Vulnerabilité des écosystèmes méditerranéens aux changements

Vulnérabilité des écosystèmes méditerranéens aux changements climatiques : approche
régionale par modélisation
Mots clés : modèle dynamique et fonctionnel de végétation, paysage, région, climat,
incendies
Spécialité : FENEC
Directeur : Rambal S.
Co directeur : F. Mouillot
Labo : CEFE-CNRS / IRD
Equipe : DREAM
Résumé :Cette thèse a pour objectif de d’évaluer la vulnérabilité des écosystèmes naturel
méditerranéens aux changements climatiques à une échelle regionale en prenant en compte l
impact direct du climat sur la végétation et les impacts indirects comme les perturbations
(incendies)
Contexte : La réponse des écosystèmes naturels à un climat donné est étudiée soit en terme
d’aire de répartition favorable à la présence des espèces (les zones bioclimatiques), soit en
terme de fonctionnements à différentes échelles, de la feuille (photosynthèse, échanges
CO2/eau) jusqu a l’écosystème (croissance des individus, flux C/eau, densité/couvert). Les
échanges biosphère-atmosphère sont particulièrement étudiés dans le but de connaître le
potentiel d’absorption de carbone des écosystèmes en vue de limiter l’augmentation du CO2
atmosphérique engagé depuis le début du 20ième siècle. Dans ce contexte, on s’intéresse à la
sensibilité du fonctionnement de la végétation à la variabilité climatique, en particulier lors
d’évènements stressants ou de perturbations: la vulnérabilité de l’écosystème intègre la
fréquence des ces événements ainsi que la résistance et la résilience de l’écosystème à ce
stress (Luers 2003). Cette question de la vulnérabilité d’un écosystème est dépendante du
niveau d’organisation auquel on l’étudie et peut être spatialement hétérogène à l’échelle des
paysage ou de la région, notamment du fait de phénomènes locaux (sol, topographie) ou
propagatifs (incendies, infections, parasites). Une approche hiérarchique permet de pondérer
l’impact des stress ou perturbations locales en prenant en compte les processus au niveau
supérieur comme la dispersion intervenant dans la dynamique végétale post-incendie par
exemple.
Dans la région méditerranéenne française, le climat est caractérisé par une sécheresse estivale
prononcée, couplée à des températures élevées. Les espèces dominantes (Quercus ilex et
Pinus halepensis pour les arbres, Cistus spp. Arbutus unedo, Erica arborea, Quercus coccifera
pour les buissons) répondent particulièrement bien à la sécheresse et aux perturbations comme
les incendies. Cependant, on observe pendant des événements extremes (sécheresse et vague
de chaleur) des réponses inhabituelles dans ces écosystèmes, comme son fonctionnement
direct (Rambal et al. 2003, Ciais et al. 2005), mais aussi une surmortalité des individus (Lloret
et al. 2004) ou de grands incendies (Rambal and Hoff 1997). Dans un contexte de
changements global où les modèles météorologiques prévoient une augmentation des
sécheresses estivales et une augmentation des températures dans le bassin méditerranéen
(Gibelin and Deque 2003), on s’intéresse à la réponse à long terme de la végétation
méditerranéenne au niveau régional. Ce projet s’intègre dans le cadre de l’ANR
‘vulnérabilité : climat et environnement’ où des travaux sur les écosystèmes seront menées sur
le gradient climatique méditerranéen, à la fois sous son régime actuel mais aussi manipulé par
exclusion de pluie et éclaircies.
Objectifs :
Le travail de thèse sera basé sur l’utilisation des outils de modélisation dans leur contexte
spatialement explicite afin de fournir des simulations de dynamique et de fonctionnement de
la végétation sur la région méditerranéenne francaise. Le candidat devra maîtriser les concepts
d’écophysiologie végétale, et s’intéresser à la programmation, la biogéographie et les
systèmes d’information géographique.
La première partie du sujet de thèse sera la mise en place des données régionales spatialisées
de climatologie, de pédologie et de végétation au sein d’un SIG afin de fournir les principaux
paramètres nécessaires au fonctionnement du modèle de végétation. Les données
météorologiques réelles (stations météo) et simulées (présent et futur) par le modèle météo
France ARPEGE 4 seront analysées et spatialement interpolées afin de fournir une grille
journalière à 1km de résolution. Les cartes générées au niveau régional seront analysées en
terme de risque climatique (sécheresse, vagues de chaleur, orages). Teledetection, landscape
ecology inventaires
La deuxième partie du sujet de thèse consistera en une utilisation approfondie du modèle de
dynamique et de fonctionnement des écosystèmes SIERRA (Mouillot et al. 2001,2002) sous
forme d’expérimentations numériques. Des modifications du code source seront à envisager.
i) nous effectuerons des validations locales du modèle sur le fonctionnement des
écosystèmes à Quercus ilex et Pinus halepensis étudiés au sein du programme ANR
DROUGHT+ sous leur contrainte climatique actuelle et sous l’expérimentation d’interception
de pluie, et ceci, à divers niveau de densité d’individus.
ii) dans le contexte ou le modèle a été construit pour des applications au niveau des
paysages (30m de résolution), on testera la sensibilité du modèle aux variables climatiques et
environnementales dans leur spectre de valeur, mais aussi dans leur résolution spatiale et
temporelle afin d’identifier les processus sensibles au changement d’échelle.
Dans la troisième partie de la thèse, on s’attachera à appliquer le modèle SIERRA aux
scenarios de climat reconstitués dans le but de fournir des cartes régionales de modification de
la végétation en terme de biomasse, de surface foliaire, et de fonctionnement (bilan carbone et
eau) et d’identifier les zones les plus susceptibles à être vulnérables au changements
climatique. Nous travaillerons finalement sur les indices de sécheresse (intensité, durée) afin
d’estimer le risque d’incendie basé sur les températures et l’hydrique de la végétation et
d’sinerer ce paramètre dans l’indice de vulnérabilité. Une analyse de la base de données
incendies ‘prométhée’ sur la region mediterranéenne en relation avec le climat sur la période
1970-2005, nous servira pour calibrer la variabilité spatiale et temporelle des risques
d’incendie au niveau régional dont les facteurs humains sont aussi importants. La particularité
du travail sera un couplage avec des modèles de propagation d’incendies empiriques (au
niveau de bassins versants tests, et à l’échelle régionale) afin de simuler réellement les
surfaces incendiées et la dynamique de végétation qui en résulte (Cary et al 2006).
Références :
Cary G.J., Keane R.E., Gardner R.H., Lavorel S., Flannigan M.D., Davies I.D., Li C., Lenihan
J.M., Rupp S., Mouillot F. 2006. Comparison of the sensitivity of landscape fire succession
models to variation in terrain, fuel pattern, climate and weather. Landscape Ecology: 21(1) :
121-137.
Ciais P, Reichstein M, Viovy N, Granier A, Ogee J, Allard V, Aubinet M, Buchmann N,
Bernhofer C, Carrara A, Chevallier F, De Noblet N, Friend AD, Friedlingstein P, Grunwald T,
Heinesch B, Keronen P, Knohl A, Krinner G, Loustau D, Manca G, Matteucci G, Miglietta F,
Ourcival JM, Papale D, Pilegaard K, Rambal S, Seufert G, Soussana JF, Sanz MJ, Schulze
ED, Vesala T, Valentini R 2005. Europe-wide reduction in primary productivity caused by the
heat and drought in 2003 Nature 437 (7058): 529-533.
Gibelin A.L. and Deque M., 2003. anthropogenic climate change over the mediterranean
region simulated by a global variable resolution model. Climate dynamics, 20, 327-339.
Lloret F, Siscart D, Dalmases C, 2004. Canopy recovery after drought dieback in holm-oak
Mediterranean forests of Catalonia (NE Spain) Global Change Biology 10 (12): 2092-2099
Luers AL, Lobell DB, Sklar LS. A method for quantifying vulnerability, applied to the
agricultural system of the Yaqui Valley, Mexico Global environmental change – human and
policy dimensions. 13 (4): 255-267
Mouillot F, Rambal S, Lavorel S . 2001. A generic process-based SImulator for
meditERRanean landscApes (SIERRA): design and validation exercises. Forest Ecology and
Management 147 (1): 75-97
Mouillot F, Rambal S, Joffre R. 2002. Simulating climate change impacts on fire frequency
and vegetation dynamics in a Mediterranean-type ecosystem. Global Change Biology 8 (5):
423-437.
Rambal S. and Hoff C. 1997. Mediterranean ecosystems and fire: the threats of global change.
In Moreno JM Ed. Large forest fires, backhurst, Leiden pp 187-213.
Rambal S. Ourcival J-M. Joffre R. Mouillot F. Nouvellon Y. Reichstein M. Rocheteau A.
2003. Drought controls over conductance and assimilation of a Mediterranean evergreen
ecosystem: scaling from leaf to canopy. Global Change Biology 9 (12): 1813-1824.