Réponse à l’APR GICC 2010 A. RÉCAPITULATIF DU PROJET Titre du projet : Etude comparative de la phénologie et du fonctionnement des forêts périurbaines et naturelles dans dans le cadre du réchauffement climatique. Mots clés : bois de Vincennes – bois de Boulogne - Forêt de Fontainebleau – Phénologie – Changement climatique – Urbanisation - Gestion forestière – Modélisation phénologique Thèmes de l’APR concernés : o L’adaptation et la nécessaire descente d’échelle. o Politiques climatiques d’adaptation et d’atténuation o Recherches en partenariat Responsable/Coordinateur scientifique : Laurent Bray Conservateur du Jardin Botanique de la Ville de Paris Chef de la division des collections et du jardin botanique Mairie de Paris Direction des Espaces Verts et de l’Environnement 103 avenue France, 75 639 Paris Cedex 13. Tél. : 01 71 28 53 36 Fax : 01 71 28 53 52 mèl : [email protected] Organismes / Laboratoires impliqués dans le projet : Laboratoire Ecologie Systématique et Evolution (ESE) (UMR 8079 : Univ. Paris-Sud Orsay & CNRS & AgroParitech) Département Ecophysiologie Végétale Chercheurs : Eric Dufrêne (CNRS) ; Christophe François (CNRS) Université Paris-Sud XI, Bât. 362 91405 ORSAY Cedex France Tel : 01 69 15 56 80 Fax : 01 69 15 72 38 mèl : [email protected] GDR SIP-GECC : Groupement De Recherches pour un Système d’Information Phénologique pour Etudier et Gérer les Changements Climatiques Partenaire du Réseau National de suivi à long terme des Ecosystèmes Forestiers (RENECOFOR). Directrice : Isabelle Chuine Centre d’Ecologie Fonctionnelle et Evolutive-UMR CNRS 5175 1919 route de Mende 34293 Montpellier cedex 05 Tél : 04 67 61 22 51 Fax : 04 67 41 21 38 mèl : [email protected] Organisme gestionnaire des crédits : Mairie de Paris Direction des Espaces Verts et de l’Environnement 103 avenue France, 75 639 Paris Cedex 13. Tél. : 01 71 28 53 36 Fax : 01 71 28 53 52 mèl : [email protected] Coût prévisionnel total (TTC) et montant de l’aide demandée (TTC) : Le cout prévisionnel total du projet est de 183 230 € dont 182 000 € sont demandés. Montant de l’aide (TTC) demandé au programme GICC Besoins du projet Personnel Coût total Budget demandé (détail) 177 000 € Equipements 630 € Fonctionnement 600 € Missions Informatique Total Répartition budget demandé 1 post-doctorant à 50 000 € /an pendant 3 ans coordinateur et 2 observateurs : 9 000 €/an pendant 3 ans. Conférences et présentations, frais de déplacement : 4000 € 2000 € (ordinateur pour les modélisations) 183 000 € 1 post-doctorant à 50 000 € /an pendant 3 ans coordinateur et 2 observateurs : 9 000 €/an pendant 3 ans. 0 € (cf cofinancement) 0 € (cf cofinancement) Conférences et présentations, 4 000 € frais de déplacement : 4000 € 2000 € (ordinateur pour les 2 000 € modélisations) 184 230 € Paris-Sud 183 000 € Mairie de Paris 150 000 € 27 000 € 2 000 € 2 000 € 2 000 € 154 000 € 29 000 € Personne impliquée Fonction dans le projet % Ville de Paris Laurent Bray Coordinateur et gestionnaire 10% Observateur phénologique du bois Michel Neff 4% de Vincennes Observateur phénologique du bois Brigitte Serres 4% de Boulogne Laboratoire Ecologie Systématique et Evolution (ESE) Eric Dufrêne Observations phénologiques 15 % Christophe François Modèle fonctionnel (Castanea) 20 % Modèles phénologiques, analyses Nicolas Delpierre 20 % statistiques Post-doctorant ; modélisation, X (à recruter) simulations changement 100 % climatique, base de données GDR SIP-GECC Isabelle Chuine Coordination de la mise à disposition de la base de données phénologique du GDR Cofinancements assurés: 1 230 € - Durée : 36 mois. occasionnellement Résumé du projet de recherche et résultats attendus en termes de gestion environnementale : La Ville de Paris gère deux zones forestières protégées, le bois de Boulogne et le bois de Vincennes situés respectivement à l’ouest et à l’est de Paris. Ces deux forêts périurbaines de 1841 hectares ont un rôle sociologique primordial étant donné que le nombre de visiteurs annuel est estimé à 10 millions pour la première et à 11 millions pour la seconde. Dans ce contexte, alors que les différents scénarios climatiques prévoient une augmentation de la température moyenne annuelle d’au moins 2.,5°C à une échéance de 50 ans, il est nécessaire que les politiques de gestion forestière établies il y a quelques années en collaboration avec différents organismes dont l’Office National des Forêts, prennent en compte l’évolution climatique probable afin que la Ville de Paris maintienne à un niveau aussi élevé que possible les services rendus aux Parisiens et aux habitants des communes limitrophes. Afin de répondre à cette problématique, ce projet fédère de manière originale une collectivité territoriale, la Ville de Paris et son Jardin botanique, avec un laboratoire de recherche (Laboratoire Ecologie Systématique et Evolution) ainsi qu’un groupement de recherches (GDR pour un Système d’Information Phénologique pour Etudier et Gérer les Changements Climatiques). Ces deux structures de recherches ont été choisies car l’une a une longue expertise sur la forêt de Fontainebleau et sur la modélisation fonctionnelle et phénologique, y compris dans le cadre des changements climatiques, et l’autre permet d’avoir accès à une base de données phénologiques. Différents modèles phénologiques seront calibrés sur la base de données du GDR puis comparés et testés sur les données phénologiques disponibles pour les trois forêts étudiées. Le modèle sélectionné sera appliqué aux deux types de forêts (périurbaines et non-urbaine) sur les données climatiques des 50 dernières années afin d’étudier de manière comparative les modifications récentes de durée de la saison de végétation. Il sera intégré dans le modèle de fonctionnement des forêts développé au Laboratoire Ecologie Systématique et Evolution (ESE) de façon à comparer sur les 50 dernières années les bilans de carbone et la croissance entre les deux types de forêts. Un scénario climatique sur l’Ile de France (2010 – 2100) sera ensuite utilisé pour étendre la comparaison au climat futur sur une échelle de temps pertinente pour la gestion. Une étude statistique des différences mensuelles de températures entre les forêts périurbaines et non urbaines sera réalisée de manière à pouvoir créer un scénario de type « périurbain » prenant mieux en compte les effets de la ville que le scénario Ile de France général. Le fonctionnement simulé des deux types de forêt (phénologie, croissance) sera comparé dans le cadre de ces deux scénarios. Le modèle de fonctionnement sera utilisé pour expliquer et comprendre l’origine de ces différences simulées (présent/futur et Fontainebleau/Péri-urbain) et ainsi quantifier les effets des principaux facteurs climatiques sur les processus. Il est notamment important d’analyser les sensibilités de chacune des espèces et leurs réponses face à ces scénarios. Le résultat de ces études et les observations phénologiques doivent permettre la mise en place d’un protocole de gestion des zones forestières. La volonté de mener un travail en réseau et impliquant de nombreux acteurs est partie intégrante de cette étude. La Ville de Paris en particulier concentrera ses efforts sur le rassemblement de structures décideuses dans le domaine de la gestion des forêts. Ceci afin de concentrer les informations, les politiques de gestion et les contrôles de suivi au sein d’un même maillage. La réponse des bois urbains sera-t-elle la même que celle des forêts non urbaines ? Les forêts non urbaines doivent-elles se diriger vers la composition des forêts urbaines actuelles ? Faut-il les gérer différemment ? Faut-il favoriser certaines essences ? Les réponses que ce projet de recherche va apporter sont décisives grâce à l’inscription des collectivités territoriales dans la gestion de leurs forêts à long terme et aux prévisions d’adaptation des végétaux. C’est un modèle original de gestion qui doit être mis en œuvre. B. DESCRIPTIF DU PROJET Justifications du projet de recherche : 1. Position par rapport aux termes de l’appel à propositions : Ce projet s’inscrit dans une politique globale de gestion du changement climatique. La Ville de Paris est engagée depuis le 1er octobre 2007 dans cet effort commun de lutte contre le dérèglement climatique. Cette date marque le vote du plan Climat de Paris (le Livre Blanc est consultable sur http://www.paris.fr/portail/Environnement). Ainsi, la Ville de Paris est consciente de la nécessité de rassembler des connaissances scientifiques visant à une meilleure gestion future du changement climatique. Le Jardin Botanique de la Ville de Paris participe déjà au projet GDR SIP-GECC (Groupement De Recherches pour un Système d’Information Phénologique pour Etudier et Gérer les Changements Climatiques) créé en 2006. Le projet que nous mettons en place vise à mesurer l’impact du changement climatique sur les forêts périurbaines et non-urbaines et à en tirer les conséquences, dans un premier temps, pour les politiques de gestion au sein de la Ville de Paris. L’étude comparative que nous nous proposons de réaliser s’inscrit directement dans le thème de « l’adaptation et la nécessaire descente d’échelle ». Sur les 30 dernières années les bois Parisiens présentent un différentiel significatif de température de + 1.1°C par rapport à la forêt de Fontainebleau. Cette situation contrastée permet une étude in situ de croissance des forêts mimant un cas de changement climatique. La Ville de Paris profite d’une double identité : commune mais aussi département. Cela va favoriser les recherches dans le sens du thème concernant les « Politiques climatiques d’adaptation et d’atténuation » via des protocoles de changement de gestion des bois. Les « Recherches en partenariat » vont également être menées par la Ville de Paris qui se trouve être dans une lancée de gestion raisonnée de part la mise en place d’une Charte d’aménagement durable signée en 2003 par la Ville de Paris et les communes jouxtant ces bois. 2. Situation actuelle du sujet : Le changement climatique (augmentation des températures) est une réalité tangible que l’on observe de plus en plus, notamment à travers la phénologie des plantes. Les phénomènes de saisonnalité que l’on connaissait sont modifiés et cette évolution s’accentue. En effet, l’augmentation des températures suit depuis les cinquante dernières années une courbe exponentielle pour toute la surface de la Terre. En 2010, la surface est de 0.65 °C plus chaude qu’en 1960. En France, le chiffre atteint 0.7 °C. Le différentiel de température qui existe entre les bois parisiens et la forêt de Fontainebleau d’une part et les scénarios climatiques que nous utiliserons d’autre part sont des modèles idéaux de prédiction de l’évolution des forêts périurbaines. Les localisations des bois de Vincennes et de Boulogne, en périphérie d’une grande métropole, modifient de façon significative leurs conditions climatiques. La Ville de Paris mène de surcroît une gestion de peuplement forestier en lien avec les politiques publiques actuelles : (p.ex. plantations de végétaux provenant de la région où ils sont le mieux acclimatés). Cependant, à plus long terme, les nouvelles plantations d’arbres doivent concerner des essences qui auront la capacité à supporter au mieux l’augmentation des températures à venir. C’est pourquoi ce projet est l’occasion de définir des plans de gestion à insérer dans les politiques publiques des collectivités territoriales comme la Ville de Paris. La forêt de Fontainebleau est également une forêt du bassin parisien présentant les mêmes essences que les bois périurbains avec une température annuelle plus fraiche. 3. Etude bibliographique commentée : Selon le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC), d’ici la fin du siècle, la température moyenne à la surface du globe pourrait augmenter de 2 à 4 °C. Ces changements s’accompagnent de modifications de l’intensité et de la fréquence des pluies. L’aire de répartition des écosystèmes va changer : les espèces tempérées vont avoir tendance à migrer vers les pôles tandis que les espèces tropicales iront vers les zones tempérées. Ainsi une étude de 2003 [17] montre que l’aire de répartition des animaux et végétaux a progressé de 6 km vers le nord et de quelques mètres en altitude par décennie au cours du dernier siècle. Dans cette étude, nous comparons les conditions climatiques définies par les précipitations et les températures de chaque site. L’étendue de l’agglomération parisienne crée aujourd’hui un microclimat urbain avec un îlot de chaleur relatif en hiver, une augmentation des pluies orageuses en été et des brouillards exceptionnels, les brumes étant plutôt liées à la pollution. La présence de stations météorologiques dans le bois de Vincennes et le bois de Boulogne permet d’obtenir les informations climatiques dont nous avons besoin. Ainsi les relevés pluviométriques entre 1975 et 2004 montrent une moyenne de 648 mm/an dans ces bois (Figure 1). Les températures moyennes annuelles relevées sont en nette augmentation puisque nous passons de 11,8°C (moyenne globale sur 76 ans soit depuis 1929) à 12,2°C (moyenne des 30 dernières années) et 12,7°C (sur les 10 dernières années) (Table 1) [17]. Préc ipitations en mm Pluviométrie Bois paris iens 80.0 Moyenne 1 0 ans 60.0 Moyenne 30 ans 40.0 20.0 Moyenne 1 929/2004 0.0 Janv Févr Mars Avril Mai Juin Juill Août Sept Octo Nove Déce Figure 1 : Moyennes pluviométriques des bois parisiens en fonction des mois de l'année Table 1 :Températures moyennes annuelles comparée entre les bois parisiens et Fontainebleau (la moyenne long terme est faite sur 1929-2004 pour les bois parisiens et sur 1962-2007 pour Fontainebleau ; et les autres sur les 10 et 30 dernières années). Température moyenne annuelle bois parisiens Fontainebleau Moyenne Long terme 11.8 °C 10.9 °C Moyenne 30 ans 12.2 °C 11.1 °C Moyenne 10 ans 12.7 °C 11.7 °C Sur le site de la forêt de Fontainebleau, la température moyenne annuelle est de 11,7 °C c’est à dire 1°C de moins que les bois de Boulogne et bois de Vincennes (Table 1). De surcroît, la moyenne pluviométrique annuelle atteint 720 mm/an (Table 2) contre moins de 650mm/an dans les forêts périurbaines parisiennes (Figure 1). Ainsi les bois parisiens semblent être un bon modèle de prévision évolutive de la forêt de Fontainebleau dans une optique d’augmentation des températures et de diminution possible de la pluviométrie. Table 2 : Moyennes pluviométriques de Fontainebleau entre 1958 et 2008 (Météo France) Pluviométrie Jan Fontainebleau Fév Mars Avril Mai Juin Juil 68 57 55 45 65 60 59 Août Sept Oct 61 65 Nov Déc 57 68 64 Moy 723 Dans une optique phénologique, les températures des mois de février à avril ont une grande importance sur la date du débourrement. On constate que les écarts ont tendance à s’accroître entre les deux sites (Figure 2), laissant présager une différence de fonctionnement croissante entre les deux types de forêt. Températures moyennes Février-Avril 10 Température (°C) 9 8 Bois parisiens Fontainebleau 7 6 5 Moyenne Long terme Moyenne 30 ans Moyenne 10 ans Figure 2 : Variation des températures influant le débourrement (moyenne février-avril) au cours du temps : comparaison entre Fontainebleau et les bois parisiens. On note que l'écart semble augmenter (on passe de 0.9°C à 1.3°C d'écart en moyenne). Les températures moyennes à court terme sont faites les 10 et 30 dernières années. Les études pédologiques des bois de Vincennes et bois de Boulogne montrent une grande diversité de sols. Certaines zones du bois de Vincennes ont un sol lessivé acide profond sur alluvions sableuses acides. Elles se recoupent avec des sols du bois de Boulogne définissant une zone sableuse acide [17]. Il est important d’identifier ces sols car ils jouent un rôle dans la perception des facteurs abiotiques par les plantes. De plus, les similarités avec les sols de la forêt de Fontainebleau sont importantes pour l’analyse comparative que nous menons. Le recoupement des données pédologiques met en évidence un groupement de végétaux bien particulier. En phytosociologie, il s’agit d’un groupement de végétation des chênaies oligotrophes à chêne sessile [16]. Ce groupement est retrouvé sur sables non calcaires, très acides et bien drainés. Dans un cas d’augmentation de la pluviométrie par exemple, le hêtre devient abondant. Les espèces dominantes sont Quercus petraea (Chêne sessile), Castanea sativa (Châtaignier) et Betula pendula (Bouleau). Dans les bois parisiens, le remaniement du sol et les différentes gestions arboricoles ne montrent pas un profil aussi précis. Les groupements se fondent les uns dans les autres et on distingue des profils de chênaies oligotrophes à chênes pédonculés [17] (Error! Reference source not found.3). Ainsi 70% des massifs forestiers fermés et clairières du bois de Vincennes sont composés de chêne sessile et pédonculé, 20% sont de hêtre (90% de chêne sessile dans le bois de Boulogne). En forêt de Fontainebleau, la majorité des essences feuillues se trouvent être également les chênes sessile et pédonculé (Figure 4). Ces données mettent en évidence des similitudes importantes dans la composition en essences des dites forêts et renforce la pertinence d’une comparaison phénologique. chêne sessile chêne sessile / chêne pubescent Pin noir chêne pédonculé / hêtre chêne pédonculé / chêne sessile / hêtre Chêne pédonculé Figure 3 : Essences principales et typologie actuelles du bois de Vincennes et du bois de Boulogne Espece Chêne sessile / pédonculé Hêtre Platières et chaos rocheux Pin sylvestre Autres feuillus Autres résineux No data ® 0 2.5 5 Kilometers Figure 4 : Espèces majoritaires de la forêt de Fontainebleau. L’étude de l’effet du climat sur le cycle de vie des arbres se fait notamment par les observations phénologiques. Le GDR SIP-GECC possède une base de données de relevés phénologiques remontant à 1976 sur le site de Fontainebleau et 2007 pour les bois parisiens. La date de débourrement des bourgeons est le stade phénologique relevé. Le déterminisme de la séquence ontogénétique menant au débourrement est sujet à débat. Hanninen & Kramer (2007) distinguent deux classes de modèles de simulation des dates de débourrement. La première de ces classes (« modèles à 1 phase ») comprend les modèles les plus simples (selon la forme proposée initialement par Réaumur, 1735), postulant le débourrement comme survenant après qu’une somme de température critique a été atteinte. Ces modèles font ainsi implicitement l’hypothèse d’une levée de dormance en une date invariante selon les années (de janvier à mars, selon l’espèce considérée). La seconde classe (« modèles 2 phases ») fait l’hypothèse d’une levée de dormance et d’une somme critique de températures modulées par les conditions thermiques [3]. Pour cette classe de modèles, la levée de dormance est fonction de l’accumulation de températures faibles (débutant typiquement à la fin de l’automne), contrairement à la croissance du bourgeon, pilotée par une accumulation de températures élevées (initiée durant l’hiver, à l’instar des modèles « 1 phase »). Cette dichotomie souligne notre méconnaissance actuelle de la chaîne des processus conduisant à la levée de dormance des bourgeons chez les arbres tempérés et boréaux. Afin d’avancer vers une meilleure compréhension de ce déterminisme, une démarche pragmatique consiste à ajuster sur les mêmes jeux de données de débourrement les deux classes de modèles et à en comparer les performances respectives. Les travaux récents de Schaber & Badeck (2003), Linkosalo et al. (2008) et Vitasse et al. (in prep.) montrent cependant des aptitudes prédictives analogues pour les deux classes de modèles en climat actuel. Ces études n’apportent donc pas de réponse ferme à la question du déterminisme de levée de dormance des bourgeons. Elles en soulignent toutefois l’importance potentielle dans le cadre des changements climatiques en cours ([14], [20]), dans la mesure où les prédictions de date de débourrement obtenues par les deux classes de modèles en climat futur (fin 21ème s.) sont susceptibles de diverger comme cela a déjà été montré pour le Sapin pectiné et le Houx [20]. Dans tous les cas ces différences notables d’avancée du débourrement prédites par les deux classes de modèles modifient sensiblement les risques potentiels d’exposition aux épisodes de gel tardifs. L’avancée des dates de débourrement est susceptible de changer fortement le bilan de carbone et la croissance annuelle ([5], [6]). Pour passer de la phénologie à la croissance des peuplements forestiers il est possible d’utiliser un modèle fonctionnel. Le modèle CASTANEA, développé à l’ESE, est un modèle mécaniste de fonctionnement des écosystèmes forestiers qui simule les processus (photosynthèse, transpiration, respirations, croissance etc.) permettant d'obtenir le bilan de carbone d'un peuplement d'arbres [8]. Ce peuplement est représenté dans le modèle par un arbre moyen. Le carbone dans l'arbre est réparti dans ses différents organes ou compartiments : les feuilles, les branches, le tronc, les grosses racines et les racines fines. Il existe un compartiment supplémentaire, non localisé, qui représente les réserves carbonées de l'arbre. Le carbone assimilé par les feuilles lors de la photosynthèse est calculé de façon semi-horaire puis sommé sur la journée. De la même manière les respirations d’entretien et de croissance de chaque organe sont calculées de façon semi-horaire, puis sommées sur la journée et pour tous les organes. Pendant la saison de végétation, la différence entre le carbone synthétisé et le carbone respiré donne la quantité de carbone disponible pour être alloué à la croissance de chaque organe et au compartiment réserves. Pendant l'hiver, ou bien quand la photosynthèse est insuffisante, le carbone nécessaire au fonctionnement (respiration d’entretien) ou à la croissance de l'arbre (pendant la croissance des feuilles au printemps) est puisé dans les réserves. Ce modèle a notamment été appliqué sur le massif de Fontainebleau (3000 parcelles) pour simuler la productivité (Figure 5) et la croissance des trois espèces dominantes (Hêtre, Chêne sessile et Pin sylvestre) et comparer la différence de comportement en climat actuel suivant la réserve utile du sol et les caractéristiques de chaque parcelle [10]. Dans le cadre de l’étude de changements climatiques, le modèle CASTANEA a d’abord été appliqué sur des scénarios d’évolution de climat pour étudier l’impact du changement du climat sur les flux de carbone (photosynthèse) ([11] ; [4]). Dans le cadre de l’ANR Qdiv nous avons appliqué Castanea sur toute la France sur des mailles de 8*8 km pour simuler la croissance entre 2000 et 2100 (sous un scénario d’évolution de climat moyen) pour le Hêtre et le Chêne sessile. L’objectif du projet (qui se termine courant 2010) est d’être capable, à l’échelle de la France, de simuler la productivité du peuplement et ses risques de dépérissement, et de prédire ainsi sa capacité future de survie. Dans les bois périurbains que nous étudions, il sera indispensable de tenir compte dans les observations de la teneur en CO2 plus élevée. En effet l’augmentation du CO2 stimule la photosynthèse des végétaux et leur croissance (tandis que les températures élevées diminuent le carbone restant disponible pour la croissance de l’arbre en stimulant la respiration). Les forêts périurbaines ont une position particulière dans le sens où leur vocation d’espace public naturel est essentiellement dédiée à la promenade, à la détente et aux loisirs de plein air en particulier au bois de Boulogne. La gestion durable et différenciée s’incrit dans le cadre d’un schéma paysager [17]. Le couvert végétal arboré des bois et forêts dépend à la fois de ses conditions de croissance et de l’histoire de sa gestion. Des études valorisent des méthodes de gestions par mélanges d’espèces arborées [3]. Ces mélanges tamponnent les perturbations biotiques et abiotiques et la résistance globale du couvert végétal s’en trouve augmentée. Dans les bois parisiens, malgré le fort renouvellement des peuplements forestiers, certains de ceux qui ont résisté à la tempête de 1999 arriveront probablement au terme de leur durée de vie dans les quinze ans à venir. Il s’agit notamment des pinèdes appartenant à la classe d’âge 90-120 ans et des hêtraies de la classe d’âge 60-90 ans. Les hêtraies seront remplacées par des peuplements d’essences mieux adaptées aux stations et dont la durée de survie améliorera l’équilibre des classes d’âges, à l’avenir [17]. Les interventions dans les peuplements de plus de trente ans seront essentiellement destinées à mettre à distance les arbres dans l’étage dominant pour favoriser leur croissance et renforcer leur résistance au vent. Elles pourront également avoir comme objectif l’irrégularisation de ces peuplements dans la perspective de rendre plus pérenne dans le temps le paysage forestier aux abords des zones les plus fréquentées. Pourtant, aucune gestion ne prend encore en compte les effets futurs du climat sur le peuplement des bois. Actuellement, le choix des essences prend en compte de nombreux critères afin d’assurer aux peuplements considérés une croissance et une résistance optimales. La nature, la structure et la profondeur du sol, l’humidité atmosphérique, la lumière, la pluviométrie, l’exposition, sont autant de facteurs à prendre en considération au moment du choix des essences de reboisement. Le chêne sessile, présent historiquement et dont la longévité dépasse fréquemment 200 ans est mieux adapté au climat parisien que le chêne pédonculé. Il reste l’essence dominante du bois de Vincennes (60% des individus). Au-delà, les risques d’accidents phytosanitaires ou climatiques, souvent liés aux peuplements purs, seraient beaucoup trop importants pour l’avenir et la stabilité des peuplements. Le hêtre, quant à lui, souffre d’un déficit hygrométrique important et ne trouve pas sa station de prédilection dans les bois parisiens. Sa durée de survie est très incertaine. Les conifères, très employés depuis 1926, sont utilisés à présent avec circonspection, uniquement sur les stations dont les qualités pédologiques médiocres empêchent l’utilisation de feuillus et dans les sites où ils ont une importance dans le paysage (rénovation des pinèdes existantes). On préfére cependant des essences déjà bien adaptées comme le cèdre ou le pin laricio (moins sensible que le pin noir d’Autriche au parasite Sphaeropsis sapinea). Les mélèzes, malgré leur intérêt paysager, sont plantés avec précaution car leur sensibilité aux sécheresses et à la pollution atmosphérique se révèle importante [17]. Il s’agit des seuls aspects qui prennent en compte le climat dans le document de gestion arboricol. Dans des zones forestières urbaines, la prise en compte des édifices présents, des zones paysagères et des promenades est importante pour une gestion à long terme. Les gestions actuelles prennent en compte la fréquentation des forêts périurbaines. Text -400 - 0 0 - 200 200 - 400 400 - 600 600 - 800 No data 0 2.5 5 Kilometers Figure 5 : Flux net de carbone dégagé par Fontainebleau en gC/m2/an 4. Articulation avec les programmes régionaux, nationaux et européens : Sur le plan régional, le projet permettra, grâce au GDR, de soutenir le développement d’un programme pédagogique d’éveil à l’environnement et au climat en partenariat avec le monde scientifique pour l’étude de l’impact du réchauffement climatique. Il permettra également de soutenir les projets de différents instituts techniques tels que le CTIFL Sur le plan national ce projet s’articule d’ores et déjà dans de nombreux programmes de recherche nationaux soumis : Projet OPHELIE « Observations Phénologiques pour reconstruire le climat de l’Europe », dir. P. Yiou. ANR Blanche 2006-2008. Projet ORPHEE « Diversité fonctionnelle des arbres et réponse de l'écosystème forestier aux changements climatiques », dir. H. Jacqtel. ECOFOR 2006-2008. Projet PHENOFOR « Phénologie des essences forestières en France : constitution d’une base de données et modélisation », dir. I. Chuine & D. Loustau. MICCES-INRA 2004-2005. Sur le plan international, il s’articule également dans des programmes scientifiques tels que : Action européenne COST 725 Establishing a European Phenological Data Platform for Climatological Applications. (http://topshare.wur.nl/cost725). 2004 -2006. The GLOBE program, http://www.globe.gov/fsl/welcome.html Le GIS « Climat-Environnement-Société » Ile de France vise notamment à étudier les interactions entre la végétation et le climat. D’une manière générale, l’adaptation de la végétation et des forêts au changement climatique fait partie des priorités définies au niveau national (ANR Ecosystèmes, territoires, ressources vivantes et agricultures - SYSTERRA) et européen (Carboextrême, 7ème PCRD). 5. Autres projets ou collaborations conduits par les proposants sur le même sujet, notamment dans le contexte européen. Dans le but d’être pionnière dans l’étude du changement climatique, la division du Jardin Botanique de la Ville de Paris participe au projet d’observations phénologiques GDR SIP-GECC. Ce projet est d’initiative nationale et s’insère dans des projets de recherche à l’échelle régionale, nationale et internationale (voir le site Internet www.gdr2968.cnrs.fr). Il regroupe 23 organismes de recherche publique, 2 réseaux nationaux et 11 associations dont l’association des jardins botaniques de France et des pays francophones. La participation du Jardin Botanique de la Ville de Paris depuis 2007 permet de connaître les espèces de plantes les plus sensibles au changement climatique et ayant une faible capacité à s’adapter. Le but est d’établir des aires de conservation et des corridors pour faciliter la migration de ces espèces. L’ESE participe à l’ANR QDIV (2007-2010) qui a notamment pour but de comparer à l’échelle de la France les prédictions de la distribution géographique (actuelle et future), des principales espèces d’arbres forestiers au moyen de différents types de modèles (modèles de niche, modèles de processus, gap-models, DGVM) et de scenarios de changement climatique. Plan de recherche détaillé : 6. Objectif général, question traitée, résultats attendus et aspects innovants : Le but premier de ce projet est de devancer le changement climatique en apportant une gestion adaptée et anticipée de nos forêts périurbaines. Il s’agit alors d’étudier les effets prévisibles du changement climatique sur les essences étudiées, d’évaluer leur adaptation face à ces changements et d’en tirer un programme de coopération et de politique entre collectivités territoriales. Ce projet a pour objectif ultime de réunir les principaux acteurs publics pouvant agir dans le sens des recherches menées. Grâce à la collecte d’informations phénologiques et climatiques et aux simulations prospectives basées sur des scénarios de changement climatique plausibles, il sera possible de mettre en évidence et de comprendre les différences observées et prédites entre chaque site. Ainsi de façon graduelle un schéma d’adaptation des essences face à l’augmentation des températures pourra être dessiné. La Ville de Paris sera en mesure de présenter des nouvelles politiques d’atténuation applicables au niveau communal, régional ou même national. Il sera mis en place des méthodes d’application et des moyens de répondre à celles-ci. 7. Sites et cas retenus : La proposition de recherche est basée sur la comparaison phénologique de deux types de sites. Il s’agit du bois de Vincennes et bois de Boulogne en zone urbaine d’une part, avec des conditions climatiques propres à la ville, et la forêt de Fontainebleau d’autre part. Les forêts périurbaines présentent des températures plus élevées, une pluviométrie réduite et une concentration en CO2 importante. Le bois de Boulogne de 846 hectares et le bois de Vincennes de 995 hectares constituent les plus importants espaces verts de la capitale. Ensuite, la forêt de Fontainebleau qui se situe à 50 km de Paris est le deuxième type de site du projet. D’une surface de 17 000 hectares, elle bénéficie des conditions climatiques propres au bassin parisien au même titre que les bois de Vincennes et bois de Boulogne et présente des essences communes à ces derniers (38 % de Chênes et 11 % de Hêtre par exemple). Malgré cela, la forêt de Fontainebleau n’est pas affectée par les températures plus élevées que l’on peut trouver dans une grande agglomération comme Paris. Elle va nous permettre une comparaison forêt urbaine / forêt non-urbaine. 8. Programme de travail : hypothèses, méthodes, outils et protocoles envisagés, calendrier prévisionnel : Afin de poursuivre les objectifs présentés en 6) l’étude s’appuiera à la fois sur des observations phénologiques (bases de données et mesures sur les sites) et sur une approche de modélisation comprenant des modèles phénologiques et des modèles de fonctionnement. A partir de la base de données du GDR « Système d'Information Phénologique pour la Gestion et l'Etude des Changements Climatiques » différents modèles phénologiques seront calibrés pour les deux espèces retenues (Hêtre et Chêne). Ces modèles seront comparés et testés sur les données phénologiques disponibles pour les forêts étudiées. Le modèle sélectionné sera appliqué aux deux types de forêts sur les données climatiques des 50 dernières années afin d’étudier de manière comparative les modifications récentes de durée de la saison de végétation. Le modèle phénologique sélectionné sera intégré dans le modèle de fonctionnement des forêts développé à l’ESE (CASTANEA) de façon à comparer sur les 50 dernières années les bilans de carbone et la croissance entre les deux types de forêts. Un scénario climatique sur l’Ile de France (2010 – 2100) sera ensuite utilisé pour étendre la comparaison au climat futur sur une échelle de temps pertinente pour la gestion. Une étude statistique des différences mensuelles de températures entre les forêts périurbaines et non urbaines sera réalisée de manière à pouvoir créer un scénario de type « périurbain » prenant mieux en compte les effets de la ville que le scénario Ile de France général. Le fonctionnement simulé des deux types de forêt (phénologie, croissance) sera comparé dans le cadre de ces deux scénarios. Le modèle de fonctionnement sera utilisé pour expliquer et comprendre l’origine de ces différences simulées (présent/futur et Fontainebleau/Péri-urbain) et ainsi quantifier les effets des principaux facteurs climatiques sur les processus. Il est notamment important d’analyser les sensibilités de chacune des espèces et leur réponse face à ces scénarios. Programme par tâches : Tâche 1 : Mesures phénologiques des sites franciliens. (Par Eric Dufrêne ; Michel Neff ; Brigitte Serres) Le protocole de relevé phénologique suivi est celui du GDR SIP-GECC. Dans la forêt de Fontainebleau, le suivi des dates de débourrement du Charme, du Frêne, du Chêne sessile et du Hêtre a été réalisé pour les périodes de 1976-1984 et 1992 jusqu’à cette année par Eric Dufrêne et Jean-Yves Pontailler. Les observations sont faites au sein de deux réserves biologiques intégrales localisées sur la commune de Fontainebleau (48.5° N, 2.75°E). La date de débourrement est notée lorsque 50% des bourgeons présentent au moins une feuille développée sur 50% des arbres. Le bois de Vincennes fait l’objet de relevés phénologiques depuis 2007 par Michel Neff. Toutes les mesures, débutées avant ce projet, se poursuivront durant les trois années du projet et au-delà. Tâche 2 : Evaluation et sélection des modèles phénologiques au moyen des données du GDR SIP-GECC sur les sites Franciliens. (Par Nicolas Delpierre et le post-doctorant) Les données phénologiques provenant de la base de données du GDR SIP-GECC et rassemblées dans la tâche 1 vont être utilisées pour établir et valider des modèles phénologiques adaptés (formulation des modèles et ajustement des paramètres) Plusieurs modélisations du débourrement et du jaunissement ont déjà été créées au sein de l’ESE (cf. §3 Etude bibliographique commentée) et seront mises en œuvre au cours de cette tâche. La méthode suivie sera la suivante : i) Calibration et sélection des modèles sur la base de données du GDR ii) Comparaison des simulations de débourrement en climat passé sur les différentes forêts iii) Application des scénarios climatiques qui seront définies en 3) et analyse Tâche 3 : Détermination d’un scénario climatique « périurbain ». (Par Nicolas Delpierre et le postdoctorant) Afin de comparer les changements futurs en termes de phénologie et de croissance entre les forêts de Fontainebleau et les forêts Péri-Urbaines de 2000 à 2100 nous utiliserons des données climatiques simulées par le Modèle de Circulation Général ARPEGE [3] sous le scénario d’émission de CO2 A1B de l’IPCC (IPCC 2007). Le modèle ARPEGE original a une résolution spatiale de 60 km et une résolution temporelle de un jour. Une méthode de downscaling statistique a permis d’obtenir une résolution de 8 km [1]. On observe depuis les 30 dernières années une différence moyenne de +1.1°C entre les températures observées dans les forêts Péri-urbaines et à Fontainebleau. Nous souhaitons aller plus loin dans l’analyse de ces différences afin d’obtenir en climat futur des scénarios différenciés (entre Fontainebleau et Péri-Urbain) les plus réalistes possibles (et pas seulement appliquer un biais constant uniforme chaque jour). Les différences de températures seront analysées sur les 50 dernières années mois par mois et nous tenterons de trouver des relations explicatives entre ces biais mensuels et la température observée. On s’attend par exemple à ce que le différentiel Ville/Forêt soit plus grand pour les températures faibles et moins important pour les températures fortes (dans ce cas, et dans l’hypothèse d’un réchauffement climatique, on peut s’attendre à ce que la différence Ville/Forêt diminue avec les années). On appliquera les relations obtenues aux scénarios de climat pour obtenir deux scénarios climatiques Forêt périurbaine et Forêt non-urbaine ayant une différence la plus réaliste possible. Tâche 4 : Simulation et analyse de la croissance des forêts périurbaines et non-urbaines en climat actuel et futur ; Quantification du rôle de la phénologie (Par Nicolas Delpierre, Christophe François et le post-doctorant) : Le modèle CASTANEA (cf. §3 Etude bibliographique commentée) sera utilisé pour effectuer les simulations et expliquer et comprendre l’origine des différences observées entre les différentes simulations (présent/futur et Fontainebleau/Péri-urbain). On étudiera notamment le rôle de chacun des facteurs (phénologie, sécheresse, augmentation de CO2) en faisant des simulations sous contraintes où ces facteurs sont tour à tour annulés (fixés). Une approche analogue a déjà été utilisée dans Delpierre (2009), pour quantifier l’influence des facteurs biologiques (influence de la surface foliaire et des capacités photosynthétiques) et climatiques (rayonnement, température, sécheresse) sur la variabilité temporelle de photosynthèse de peuplements forestiers (Figure 6) Figure 6 : Proportion de variance temporelle (interannuelle) de photosynthèse expliquée par les facteurs climatiques et biologiques pour une pinède boréale (Hyytiälä, Finlande), calculée par le modèle CASTANEA. Extrait de Delpierre (2009). La méthode suivie sera la suivante : i) Faire des simulations avec Castanea sur les scénarios climatiques « Fontainebleau » et « périurbain » obtenus dans la tâche 3 pour deux cas contrastés de fertilité du sol (RU faible, azote foliaire faible vs. RU forte, azote foliaire fort). ii) Evaluer, dans les différents cas de fertilité étudiés, la différence de croissance et de développement des arbres entre 2010 et 2100 iii) Evaluer, dans les différents cas de fertilité étudiés, la différence de croissance et de développement des arbres entre Fontainebleau et périurbain. iv) Interpréter les résultats obtenus en ii) et iii) en utilisant le modèle Castanea pour quantifier la part de chaque facteur impliqué (augmentation du CO2, phénologie, stress hydrique) dans les différences de croissances constatées. Tâche 5 : Adaptation de la gestion (Par Laurent Bray) Ce projet de recherche permettra d’affiner les plans de gestion arboricole actuels dont l’échéance est en 2010 et d’en proposer de nouveaux prenant en compte les différents scénarios possibles d’évolution climatique. Des solutions pourront être proposées telles que la diversification des espèces permettant une réponse adaptée à tous les scénarios possibles et en pondérant leur répartition selon le degré de probabilité de chacun des scénarios. La mise en place de ces nouveaux plans de gestion fera appel aux compétences scientifiques et techniques d’organismes spécialisés (ECOFOR, ONF…) mais aussi en informant, en fédérant et en impliquant l’ensemble des collectivés territoriales limitrophes (communes et départements) ainsi que la région. i) prise de contact et réunion avec les représentants concernés des colectivités territoriales (communes, départements, les régions) ii). mise en place de partenariats aves des organismes gestionnaires d’espaces forestiers iii) recherches des différentes espèces ayant une meilleure adaptation au vu des premiers résultats du projet de recherche iv) recherche de méthodes de gestions mieux adaptées. Par exemple : - modification des classes d’âge, modification du ratio régénération direct/utilisation de plants forestiers, - diversification des essences, -adptation des techniques et des dates de dégagement des plants et semis, du dépressage, des éclaircies - ainsi que pour les plants forestiers de l’arrosage, des tailles de formation et d’élagage), modification de la répartition des prairies et des zones arborées) v). rédaction des plans de gestion adaptés à la forêt péri-urbaine (bois de Boulogne et bois de Vincennes) vi) propositions de gestion pour la forêt naturelle. Calendrier prévisionnel : TÂCHE 1 2 3 4 5 ANNEE 1 ANNEE 2 ANNEE 3 Les zones grisées correspondent aux pèriodes de mise en place des tâches. Les tâches citées dans le tableau sont celles listées ci-dessus. Expérience et moyens des équipes dans le domaine considéré : Depuis 20 ans l’ESE travaille sur l’étude et la simulation des effets du changement climatique sur les arbres et les écosystèmes forestiers. Tous les moyens nécessaires au projet (observations phénologiques, modèles, moyens de calcul) sont disponibles au laboratoire. (cf. http://www.ese.u-psud.fr/spip.php?rubrique45) Valorisation envisagée Les résultats attendus de cette étude sont à l’échelle régionale, nationale et internationale et s’articulent parfaitement dans une volonté de gestion synchronisée et durable des groupements arborés. C’est un projet de prédiction des évènements futurs par des modélisations et scénarios concrets en des sites originaux. Il est tourné vers des études d’impacts à l’échelle de cas particuliers qui sont les bois périurbains. Ce projet de recherche complétera les bases de données phénologiques déjà entamées par le GRD SIPGECC depuis 2006 et le RENECOFOR depuis 1992. La modélisation des deux scénarios d’évolution climatique pour chacun des sites permettra de mesurer les sensibilités propres à chaque essence, leur capacité d’adaptation et de croissance. Ceux-ci permettront de documenter l’adaptation des forêts jusqu’en 2100. Pour cela, les modèles déjà existants seront adaptés aux conditions particulières Outre les conférences et présentations, ce projet de recherche bénéficiera du potentiel de communication grand public de la Mairie de Paris. De plus, il sera important de se rapprocher de métropoles qui ont aussi la gestion de forêts peri-urbaines afin de transposer ce modèle prédictionnel destiné à préserver ces espaces boisés. A titre d’exemple, la forêt de Serra de Cantareira au Brésil (7 916 ha) joue non seulement les rôles des forêts péri-urbaines parisennes mais est aussi vitale pour les 16 millions d’habitants de Sao Paulo car elle sert de bassin de captage de l’eau potable de la ville. Publications de l’équipe en relation avec le projet : Ciais, P., Loustau, D., Bosc, A., Ogée, J., Dufrêne, E., François, C., David, H., Viovy; N., Delage, F., & S. Piao, 2010, How will the production of French forests respond to climate change ? An integrated analysis from site to country scale, in Forest, Carbon Cycle and Climate Change, Collection Science update, QUAE Editions,Versailles, ISBN 978-2-75920384-0, pp. 201-227. Davi, H., Dufrêne, E., Granier, A., Le Dantec, V., Barbaroux, B., François C., Bréda, N., and P. Montpied, 2005, Modelling carbon and water cycles in a beech forest. Part II: Validation for each individual processes from organ to stand scale, Ecological Modelling, 185:387-405. Davi, H., Dufrêne, E., François, C., le Maire, G., Loustau, D., Bosc, A., Rambal, S., Granier, A., and E. Moors, 2006, Sensitivity of water and carbon fluxes to climate changes from 1960 to 2100 in European forest ecosystems. Agricultural and Forest Meteorology, 141: 35-56. Davi H., Bouriaud O., Dufrêne E., Soudani K., Pontailler J.Y., le Maire G., François C., Bréda N., Granier A. and V. le Dantec, 2006, Effect of aggregating spatial parameters on modelling forest carbon and water fluxes. Agricultural and Forest Meteorology, 139: 269-287. Davi, H., Barbaroux, C., Dufrene, E., François, C., Montpied, P., Breda, N., and F. Badeck, 2008, Modelling leaf mass per area in forest canopy as affected by prevailing radiation conditions, Ecological Modelling, 211:339-349. Davi, H., Barbaroux, C., François, C. and E. Dufrêne, 2009, The fundamental role of reserves and hydraulic constraints in predicting LAI and carbon allocation in forests, Agr. Forest. Meteorol., 149(2):349-361 Davi, H., François, C., Ogée, J., Dufrêne, E., Ciais, P., Bosc., A., & G. le Maire, 2010, Modelling fools for predicting the carbon cycle, in Forest, Carbon Cycle and Climate Change, Collection Science update, QUAE Editions , Versailles, ISBN 978-2-7592-0384-0, pp 173-199. Delpierre N; These de doctorat, 2009, Etude du déterminisme des variations interannuelles des échanges carbonés entre les écosystèmes forestiers européens et l’atmosphère : une approche basée sur la modélisation des processus. Delpierre N., Dufrêne E., Soudani K., Ulrich E., Cecchini S., Boé J. and C. François, 2009, Modelling interannual and spatial variability of leaf senescence for three deciduous tree species in France. Agricultural and Forest Meteorology, 149(67):938-948. Delpierre N., Soudani K., François C., Köstner B., Pontailler JY., Aubinet M., Bernhofer C., Granier A., Grunwald T., Heinesch B., Longdoz B., Misson L., Nikinmaa E., Ourcival JM., Rambal S., Vesala I. and E. Dufrêne, 2009, Exceptional carbon uptake in European forests during the warm spring of 2007: a data-model analysis. Global Change Biology 15(6):1455-1474. Dufrêne, E., H. Davi, C. François, G. le Maire, V. Le Dantec and A. Granier, 2005, Modelling carbon and water cycles in a Beech forest. Part I: Model description and uncertainty analysis on modelled NEE, Ecological Modelling, 185:407-436. le Maire, G., Davi, H., Soudani, K., François, C., Le Dantec, V. and E. Dufrêne, 2005, Modelling annual production and carbon dioxide fluxes of a large managed temperate forest using forest inventories, satellite data and field measurements, Tree Physiology, 25:859-872. le Maire, G., François, C., Soudani, K., Berveiller, D., Pontailler, J-Y, Bréda, N., Genet, H., Davi, H. and E. Dufrêne, 2008, Calibration and validation of hyperspectral indices for the estimation of biochemical and biophysical parameters of broadleaves forest canopies, Remote Sensing of Environment, 112(10):3846-3864. Loustau, D., Bosc, A., Colin, A., Davi, H., François, C., Dufrêne, E., Déqué, M., Cloppet, E., Arrouays, D., Le Bas, C., Saby, N., Pignard, G., Hamza, N., Granier, A., Breda, N., Ciais, P., Viovy, N., Ogée, J., and J. Delage, 2005, Modelling the climate change effects on the potential production of French plains forests at the sub-regional level, Tree Physiology, 25: 813-823. Vitasse, Y., Delpierre, N., François, C., Chuine, I., Dufrêne, E., Kremer, A. & Delzon, S. (in prep.) Assessing the effects of forecasted climate change on the growing season length of European temperate trees species along an altitudinal gradient. Global Change Biology. Références bibliographiques : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. Boe, J., L. Terray, F. Habets, and E. Martin. 2006. A simple statistical-dynamical downscaling scheme based on weather types and conditional resampling. Journal of Geophysical Research-Atmospheres 111. Christian Lévêque et Jean-Claude Mounoulou ; Biodiversité, Dynamique biologique et conservtion -2008-DUNOD Cannell, M. G. R. & Smith, R. I. (1983) Thermal Time, Chill Days and Prediction of Budburst in Picea-Sitchensis. 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Dufrêne, E., H. Davi, C. François, G. le Maire, V. Le Dantec and A. Granier, 2005, Modelling carbon and water cycles in a Beech forest. Part I: Model description and uncertainty analysis on modelled NEE, Ecological Modelling, 185:407-436. Hanninen, H. & Kramer, K. (2007) A framework for modelling the annual cycle of trees in boreal and temperate regions. Silva Fennica, 41, 167-205. le Maire, G., Davi, H., Soudani, K., François, C., Le Dantec, V. and E. Dufrêne, 2005, Modelling annual production and carbon dioxide fluxes of a large managed temperate forest using forest inventories, satellite data and field measurements, Tree Physiology, 25:859-872. Loustau, D., Bosc, A., Colin, A., Davi, H., François, C., Dufrêne, E., Déqué, M., Cloppet, E., Arrouays, D., Le Bas, C., Saby, N., Pignard, G., Hamza, N., Granier, A., Breda, N., Ciais, P., Viovy, N., Ogée, J., and J. 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Marcel Bournérias, Gérard Arnal, Christian Bock ; Guide des groupements végétaux de la région parisiennePlan de gestion arboricole 2006-2020 du bois de Vincennes et du bois de Boulogne. Réaumur, R. A. (1735) Observations du thermomètre faites à Paris pendant l’année MDCCXXXV comparées à celles qui ont été faites sous la ligne, à l’Isle-de-France, à Alger, et en quelques-unes de nos Isles de l’Amérique. Mémoires de l’Académie Royale des Sciences, 545–76. Réseau action climat France Vitasse, Y., Delpierre, N., François, C., Chuine, I., Dufrêne, E., Kremer, A. & Delzon, S. (in prep.) Assessing the effects of forecasted climate change on the growing season length of European temperate trees species along an altitudinal gradient. Global Change Biology. www.effet-de-serre.gouv.fr www.onf.fr/renecofor