelle sur ce patron spatiale afin d’identifier les zones de
vulnérabilité.
2.3.2 Objectifs spécifiques
Indiquer les objectifs immédiats reflétant les résultats attendus par cette action de recherche
Cette analyse à grande échelle utilisant à la fois l’inventaire de la biomasse sur pied et la productivité
de croissance estimée sur plusieurs années consécutives aux conditions climatiques contrastées,
permettra d’identifier la variabilité temporelle de la productivité du Chêne liège mais surtout sa
variabilité spatiale. Cette variabilité spatiale nous permettra d’identifier les zones de vulnérabilité les
plus intenses sur lesquelles les recherches futures devront être accentuées afin de maintenir une activité
forestière durable, notamment zones les plus arides. Les études régionales sur des gradients climatiques
sont rares par manque de données, et les informations sur la frange sud de l’aire bioclimatique
méditerranéenne apporteront une extension des études déjà réalisées pour une publication dans des
revues internationales.
Ces informations spatialisées serviront ensuite pour valider une approche régionale de
modélisation du bilan de carbone de la forêt de chêne liège Tunisienne en couplant les informations
issues de la télédétection (NDVI, LAI) aux modèles de productivité contraints par le climat.
2.4 Activités
N° d’ordre
Intitulé de l’activité
Chercheur (s)
de l’activité
Disponible (s)
1
Réseau d’observation de fonctionnement de la
2
forêt de chêne liège Tunisienne (phénologie,
caractéristiques foliaires, rameaux de croissances
et teneur en eau de la végétation)
2
Analyse régionale par télédétection (LAI et stress
1
hydrique)
3
Réseau d’observation climatique et modélisation
1
(informations
climatiques,
modèles
de
fonctionnement de la végétation)
Techniciens
Disponibles
2
2
1
6
2.5 Méthodologie
Décrire brièvement la méthodologie qui sera suivie pour toutes les activités dans le déroulement des opérations de recherche et
indiquer si possible les techniques à utiliser
L’équipe formée regroupe différentes disciplines de l’écologie encore assez disjointes dans la structuration
actuelle des organismes de recherche en Tunisie. Ce projet d’équipe permettra de centraliser ces informations
de fonctionnement des écosystèmes naturels (phénologie, croissance, réseau hydrique), et d’identifier les
indicateurs régionaux issus de la télédétection qui peuvent aider à une gestion régionale des espaces naturels en
Tunisie, notamment identifier les zones de vulnérabilité dans cette zone de transition entre les climats tempérés
et semi arides.
Notre zone d’étude couvrira l’ensemble de la forêt de chêne liège Tunisienne actuelle et ses zones
reliques. Les altitudes varient de 0m sur la côte jusqu’à 1400m, induisant une variabilité de température de 9°C
et une variabilité de précipitation de 1000 mm.
I.
UN RESEAU D’OBSERVATION DE FONCTIONNEMENT DES FORËTS TUNISIENNES
a- La Phénologie
La phénologie étudie les variations des phénomènes périodiques du développement animal et végétal et leurs
relations avec les facteurs climatiques. Pour les plantes, le développement correspond à toute modification
qualitative des caractères morphologiques externes. Le champ d’étude de la phénologie consiste donc à
enregistrer, dans le temps, le retour des étapes de leur croissance et de leur développement et à étudier les
facteurs qui l’influencent. En tant que marqueur du climat, la phénologie est donc un élément clé de
l’autécologie des essences car elle permet de mieux appréhender leur adaptation au contexte écologique et
climatique local de développement (Cleland et al. 2007). De nombreux travaux ont montré que les populations
naturelles sont étroitement adaptées à leur situation climatique locale afin de minimiser les risques de dégâts
occasionnés, par exemple, par les gelées précoces ou tardives sur la survie, le succès reproducteur ou plus
simplement la croissance.
Pour les arbres, les évènements phrénologiques majeurs (ou phénophases) sont le débourrement, la floraison, la
maturation des fruits et la sénescence (coloration des feuilles ou chute). Pour les arbres forestiers, le
débourrement est le paramètre le plus largement observé suivi de la sénescence. Très peu de données existent
quant à la floraison et la maturation des fruits. La mise en place des feuilles, leur développement et leur chute
déterminent la période de végétation pendant laquelle les arbres à feuilles caduques sont photosynthétiquement
actifs. Le développement foliaire est donc un facteur clé dans l’étude des différents flux d’eau et de carbone
échangés avec l’atmosphère et donc de la productivité primaire des écosystèmes forestiers. C’est ainsi un
composant majeur des modèles globaux de fonctionnement de la végétation associés aux modèles de circulation
générale atmosphérique.
La date débourrement du bourgeon est fortement déterminée par les températures minimales de l’hiver, les
degrés cumulés du début de printemps et la photopériode. La maturité des fruits dépend plus particulièrement
de la température estivale et de la sécheresse. L’étude de la phénologie des différents organes des végétaux est
donc un bon indicateur intégré de la variabilité climatique et de ces conséquences sur le fonctionnement de la
végétation. Outre ce rôle indicateur, la phénologie conditionne la longueur de la période de végétation où une
levée de bourgeons précoce induit une plus longue période de photosynthèse et donc d’assimilation de carbone
(Maignan et al. 2008 b). Elle conditionne aussi les succès reproductifs des espèces et leur maintient à long
terme. Nous avons pu ainsi remarquer en Europe une augmentation de la période de végétation de 10 à 15 jours
depuis 1950, facteur rarement pris en considération dans les calculs d’échanges de carbone entre la biosphère et
l’atmosphère.
L’installation d’un réseau de surveillance dans le cadre de ce projet permettra donc de mettre en évidence
l’intérêt d’une telle observation à long terme. Les trois années du projet seront bien sur insuffisantes pour
observer une tendance mais la variabilité climatique sur l’ensemble de la zone d’étude et la variabilité
interannuelle permettra de caractériser les populations stressées avec une forte fréquence par rapport aux sites
les plus arrosés.
Méthodologie : La méthode proposée repose sur la méthode développée par le réseau RENECOFOR et utilisée
par H. SAADI dans le cadre de sa thèse à l’université Manouba. Cette méthode repose sur l’observation
hebdomadaire des stades phénologiques d’espèces indicatrices sur des individus choisis et identifiés. Dans un
7
souci d’homogénéisation des informations, les échantillonnages se feront sur les sites d’études géoréférencés de
la Direction Générale des Forêts (DGF) de Tunisie afin de croiser ces informations de phénologie avec les
informations de description des sites (individus, DBH, hauteurs, sols…).
Nous proposons d’étudier les espèces Quercus spp dans la zone nord ouest de la Tunisie dans le cadre de la
thèse de Mlle Tlili Nesrine, et d’étendre l’étude aux zones relique du chêne liège.
30 sites par espèces seront choisis sur l’ensemble de la région d’étude. La période de végétation et de
développement foliaire s’étale de mars à mai pour les feuilles et de mai à juin pour les fleurs en Tunisie. Le
projet servira donc à financer les missions d’observation de terrain, qui devront se faire de manière
hebdomadaire.
b. Les caractéristiques foliaires
Parmi les processus d’ajustement fonctionnel des espèces à leur environnement, la modulation de la surface
foliaire en fonction de la sécheresse est un processus assez identifié sous climat méditerranéen. Les espèces
doivent trouver leur équilibre entre optimiser l’interception de lumière et limiter la transpiration pour éviter un
dessèchement trop rapide. L’hypothèse de l’optimalité hydro écologique repose sur le fait qu’il existe un
équilibre entre la réserve hydrique du sol (fonction de la capacité au champs et des précipitations) et la surface
foliaire (Hoff and Rambal 2003, Eagleson 1982). L’ajustement se fait d’une part au travers du nombre de
feuilles générées et de la surface de chacune des feuilles, afin de moduler le LAI (Leaf Area Index). Les
indicateurs locaux de cet ajustement, fortement variables entre les sites et entre les années est donc cette valeur
de LAI, la durée de vie des feuilles pour les espèces sempervirentes, le nombre de feuille par cohorte et le ratio
entre la surface et le poids des feuilles (LMA, Leaf mass per Area) qui varie de manière significative sur les
gradients climatiques (Ogaya and Penuelas 1997). Ces analyses ont été menées pendant la thèse de A.
ENNAJAH et seront approfondies dans le cadre de ce projet, en ciblant les sites d’études sur les placettes de la
Direction Générale des Forêts où les analyses pédologiques nous apporteront l’information nécessaire sur la
texture des sols.
Methodologie :
La récolte des feuilles de lumière se fera une fois par an sur les sites identifiés de l’inventaire forestier national.
Les mesures effectuées seront le comptage des feuilles par cohorte, leur poids sec et leur surface (planimètre).
Le LAI sur chacune des placettes se effectué au (LAI meter). Le LAI meter estime la luminosité au dessus et
au dessous de la canopée. Le ratio entre ces deux valeurs est fonction de la densité de feuillage selon la loi de
Beer Lambert Exp (-k LAI).
c. Les Rameaux de croissance
La productivité forestière est estimée par les accroissements de tronc en hauteur et en diamètre par les
forestiers pendant les inventaires forestiers nationaux (Urbieta et al. 2008, Ennajah 2009a, inventaire forestier
national Tunisien, 2005). La périodicité de ces inventaires est assez longue et ne permet pas d’obtenir une
estimation de la variabilité interannuelle de cette productivité. Pour cette indication, la dendrochronologie
(étude des cernes sur les coupes transversales des troncs) permet une approche de cette variabilité interannuelle
sur de longues périodes. Cette méthode est cependant très difficile à mettre en œuvre pour des bois durs comme
le chêne liège, dont les cernes les plus externes (et donc les plus récentes) sont difficiles à lire (Ennajah et al.
2009b). Cette méthode est aussi très couteuse en échantillonnage. Une méthode alternative est l’étude des
accroissements des branches terminales, marquées par les nœuds annuels de production de feuille (Gratani
1996, Llorens et al. 2009). Le nombre de rameaux, leur longueur et leur diamètre informent sur la productivité
annuelle des arbres, et ceci sur les 4 ou 5 dernières années avant l’observation. Sur ces rameaux, la
morphologie (poids et surface des feuilles) et la chimie (teneur en N/P ou lignine notamment) des feuilles nous
informent respectivement sur la plasticité phénotypique régionale de l’espèce en terme de morphologie et de la
richesse des sols. Ces paramètres, reliés au climat ou la pédologie peuvent nous informer sur la capacité de
l’espèce à répondre à la contrainte climatique, et comment cette espèce pourrait appréhender de futures
modifications du climat.
Nous proposons dans ce projet d’estimer la variabilité spatiale et temporelle de la productivité des
principales espèces de chênes dans la région du nord ouest sur les 4/5 dernières années, afin de i) identifier leur
patron spatial de productivité, et de le relier à l’hétérogénéité climatique ou édaphique et ii) de tester l’impact
de la variabilité climatique interannuelle sur ce patron spatiale afin d’identifier les zones de vulnérabilité.
8
Echantillonnage
La méthode consiste en un échantillonnage de 3 branches terminales prélevées sur 3 arbres dominants parmi les
placettes de l’inventaire forestier national. L’échantillonnage se fera après la période de croissance, sur les
branches de lumière à la cime des arbres, avec un sécateur à manche téléscopique. En même temps, nous
échantillonnerons des carottes de sol afin de déterminer sa texture et sa composition comme indicateur de la
richesse du milieu.
Analyses
Les rameaux terminaux prélevés seront ensuite mesurés (longueur, diamètre, nombre de rameaux) (Gratani
1996). Le nombre, la surface foliaire et le poids des feuilles seront ensuite mesurés, ainsi que l’indicateur
associé LMA (Leaf mass per area=poids des feuilles/surface), paramètre morphologique caractérisant la
structure des feuilles et, indirectement leur efficacité de photosynthèse (Ogaya and Penuelas 2007, MontserratMarti et al. 2009). Dans un deuxième temps, nous procéderons aux analyses chimiques (C, H, N) des feuilles.
d. La teneur en eau de la Végétation
Le feu dans le bassin méditerranéen est la perturbation la plus récurrente. Les indices purement climatiques
comme le Fire Weather Index utilisent la pluviométrie et la température comme indicateur de risque. Parmi les
caractéristiques physico-chimiques du combustible forestier, sa teneur en eau est susceptible de modifier son
comportement au feu : plus la quantité d'eau présente dans les tissus végétaux est élevée et moins ces tissus sont
combustibles. En méditerranée, on s’intéresse maintenant d’avantage aux aspects fonctionnels des espèces qui
ont des capacités de modulation de leur transpiration et de dessèchement des tissus différentes. De nouveaux
types d’indices (Spano et al. 2008) utilisent ainsi la teneur en eau des espèces comme indicateur de risque qui
répond d’avantage à la variabilité spatiale des topoclimats et du sol. La teneur en eau de la végétation est un
indicateur utilisé depuis 1996 en région méditerranéenne Française pour estimer le risque d’incendies pendant
la période estivale. Le réseau que nous développerons en Tunisie a pour objectif de suivre la variation de la
teneur en eau d'espèces arbustives et arborées méditerranéennes au cours de la période estivale afin d'enrichir
d'une composante biologique, la prévision de danger météorologique d'incendie, exclusivement fondée sur des
variables météorologiques. La teneur en eau de la matière fraiche est dépendante de l’espèce et du contenu en
eau du sol. Il n’existe cependant pas de linéarité entre le potentiel de base (état hydrique du sol) et la teneur en
eau de la végétation. Nous chercherons donc à calibrer la relation entre fonctionnement hydrique de la
végétation que nous savons modéliser et la teneur en eau des espèces afin de produire un modèle régional de la
teneur en eau de la végétation basé sur les informations climatiques et biologiques, dans un but de surveillance
du risque d’incendies.
Méthodologie : Dans 9 sites tests, répartis sur toute la zone forestière à Chêne liège, 4 espèces d’arbustes
(Cistus monspeliensis, Erica Arborea, Arbutus unedo et Phylirrea latifolia) et ainsi que Quercus suber seront
choisis comme espèces cibles. 3 rameaux sur 5 individus seront prélevés, 1 fois par semaine, sur chacun des
sites entre 10h et 12h par les services forestiers Tunisiens. Ces rameaux seront stockés dans des conteneurs en
métal, fermés hermétiquement par du ruban adhésif élastique. Ces conteneurs seront collectés et analysés. Les
conteneurs seront pesés frais, séchés à l’étuve pendant 24h et pesés à sec afin de connaitre la teneur en eau de la
végétation. Ces analyses seront effectuées de début juin jusqu’aux premières pluies de l’automne en Septembre.
Parallèlement les informations sur les conditions climatiques de la journée de prélèvement seront notés. Cette
approche nécessitera l’implication des techniciens forestiers locaux. Une interaction forte devra donc être
établie afin de restituer les résultats des analyses aux chefs des arrondissements forestiers.
II.
ANALYSES REGIONALES PAR TELEDETECTION
La télédétection offre une information spatialisée, géoréférencée et continue de l’état de la surface continentale.
Les différents capteurs offrent des informations à des résolutions variant de 5m à 1km et avec des fréquences
d’observation journalières à annuelles. Dans ce projet nous cherchons à identifier par télédétection la variabilité
spatiale et saisonnière du fonctionnement de la végétation obtenue par nos observations de terrain. Nous
utiliserons les informations gratuites MODIS à 250m à des fréquences hebdomadaires afin d’identifier la
variabilité saisonnière de la surface foliaire (que nous chercherons à corréler à la phénologie foliaire) et sa
variabilité interannuelle qui nous indiquerait la productivité du système. Nous étudierons aussi plus
particulièrement l’ensemble des indicateurs de stress hydriques issus des bandes spectrales de la télédétection.
9
a. La surface foliaire LAI
Le Leaf Area Index (LAI) exprime la surface de feuilles par unité de surface de sol, et rend compte de la
densité de feuilles qui dirige les processus de transpiration et de photosynthèse dans les écosystèmes. Cet
indice, qui se mesure sur le terrain par un capteur de luminosité au dessus et au dessous de la canopée, est
fortement corrélé à l’indice spectral NDVI qui est le ratio entre les bandes proche infra rouge et visible.
Nous chercherons dans un premier temps à calibrer la relation NDVI / LAI à partir des mesures de
terrain afin d’obtenir une représentation spatiale correcte de la surface foliaire. Les séries temporelles MODIS
seront ensuite filtrées et analysées afin d’identifier les dates de démarrage d’augmentation du LAI, le LAI max
de la saison et la date de décroissance du LAI correspondant à la mortalité des feuilles (Soudani et al. 2008,
Maignan et al. 2008a ).
b. Le stress hydrique
La quantification du stress hydrique par télédétection est un peu plus complexe à mettre en œuvre, et les
différents indices (Normalized differential Water index NDWI, Water deificit Index WDI, short wave infra
Red SWIR, Photchemical Reflectance Index PRI, Goerner et al. 2009) sont de bons indicateurs mais ne sont pas
toujours corrélés aux observations. L’hypothèse sous jacente à l’observation du stress hydrique par
télédétection est que la chaleur sensible (détectable par les capteurs) augmente proportionnellement au stress
hydrique car la dissipation de l’énergie par la chaleur latente (transpiration) est limitée pendant cette période à
cause de la fermeture des stomates. Estimer de manière automatique la teneur en eau de la végétation est malgré
tout une information critique pour les modèles d’échanges de carbone entre la biosphère et l’atmosphère, en
terme de bilan hydrique régionale –particulièrement important dans les pays du Sud comme la Tunisie où la
zone bioclimatique méditerranéenne représente la ressource en eau la plus importante du pays-, et en terme de
combustibilité de la biomasse pendant la période estivale. Nous testerons les différents indices sur la région
d’étude, que nous validerons sur les données issues du réseau d’observation hebdomadaire.
III.
RESEAU D’OBSERVATION CLIMATIQUE ET MODELISATION
a. Les informations climatiques
La Tunisie possède un réseau d’observations climatiques aux services météorologiques (INM) et à la Direction
générale des ressources en eau (DGRE). Ces deux services offrent un réseau satisfaisant de stations de mesures
de la précipitation. Nous proposons dans le cadre de ce projet d’installer des capteurs de température
supplémentaires afin de considérer la variabilité topo climatique qui peut exister en Tunisie, notamment
l’influence de mer sur la zone côtière et la topographie contrastée. Nous installerons dans les maisons
forestières (partenaires de l’INRGREF et de l’ISPT) des capteurs de type thermo boutons (Thermo track type
22L) dans des abris standardisés, et dont la qualité a été testée pour des approches hydrologiques et écologiques
(Hubbart et al. 2005). Ces capteurs seront programmés pour enregistrer les températures toutes les heures afin
d’obtenir les températures minimum et maximum de chacune des stations. Les capacités de stockage de ces
capteurs sont de l’ordre de 4mois tandis que la pile a une durée de vie de plus de 1 an. Les données seront donc
régulièrement sauvegardées pendant la période d’étude et les piles remplacées tous les ans. Cette information
de la variabilité topoclimatique en Tunisie n’a pas encore été étudiée aussi finement. Ces résultats apporteront
les éléments nécessaires pour une interpolation spatiale du climat pour les futures études.
Les informations climatiques seront interpolées à 30 m à l’aide du modèle numérique de terrain de la Tunisie et
d’une méthode de krigeage. Chaque placette aura donc une information climatique précise. Les informations de
température seront issues de la météorologie nationale de Tunisie et de données de température de terrain et
seront interpolées au pas de temps journalier.
b. Les modèles de fonctionnements de la végétation
Les données collectées apporteront une information spatialisée incontournable dans la calibration des modèles
de fonctionnement de la végétation sous climat méditerranéen dans les conditions les plus extrêmes de
température et de sécheresse dans la limité sud de l’aire bioclimatique Méditerranéenne. Nous utiliserons donc
cette base de données afin de calibrer et tester les différents modèles utilisés par les partenaires en France et en
Espagne.
10
i. Phénologie
Les mécanismes démarrage de la période de végétation et de floraison sont fortement corrélés aux températures,
et la survie des bourgeons, des fleurs, des fruits selon les conditions climatiques après ce démarrage de la
période de floraison peut limiter la capacité d’une espèce à se reproduire et se maintenir sous des conditions
climatiques données. Le modèle PHENOFIT (Chuine et Beaubien 2001) utilise ces mécanismes pour simuler
les aires de distributions des espèces (Morin et al. 2007). Il a été développé par I. CHUINE, chargée de
recherche au CEFE/CNRS dans le département Fonctionnement des écosystèmes du CEFE (Montpellier). Ce
modèle sera appliqué sur la Tunisie afin de définir les aires biogéographiques en Tunisie basées sur cette
approche et quelles seront les contours de cette nouvelle aire dans un contexte de changements climatiques.
ii. Stress hydrique et Risque d’incendie
Nous utiliserons un modèle de bilan hydrique au niveau régional, basé sur le climat journalier, les types de
végétation, et la texture / profondeur des sols afin de simuler au pas de temps de journalier la teneur en eau du
sol et les flux d’évaporation et de transpiration afin d’estimer au pas de temps journalier la teneur en eau de la
végétation. Le modèle utilisé sera basé sur le modèle de fonctionnement de la végétation SIERRA (Mouillot et
al. 2001). Ce modèle simule les flux de transpiration des espèces dominantes selon leur caractéristiques
écophysiologiques.
Ce travail de modélisation permettra d’identifier l’intensité et la longueur de la période du stress
hydrique sur l’ensemble des massifs forestiers en Tunisie. Cette cartographie régionale du stress hydrique
permettra de localiser les zones où le stress hydrique pourrait atteindre les seuils critiques de fonctionnement de
la végétation (cavitation des vaisseaux conducteurs pendant les périodes de stress hydriques trop longues), et où
le risque d’incendie serait le plus important par dessèchement extrême de la végétation. Les indices climatiques
de risques d’incendies (comme le Fire Weather Index basé sur la pluviométrie et la température) seront
comparés aux indices biologiques de teneur en eau et le comportement de ces indices seront analysés sous les
scenarios climatiques attendus et sous conditions climatiques extrêmes. Les températures observées en Tunisie
sont les températures les plus chaudes de l’aire bioclimatique méditerranéenne et une augmentation de
température de 3°C comme le prévoient les modèles sera particulièrement étudié par cet exercice de
modélisation.
iii. Echanges biosphère/atmosphère
Finalement nous proposerons d’utiliser une approche de modélisation du bilan de carbone qui prennent en
compte la longueur de la période de végétation observée par les études phrénologiques, une modélisation
correcte de la teneur en eau du sol et de la végétation afin de simuler de manière la plus correcte possible les
accroissement en biomasse de la végétation observée par la croissance annuelle des rameaux au niveau
régional. La base de données crée dans ce projet nous procurera la source d’information spatialisé
indispensable à la réussite de la calibration des modèles pour les appliquer sur les scénarios climatiques
attendus.
2.6 Plan d’opération
2.6.1 Calendrier d’exécution prévisionnel des activités
Date de démarrage: indiquer la date de démarrage pour chaque activité (mois/année), la première date est considérée comme date de
démarrage de toute l’action de recherche
Stations d’expérimentation
Laboratoire d’expérimentation
N° d’ordre de
l’activité
1
2
3
Date Démarrage
Mois/année
Stations
Dès approbation de l’action Nord de la Tunisie
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
//
Laboratoires
Ecologie Forestière
//
//
//
//
//
//
11
2.6.2 Besoins en Techniciens et en main d’œuvre ( mois/homme ) :
Techniciens et ouvriers spécialisés: mettre leur effectif par composante suivant disponibles ou à recruter
Techniciens
N° d’ordre de
et ouvriers spécialisés
Main d’œuvre
l’activité
1
2
3
Total
D
R
D
R
D
R
3
1
1
2
1
2
2
2
1
1
2
2
2
2
5
5
4
2
4
4
(*) D = Disponible R = à recruter
3- Résultats attendus
N° d’ordre
Résultat attendu
de
l’activité
L’INRGREF prendra en charge l’étude de la dynamique foliaire et
1
Date probable
D’obtention
de la croissance des rameaux, indicatrice de la productivité des
écosystèmes. Ces indicateur alternatif de la variabilité interannuelle
de la productivité des forêts sera pour la première fois étudié en
Tunisie , et ceci à grande échelle sur une gradient climatique
important. Cette observation ne nécessite pas d’appareillage
compliqué mais de la précision dans les protocoles de
prélèvements et de mesures. Des ateliers de formations pourraient
être organiser et un présentation des protocoles, et résultat devra
être diffusée au plus grand nombre, de l’ISPT, institut de formation
des techniciens forestiers aux agents de la DGF.
2
3
l’étude du LAI, du stress hydrique et de la teneur en eau de la
végétation permetteront de donner des indicateurs aux services
forestiers et les services de prévention des incendies, une
transmission des résultats, devrait être assurée aux délégations
forestière afin d’assurer une vigilance accrue dans les périodes
dites ‘à risques’ pour la propagation des incendies. Une campagne
d’information de l’ISP envers les partenaires forestiers locaux et
nationaux devra être assurée.
Le travail de communication sur l’apport de la télédétection et la
modélisation sur la surveillance forestière sera assuré par des
rétroactions fortes entre les fournisseurs de données (observateurs
de terrain) et le groupe de travail sur la modélisation/télédétection.
Les résultats obtenus par télédétection seront communiqués, sous
formes cartographiques explicites aux différents instituts qui ont
fourni les données afin de visualiser la concrétisation de la collecte
de données et son utilisation pour des applications cartographiques
régionales.
12
4- Budget de fonctionnement
N°
d’ordre
de
l’activité
Objet
Montant en DT
Total
1
2
3
Personnel Occasionnel
Carburant ; réparation véhicules,
Missions et Stages ; Documentation
Consommable et PM ; Sous traitance ; Divers
Personnel Occasionnel
Carburant ; réparation véhicules,
Missions et Stages ; Documentation
Consommable et PM ; Sous traitance ; Divers
Personnel Occasionnel
Carburant ; réparation véhicules,
Missions et Stages ; Documentation
Consommable et PM ; Sous traitance ; Divers
Total
108 800
69 000
28 000
56 000
108 800
4 000
28 000
56 000
108 800
4 000
28 000
56 000
655 400
Année 1 Année 2 Année 3 Année 4
27 200
66 000
7 000
14 000
27 200
1 000
7 000
14 000
27 200
1 000
7 000
14 000
27 200
1000
7 000
14 000
27 200
1 000
7 000
14 000
27 200
1 000
7 000
14 000
27 200
1000
7 000
14 000
27 200
1 000
7 000
14 000
27 200
1 000
7 000
14 000
27 200
1000
7 000
14 000
27 200
1 000
7 000
14 000
27 200
1 000
7 000
14 000
212 600 147 600 147 600 147 600
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