Vulnerabilité des écosystèmes méditerranéens aux

Vulnerabilité des écosystèmes méditerranéens aux changements climatiques : approche
régionale par modélisation
Mots clés : modèle dynamique et fonctionnel de végétation, paysage, région, climat,
incendies
Spécialité : FENEC
Directeur : Rambal S.
Co directeur : F. Mouillot
Labo : CEFE-CNRS / IRD
Equipe : DREAM
Financement : MRT ou BDI (sur concours). Financement des projets ANR MESOEROS,
DROUGHT+.
Date : début Octobre 2008
Domaine scientifique : Ecologie fonctionnelle, biogéographie, modélisation.
Mots clé : changements climatiques, méditerranée, languedoc-roussillon, modélisation,
dynamique de végétation, perturbation, paysage/région.
Encadrement : Cette thèse sera encadrée par S. Rambal et F. Mouillot. Le doctorant
bénéficiera de l’appui logistique de la plate forme Système d’information Géographique du
CEFE/CNRS et des données météo des programmes DROUGHT+ et MESOEROS (réelles et
scenarios).
Résumé :Cette thèse a pour objectif de d’évaluer la vulnérabilité (passée et future) des
écosystèmes naturels méditerranéens aux changements globaux (climat et utilisation du
paysage) à une échelle régionale en prenant en compte l’impact direct du climat sur la
végétation et les impacts indirects comme les perturbations (incendies) et les activités
humaines.
Contexte : La réponse des écosystèmes naturels à un climat donné est étudiée soit en terme
d’aire de répartition favorable à la présence des espèces (les zones bioclimatiques), soit en
terme de fonctionnements à différentes échelles, de la feuille (photosynthèse, échanges
CO2/eau) jusqu a l’écosystème (croissance des individus, flux C/eau, densité/couvert). Les
échanges biosphère-atmosphère sont particulièrement étudiés dans le but de connaître le
potentiel d’absorption de carbone des écosystèmes en vue de limiter l’augmentation du CO2
atmosphérique engagé depuis le début du 20ième siècle. Dans ce contexte, on s’intéresse à la
sensibilité du fonctionnement de la végétation à la variabilité climatique, en particulier lors
d’évènements stressants ou de perturbations: la vulnérabilité de l’écosystème intègre la
fréquence des ces événements ainsi que la résistance et la résilience de l’écosystème à ce
stress (Luers 2003). Cette question de la vulnérabilité d’un écosystème est dépendante du
niveau d’organisation auquel on l’étudie et peut être spatialement hétérogène à l’échelle des
paysage ou de la région, notamment du fait de phénomènes locaux (sol, topographie) ou

propagatifs (incendies, infections, parasites, utilisation du paysage). Une approche
hiérarchisée permet de pondérer l’impact des stress ou perturbations locales en prenant en
compte les processus au niveau supérieur comme la dispersion intervenant dans la dynamique
végétale post-incendie par exemple.
Dans la région méditerranéenne française, le climat est caractérisé par une sécheresse estivale
prononcée, couplée à des températures élevées. Les espèces dominantes (Quercus ilex et
Pinus halepensis pour les arbres, Cistus spp. Arbutus unedo, Erica arborea, Quercus coccifera
pour les buissons) répondent particulièrement bien à la sécheresse et/ou aux perturbations
comme les incendies, conduisant à une diversité fonctionnelle des paysages très résiliente à
la variabilité climatique. Cependant, on observe pendant les événements extrêmes (sécheresse
et vague de chaleur) des réponses locales inhabituelles dans ces écosystèmes, comme son
fonctionnement direct (Rambal et al. 2003, Ciais et al. 2005), mais aussi une surmortalité des
individus (Lloret et al. 2004) ou de grands incendies (Rambal and Hoff 1997). Dans un
contexte de changement global où les modèles météorologiques prévoient une augmentation
des sécheresses estivales et une augmentation des températures dans le bassin méditerranéen
(Gibelin and Deque 2003), on s’intéresse à la réponse à long terme de la végétation
méditerranéenne au niveau régional. Ce projet s’intègre dans le cadre de l’ANR
‘vulnérabilité : climat et environnement’ où des travaux sur les écosystèmes seront menées sur
le gradient climatique méditerranéen, à la fois sous son régime actuel mais aussi manipulé par
exclusion de pluie et éclaircies. L’importance des données disponibles à toutes les échelles de
l’écophysiologie de la feuille à l’écologie des paysages, les mesures continues sur un
écosystème modèle, les manipulations expérimentales et les suivis à long terme faciliteront la
calibration et la validation des modèles utilisés.
Objectifs :
Le travail de thèse sera basé sur l’amélioration et l’utilisation des outils de modélisation dans
leur contexte spatialement explicite afin de fournir des simulations de dynamique et de
fonctionnement de la végétation sur la région méditerranéenne française. La diversité
fonctionnelle des espèces dominantes (résistance à la sécheresse, résilience aux perturbations
et dispersion) sera particulièrement prise en compte. Le candidat devra maîtriser les concepts
d’écophysiologie végétale, et s’intéresser à la programmation, la biogéographie, la
télédétection et les systèmes d’information géographique.
Présentation détaillée :
La première partie du sujet de thèse sera la mise en place des données régionales spatialisées
de climatologie, de pédologie et de végétation au sein d’un SIG afin de fournir les principaux
paramètres nécessaires au fonctionnement du modèle de végétation. Nous utiliserons la base
de données climatique SAFRAN, de résolution temporelle journalière et de résolution spatiale
8kms, disponible pour la France comme référence pour la période 1970-2006. Les données
météorologiques simulées (2070-2100) par les principaux modèles météo de l’IPCC seront
analysées et spatialement interpolées afin de fournir un scneario journalier spatialement
explicite à 1km de résolution pour al période 2070-2100. Les cartes générées au niveau
régional seront analysées en terme de risque climatique (sécheresse, vagues de chaleur,
orages) et seront comparés aux indicateur de vulnérabilité de l’écosystème (incendie, surface
foliaire, teneur en eau de la végétation obtenus par télédétection). La dynamique de la
végétation sera reconstituée à partir de l’Atlas régional Languedoc Roussillon (1964) et de
l’inventaire forestier actuel, ainsi que les différents produits de télédétection actuels
disponivbles à 1km de résolution (NDVI, Tree cover). Seront ajoutés les incendies (base
prométhée 1973-2007) et les données de recensement de population afin de proposer un

modèle empirique d’utilisation du paysage et de proposer une analyse croisée des différents
facteurs de dynamique de la végétation en languedoc-roussillon au cours des 40 dernières
années.
La deuxième partie du sujet de thèse consistera en une utilisation approfondie du modèle de
dynamique et de fonctionnement des écosystèmes SIERRA (Mouillot et al. 2001,2002) sous
forme d’expérimentations numériques. Des modifications du code source seront à envisager.
i) l’étudiant effectuera des validations locales du modèle sur le fonctionnement des
écosystèmes à Quercus ilex et Pinus halepensis étudiés au sein du programme ANR
DROUGHT+ sous leur contrainte climatique actuelle et sous l’expérimentation d’interception
de pluie, et ceci, à divers niveau de densité d’individus, de diversité de composition des
communautés. Cet exercice permettra de répondre à la question du role de la diversité
fonctionnelle dans la vulnérabilité des écosystèmes à la variabilité climatique : les
communautés mixtes avec sous-bois sont elles plus vulnérables que les écosystèmes
uniformes ?
ii) dans le contexte ou le modèle a été construit pour des applications au niveau des
paysages (30m de résolution), l’étudiant testera la sensibilité du modèle aux variables
climatiques et environnementales dans leur spectre de valeur, mais aussi dans leur résolution
spatiale et temporelle afin d’identifier les processus sensibles au changement d’échelle,
notamment la compétition interspécifique en terme de ressource en eau au travers de la
compétition racinaire.
iii) enfin, l’étudiant développera le module des flux de respiration du sol, à partir de
différents modèles existant comme le modèle le plus générique CENTURY (Parton et al.
1992) ou des modèles plus simples mais plus adaptés aux milieux limités en eau (Reichstein
et al. 2003), tout en développant la spécificité de la décomposition des résidus post incendies
peu ou non-pris en compte dans les modèles existants.
Dans la troisième partie de la thèse, l’étudiant s’attachera à appliquer le modèle SIERRA aux
scenarios de climat reconstitués dans le but de fournir des cartes régionales de modification de
la végétation en terme de biomasse, de surface foliaire, et de fonctionnement (bilan carbone et
eau) et d’identifier les zones les plus susceptibles à être vulnérables au changements
climatique, en terme de conservation de la diversité fonctionnelle et de maintient des
principaux services de l’écosystème (ressources agro-sylvo-pastorale, ressource en eau). Nous
travaillerons finalement sur les indices de sécheresse (intensité, durée) afin d’estimer le risque
d’incendie basé sur les températures et l’hydrique de la végétation et d’insérer ce paramètre
dans l’indice de vulnérabilité. Une analyse de la base de données incendies ‘prométhée’ sur la
region mediterranéenne en relation avec le climat sur la période 1970-2005, nous servira pour
calibrer la variabilité spatiale et temporelle des risques d’incendie au niveau régional dont les
facteurs humains sont aussi importants. La finalité du travail sera un couplage avec des
modèles de propagation d’incendies empiriques (au niveau de bassins versants tests, et à
l’échelle régionale) et des modèles d’érosion (projet MESOEROS) afin de simuler réellement
les surfaces incendiées, les flux de combustion associés (végétation et sols), et les rétroactions
sur les conditions édaphiques (érosion, ruissellement, contenu en azote et phosphore) et, au
final, de la dynamique de végétation qui en résulte (Cary et al 2006).
Résultats attendus :
- Compilation d’une base de données régionale climatique, des principaux de
végétation, et des facteurs humains (population, incendies) sur la période 1970-

2007 et identification des principaux processus régionaux de la dynamique des
paysages dans l objectif de créer un modèle empirique d’utilisation du paysage.
- Modélisation des flux eau/carbone à l’échelle régionale en prenant en compte la
variabilité spatiale des caractères édaphiques et climatiques. Développement d’un
module flux associés aux incendies (combustion, décompositon, volatilisation N/P
du sol), et croisements aux modèles d’érosion et de propagation des incendies pour
un modèle générique de dynamique des paysages.
- Proposition de scenarios futurs de la composition des paysages et des services de
l’écosystème au niveau régional.
Références :
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Ciais P, Reichstein M, Viovy N, Granier A, Ogee J, Allard V, Aubinet M, Buchmann N,
Bernhofer C, Carrara A, Chevallier F, De Noblet N, Friend AD, Friedlingstein P, Grunwald T,
Heinesch B, Keronen P, Knohl A, Krinner G, Loustau D, Manca G, Matteucci G, Miglietta F,
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