PEATWARM Effects of simulated climatic warming on C sink function Sphagnum

PEATWARM
Effects of simulated climatic warming on C sink function
of a temperate Sphagnum-peatland
VMCS-2007 (2008 - 2011)
http://peatwarm.cnrs-orleans.fr
Coord. : Fatima LAGGOUN-DéFARGE - [email protected]
ISTO (Institut des Sciences de la Terre d’Orléans) / OSUC
INSU-CNRS / Université d’Orléans / BRGM
Partenaires / coordinateurs des WPs :
Autres collaborations :
1. ISTO - CNRS /Univ Orléans / BRGM – F. LAGGOUN-DEFARGE et coll.
2. Chrono-Envir.- CNRS/ Univ. Franche-Comté, Besançon – D. GILBERT
3. EEF - INRA /Univ Nancy – D. EPRON et coll.
4. ECOBIO - CNRS / Univ Rennes - André-Jean FRANCEZ
5. LPC2E - CNRS/Univ Orléans – C. GUIMBAUD et coll.
6. Synth & Réact Susbt Nat. CNRS/Univ Poitiers – L. GRASSET
7. EPFL/WSL, Lausanne – A. BUTTLER et coll.
• BioEmco, Paris VI
• Univ. de Neuchâtel (Suisse)
• Univ de Ferrara (Italie)
Labellisation par le pôle de compétitivité DREAM Eau & Milieux
E COB IO
UMR 6553
Rappel du contexte et des enjeux
Un stockage important de C à l’échelle globale…
Surface des
tourbières (~3%)
Stock de C dans les
tourbières (~33%)
Rôle important dans la
régulation du cycle global du C
Surface continentale C des sols mondiaux
(1400 Gt)
Forte vulnérabilité au CC… de par la distribution géographique
T°C moy. de surface prévue pour la fin du XXIe siècle
Distribution mondiale des tourbières
(scénario A1B du SRES, GIEC 2007)
80% !
+ 4 à 6°C !
Identifier les rétroactions (>0 ou <0) ‘climat et les tourbières’ :
non prise en compte dans les modèles climatiques globaux !
Quel est l’impact du bilan de C des tourbières sur les CC ?
Quels sont les effets des CC (réchauffement) sur la dynamique du C des tourbières ?
Colloque Changements Environnementaux –
PEATWARM
21 et 22 mai 2012
Objectifs du projet
Impact du réchauffement climatique simulé in situ sur :
Groupements fonctionnels de la végétation
Diversité et activité des communautés
microbiennes
Dynamique de la MO labile et récalcitrante
Interactions plantes-microbes-macrofaune
(transferts CNS)
Modèle biogéochmique du C couplé aux cycles N et S
(marquage 13C - 15N - 34S)
Calibration de proxies de température et d’humidité
Flux de CH4 et CO2 (13C du CO2 respiré)
Reconstitution «quantitative» du climat au cours
de l’Holocène récent
Colloque Changements Environnementaux –
PEATWARM
21 et 22 mai 2012
Approche et acquis du projet
Expérimentation
Observation /Suivi in situ
Analyse
Modélisation
- in situ
- en labo
- évolution de la T°C
- facteurs de réponse
- microbiol
- biogéochim.
- réseaux trophiques
- C couplé N
Acquis majeurs :
Innovation technique : développement de chambres automatiques avec
analyseur IR (mesure en continu du CO2) et SPIRIT Spectromètre IR in situ
Troposphérique développé par le LPC2E (brevet) : mesure en temps réel du CH4
et N2O à Hte fréquence, avec une Gde sensibilité et précision (Gogo et al., 2011,
JSS ; Guimbaud et al., 2011, MST)
Instrumentation du site de Frasne (25) : essaimage du dispositif expérimental
dans d’autres sites (Pologne, Sibérie) + BDD (facteurs forçants et variables de
réponse) en cours
Effet du réchauffement sur les interactions « sphaignes – micro-organismes –
C labile » : compartiments-clé de l’écosystème (Etude in situ)
Impact du rehaussement de la T°C (12 vs 15°C) sur les interactions biotiques
et le couplage CNS en conditions contrôlées (chambres climatiques)
Modèles ‘C – réseaux trophiques’ et ‘couplage cycles du C et N’
Calibration de proxies de température et paléoenvironnement de l’Holocène à
partir d’une carotte (4m, 7400 ans cal. BP)
Instrumentation du site et dispositifs expérimentaux
Tourbière de Frasne (25, jura)
Simulation in situ de la hausse de T°C
Gradient d’humidité : WET => DRY
OPEN TOP CHAMBERS protocole
standardisé ITEX
OTC
installés
en mai
2008
Scénario climatique envisagé :
T°C 1-3°C selon les modèles de prévision
clim. région. (IPCC, 2007)
Anneaux gaz (mesures
CO2 & CH4)
Piézo à -15, -25, -40cm
(physico-bio-chimie de l’eau)
48 thermocouples (+10, -7,
-20 et -50 cm)
(-15, -25, -40cm)
12 capteurs de pression
(suivi niveau nappe d’eau)
Carottage de tourbe
Cadre de végétation (suivi
des groupements
fonctionnels)
Cranked wire (Monitoring
densité & croissance des
sphaignes)
+10cm
-7cm
-20cm
-50cm
Effet OTC sur le température de l’air et du sol
Température de l’air (à +10cm)
température moy. entre OTC et Contrôle (Dry et Wet)
2009 - 2011 : Réchauffement de l’air de
≈1°C (temp. Moy.) dans les OTCs vs CTL
Temp. max ≈ 3°C
Température du sol (-7cm)
Variation des températures moyennes journalières à -7cm.
25,0
Températures moy. journalières du sol (à -7cm)
- 4 traitements
20,0
• Réponse OTC f(Humidité du sol)
• Tendance au réchauffement en DRY et
l’inverse dans le WET
15,0
Dry Control
Dry OTC
Wet Control
Wet OTC
10,0
Nécessité d’un suivi en continu de
l’humidité du sol
5,0
0,0
oct.-08
-5,0
janv.-09
avr.-09
juil.-09
oct.-09
janv.-10
avr.-10
2008
juil.-10
oct.-10
janv.-11
avr.-11
juil.-11
oct.-11
2011
date
Delarue et al., OG, 2011
Jassey et al., GCB, 2011
Effets des OTCs sur la dynamique de la MO et les phénols hydrosolubles
Analyse de redondance (RDA) des relevés de
végétation
de spe.hel
juillet
2008,
2009 et juillet 2010
Triplot RDA
~ env
- scalingjuillet
3 with LC scores
0.6
Comparaison OTCs - Contrôles, juin 2009
0.4
Pas d’effet OTC
Andr.pol.
Car.rostr.
2-09
Pol.strict.
2-10
2-08
3-10
1-10
9-099-10
3-09Aggreg1 8-09
Sph.fal.rub
1-09
12-10
8-10
7-09
8-08
7-08
OTC2 7-10
1-08
11-10
Bloc1 3-08Cal.vulg.
Bloc2 9-08
Pin.rot. 10-09
Erioph.vag.
12-08
Litière 5-10OTC1
Car.lim.10-10
Sch.pal.
12-09
Aggreg2
5-09
10-08
4-10
4-08 5-08Car.pauc.
6-10
11-08
6-08
11-09
6-09
4-09
Dros.rot. Vac.oxyc
0.0
-0.2
RDA2
0.2
WET
DRY
Suivi mensuel (en 2009) des teneurs des phénols
hydrosolubles
-0.4
Sph.magel.
Buttler, non publié
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
RDA1
Changement de composition des plantes
Décomposition + importante
Diminution de l’effet inhibiteur sur les activités enzymatiques,
notamment les péroxydases
Jassey et al., 2012 (SBB)
Delarue et al., 2011, OG
Jassey et al., 2011, GCB
Effets des OTCs sur la structure des communautés microbiennes
Prélèvements de juin 2008, 2009, 2010
+1 C
- 20%
(Bactéries, champignons)
(Amibes à thèque, ciliés, flagellés)
Contrôle
+ 20%
Proportion relative de la biomasse des CM
OTCs
+1 C
-70% biomasse des amibes à thèque (top-prédateurs)
Moindre pression de prédation sur les réseaux trophiques inférieurs (bactérivores)
Jassey et al., 2010
Jassey et al., soumis
Colloque Changements Environnementaux –
Développement des bactéries stimulé dans les OTCs
PEATWARM
21 et 22 mai 2012
Impact des OTCs sur les interactions ‘sphaignes-microorganismes-C labile’
Mesures in situ et analyse des prélèvements mensuels et annuels
Réchauffement
climatique simulé
Pas d’effet significatif
CO2 ?
Plantes
vasculaires
Pas d’effet
Respiration
autotrophe
+
+
Humidité
du sol
Sphaignes
Peroxydases
Polyphénols
Recyclage des
nutriments
+
Delarue et al., 2011
Huguet et al, 2011
Jassey et al., 2011
Jassey et al., soumis
C labile (MO
hydrosoluble)
+ et -
Phénoloxydases
β-glucosydases
Communautés
microbiennes
Respiration
hétérotrope
Réponse + rapide des interactions ‘sphaignes-microorganismes-C labile’ que les
émissions de gaz
Colloque Changements Environnementaux –
PEATWARM
21 et 22 mai 2012
Flux et turnover C-N-S analysés par traçage isotopique sur des échantillons récoltés après 28 mois de
traitement OTCs :
-
flux C sphaignes significativement affectés par la hausse de T°C
pas de modification des flux de CO2
WET Control
WET OTCs
DRY Control
ANOVAs
CO2
C : FvsB ***
vasculaires
C : FvsB ***
N : FvsB **
S : FvsB *
sphaignes
C : FvsB * ; C-OTC***
N : ns
S : ns
enchytréides
C : nd
N : nd
S : nd
tourbe
C : FvsB (P = 0.073)
N : FvsB *
S : ns
CO2
524±62 mg
C-CO2.m-2.j-1
vasculaires
2±1 mgC.m-2.j-1
0.1±0.0 mgN.m-2.j-1
5±4 µgS.m-2.j-1
sphaignes
8±3 mgC.m-2.j-1
0.5±0.2 mgN.m-2.j-1
4±3 µgS.m-2.j-1
enchytréides
56 µgC.m-2.j-1
2.7 µgN.m-2.j-1
0.1 µgS.m-2.j-1
tourbe
123±32 mgC.m-2.j-1
4.0±1.2 mgN.m-2.j-1
265±78 µgS.m-2.j-1
CO2
732±58 mg
C-CO2.m-2.j-1
vasculaires
6±1 mgC.m-2.j-1
0.3±0.1 mgN.m-2.j-1
18±7 µgS.m-2.j-1
sphaignes
12±4 mgC.m-2.j-1
0.5±0.2 mgN.m-2.j-1
4±3 µgS.m-2.j-1
enchytréides
101 µgC.m-2.j-1
5.9 µgN.m-2.j-1
0.3 µgS.m-2.j-1
tourbe
253±71 mgC.m-2.j-1
7.9±2.0 mgN.m-2.j-1
219±92 µgS.m-2.j-1
CO2
498±51 mg
C-CO2.m-2.j-1
vasculaires
1±0 mgC.m-2.j-1
0.1±0.0 mgN.m-2.j-1
9±3 µgS.m-2.j-1
sphaignes
1±1 mgC.m-2.j-1
0.3±0.1 mgN.m-2.j-1
1±1 µgS.m-2.j-1
enchytréides
32 µgC.m-2.j-1
1.7 µgN.m-2.j-1
0.2 µgS.m-2.j-1
tourbe
186±32 mgC.m-2.j-1
6.3±1.2 mgN.m-2.j-1
319±96 µgS.m-2.j-1
Gicquel, 2012, thèse
OTCs
+1 C
DRY OTCs
CO2
766±76 mg
C-CO2.m-2.j-1
vasculaires
8±3 mgC.m-2.j-1
0.4±0.2 mgN.m-2.j-1
26±11 µgS.m-2.j-1
sphaignes
5±2 mgC.m-2.j-1
0.3±0.1 mgN.m-2.j-1
10±11 µgS.m-2.j-1
enchytréides
89 µgC.m-2.j-1
5.1 µgN.m-2.j-1
0.1 µgS.m-2.j-1
tourbe
239±64 mgC.m-2.j-1
9.6±2.4 mgN.m-2.j-1
132±61 µgS.m-2.j-1
Conclusions et perspectives
Le réchauffement climatique induit par les OTCs conduit à :
• Modification significative des interactions « sphaignes – micro-organismes – C labile » via
une accélération potentielle du recyclage des nutriments.
• Modification des flux d’éléments (turnover du C) dans les Sphaignes, espèce ingénieur de
l’édification des tourbières.
• Réponses différentes selon le degré d’humidité du sol (« bas-marais, humide vs hautmarais, sec » => habitats des tourbières ne répondraient pas d’une manière similaire aux
forçages climatiques.
=> Monitoring de l’humidité du sol
=> Manipulation du niveau de la nappe d’eau : projets CLIMPEAT et INTERACT
• Instrumentation du site
=> Service d’Observation « Tourbières » labellisé par l’INSU en 2011
=> Projet ClimMireSiber (Pologne – Sibérie)
CliMireSiber ”Functioning of Siberian mire ecosystems and their response to climate changes”
• Analyser l’influence des forçages climatiques sur les flux et bilans de C par l’utilisation de 2 approches
complémentaires : des simulations expérimentales et un gradient climatique naturel
2 facteurs climatiques simulés
tempéré océanique
sub-arctique continental
Manipulation de la température
Mukhrino Unesco
Station (Siberia)
Open Top
Chambers
Linje Mire (Poland)
SO Tourbières
Manipulation du niveau de la nappe d’eau
Soil surface
Adjusting
height/depth as
to water table
Projet CLIMIRESIBER
3 water table : control, low, high
• Vers un Centre franco-sibérien de
Formation et de Recherche (DERCI
CNRS & MESR)
• Programme ANR « Sibérie » ?
• ISTO (Coord.)
• LPC2E (Orléans), ECOBIO (Rennes), Chrono-Envir. (Besançon)
• WSL / EPFL Lausanne & Neuchâtel (Switzerland)
• University of Poznan (Poland)
• Yugra State University (Khanty-Mansiysk, Siberia)
Valorisation des résultats
- 3 thèses soutenues :
=> F. Delarue : ISTO, Orléans, nov. 2010 – en postdoc à l’ISTO sur ANR Archaemat
=> V. Jassey : Chrono-Environnement, Besançon, nov 2011 – en postdoc à EPFL sur
projet
CLIMPEAT (Suisse, Pologne, France)
=> A. Gicquel : ECOBIO, Rennes, juin 2012 – en postdoc à l’ISTO sur projet CARBIODIV ?
Merci de votre
attention
Merci à…
- ISTO, Orléans : F. Delarue, S. Gogo, J.R.
Disnar, C. Défarge, S. Binet, P. Gautret, P.
Albéric, N. Lottier, M. Hatton, C. Le Milbeau
- ECOBIO, Rennes : A.J. Francez, A.
Gicquel, F. Binet, D. Jusselme, F. Binet, N.
Josselin, C. Wolf
- EPFL, Lausanne : A. Buttler, L. Bragazza
- Lab. Soil Biol., Neuchâtel : E. Mitchell
- Chrono-Envir., Besançon : D. Gilbert, V.
Jassey, P. Binet, G. Chiapusio, ML Toussaint,
N. Bernard
- BioEmco, Paris : A. Huguet, S. Derenne
- LSRSN, Poitiers : L. Grasset
- EEF, Nancy : D. Epron, P. Priault, C. Plain
- LPC2E, Orléans : C. Guimbaud, V.
Catoire, C. Robert, S. Chevrier, G.
Chalumeau, M. Chartier, L. Pomathiod
- GEOHYD : D. Pierre, L. Thomas, V. Essayan