Réponse à l`APR GICC 2010 - GIP

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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:
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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
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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
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