Impact du changement climatique sur la respiration des écosystèmes UNITE DE PHYSIQUE DES BIOSYSTEMES Didier SALMON Pierre HENROTTE Marc AUBINET Bernard HEINESCH Christine MOUREAUX Michel YERNAUX Alain DEBACQ Christian FEIGENWINTER Quentin LAFINNEUR Marie SULEAU
WWW.carboschools.org
Contexte général : changement global Changement climatique global Augmentation des concentrations atmosphérique en gaz à effet de serre pendant l ère industrielle (www.ipcc.ch) Augmentation de la température 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1.5 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 (www.ipcc.ch)
Contexte général : changement global Carbon cycle behaviour over multiple glacial cycles Narrow range of CO 2 variation: ~180 ppm to ~280 ppm Warm deglaciation, 280 ppm Cold glaciation, 180 ppm Petit et al., 1999
Contexte général : le cycle du carbone Schimel, Global Change Biology, 1995
Contexte général : le cycle du carbone Atmospheric accumulation rate 3.2 GtC per year 1990s Atmosphere Surface biosphere 6.3 F Fuel, Cement 2.2 Land-Use Change 2.9 Land Uptake 2.4 Ocean Uptake Gruber et al, SCOPE project
Contexte général : le cycle du carbone Nous sommes en mesure d esquisser certaines conséquences du changement climatique, mais notre connaissance de la structure et du fonctionnement des écosystèmes terrestres n est pas développée à un degré suffisant pour pouvoir comprendre (et encore moins prédire) ses conséquences sur les écosystèmes eux-mêmes, d une part parce que nous comprenons encore mal la plupart des processus naturels en jeu, et d autre part parce que l avenir des activités humaines est imprévisible à long terme. (Programme international géosphère-biosphère, 1991)
Vulnerability Risk over the coming of the century Carbon of up Cycle to 200 ppm in of the atmospheric 21 st Century CO 2 Not included in most climate simulations. Hot Spots of the Carbon-Climate-Human System Land Permafrost HL Peatlands T Peatlands Veg.-Fire/LUC Oceans CH 4 Hydrates Biological Pump Solubility Pump GCP 2005
Contexte général : le cycle du carbone Le feed-back entre la biosphère terrestre et le cycle du carbone est important et régulièrement mal estimé dans la plupart des modèles de changement global.
Contexte général : les échanges de CO 2 Flux turbulents Flux diffusifs feuilles Flux diffusifs sol
Contexte général : Réseau mondial CARBOEUROPE IP/Fluxnet 2004
Objectifs de CarboEurope quel est le bilan de carbone de l Europe: Quelle quantité de CO 2 émet-elle, et quelle quantité absorbe-t-elle? Comment réduire les incertitudes dans notre estimation de ce bilan aux échelles locales, régionales et continentale? Quels mécanismes contrôlent ces échanges de CO 2? Comment les perturbations humaines en particulier le réchauffement climatique et les changements d utilisation des terres influencent-elles ces mécanismes et donc le bilan européen de carbone?
Table des matières de nos recherches 2. Exemple de l impact de la
Site de Vielsam Site de Lonzée
Echange net de l'écosystème (NEE) = photosynthèse respiration = Gross Primary Production (GPP) Total Ecosystem Respiration (TER) respiration photosynthèse respiration respiration
NEE = GPP - TER
Présentation Mesure de l'échange net de l'écosystème (NEE) par la technique de covariance de turbulence
Présentation Mesure de l'échange net de l'écosystème (NEE) par la technique de covariance de turbulence Exigences : Se placer au dessus de l'écosystème Mesures à haute fréquence de la concentration en CO 2 et des trois composantes de la vitesse du vent Mesure en continu
Présentation Mesure de l'échange net de l'écosystème (NEE) par la technique de covariance de turbulence Exigences 2.5 : w (m s-1) 2 Se placer au dessus de l'écosystème 1Mesures à haute fréquence de la concentration en CO 2 et des trois 0.5composantes de la vitesse du vent Mesure en continu 1 mesure -2 de l'échange net de l'écosystème par demiheure 394 393 Mesure de variables météorologiques [CO2] (µmol mol-1) 3 1.5 0-0.5-1 -1.5 392 391 390 389 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Temps Aubinet et al (Advances in Ecological Research, 2000)
Présentation
Gross Primary Production (GPP) photosynthèse respiration respiration respiration
Contexte 1. Flux échangés par un écosystème Projet forestier en cours 1. NEE Flux échangés par un Respiration écosystème du sol forestier 2. Flux nocturnes 2. Flux nocturnes 3. Bilan carboné d une grande culture 3. Bilan carboné d une grande culture 4. Flux échangés par une NEE, jeune GPP, plantation NEP dans les fagnes Conclusion 4. Flux échangés par une jeune plantation dans les fagnes NEE = GPP - TER
NEE = GPP - TER GPP
Soil Respiration (SR) photosynthèse respiration respiration respiration
Contexte 1. Flux échangés par un écosystème Projet forestier en cours NEE 1. Flux échangés par Respiration un écosystème du sol forestier 2. Flux nocturnes 2. Flux nocturnes 3. 3. Bilan carboné d une grande culture d une grande culture 4. Flux échangés par NEE, une jeune GPP, plantation NEP dans Soil les fagnes Plot Conclusion 4. Flux échangés par une jeune plantation dans les fagnes NEE = GPP - TER GPP
Contexte 1. Flux échangés par un écosystème Projet forestier en cours 1. NEE Flux échangés par un Respiration écosystème du sol forestier 2. Flux nocturnes 2. Flux nocturnes 3. Bilan carboné d une grande culture 3. Bilan carboné d une grande culture 4. Flux échangés par une NEE, jeune GPP, plantation NEP dans Soil les fagnes Plot Conclusion 4. Flux échangés par une jeune plantation dans les fagnes NEE = GPP - TER GPP
Contexte Projet en cours 1. Flux échangés par un écosystème forestier 2. Flux nocturnes 3. Bilan carboné d une grande culture 4. Flux échangés par une jeune plantation dans Soil les fagnes Plot Conclusion NEE = GPP - TER SR Soil sampling GPP
Net Primary Production (NPP) photosynthèse respiration respiration respiration respiration
Contexte Projet en cours 1. Flux échangés par un écosystème forestier 2. Flux nocturnes 3. Bilan carboné d une grande culture 4. Flux échangés par une jeune plantation dans Soil les fagnes Plot Conclusion NEE = GPP - TER SR Soil sampling GPP
Contexte Projet en cours 1. Flux échangés par un écosystème forestier 2. Flux nocturnes 3. Bilan carboné d une grande culture 4. Flux échangés par une jeune plantation dans Soil les fagnes Plot Conclusion NEE = GPP - TER SR NPP Soil sampling GPP
: résultats NEE = GPP - TER
: résultats Évolution journalière (Vielsalm) Juillet 2000 (moyennes horaires) Rayonnement photosynthétiquement actif (µmol m-2 s-1) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 Juillet 2000 (moyennes horaires) 4 Densité de flux de CO2 (umol m-2 s-1) 2 0-20:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00-4 -6-8 -10-12 -14 Temps (heures)
: résultats Réponse au rayonnement en fonction du développement de la culture de blé d'hiver Fc [µmolm-2s-1] 10 0-10 -20-30 -40-50 -60 0 500 1000 1500 2000 1-10 février 1-10 avril 1-10 mai PAR [µmolm-2s-1]
Présentation : résultats Réponse au rayonnement : périodes claires et couvertes 10 0 SUGAR BEET Daytime NEE [µmol m -2 s -1 ] -10-20 -30-40 0 500 1000 1500 2000 Incident PPFD [µmol m -2 s -1 ] Daytime NEE [µmol m -2 s -1 ] 10 0-10 -20-30 -40 WINTER WHEAT -50 Marie 0 Suleau 500 Congrès 1000 des 1500 sciences 2000 2007. 2500 Unité de physique Incident PPFD des [µmol biosystèmes. m -2 s -1 ]
Présentation : résultats Impact de la sécheresse sur la séquestration (Lonzée)
Présentation : résultats Variabilité saisonnière (Vielsalm) Densité de flux de CO2 (umol m-2 s-1) 4 2 0-4 -6-8 -10-12 -14 Juillet 2000 (moyennes horaires) -20:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 Temps (heures) Janvier 2000 (moyennes horaires) Densité de flux de CO2 (umol m-2 s-1) 4 2 0-2 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00-4 -6-8 -10-12 -14 Temps (heures)
: résultats Variabilité annuelle (Vielsalm) AVERAGE NEE [µmolm -2 s -1 ] 2 0-2 -4-6 0 90 180 270 360 Day of Year
: résultats Variabilité interannuelle (Vielsalm) Fc (kgcm-2an-1) 0.0-0.3-0.6 1996-97 1997-98 1998-99 1999-00 2000-01 2001-02 2002-03 -0.9 Douglas Hêtres
1; Présentation : résultats Variabilité spatiale (sites forestiers d Europe) Valentini et al., 2000
Présentation : résultats 10 NEE (µmol m-2 s-1) 0-10 -20 1.4.04 0:00 18.10.04 0:00 6.5.05 0:00 22.11.05 0:00 Pomme de terre 10.6.06 0:00 27.12.06 0:00 Blé -30 Betterave Blé journée denuit
Présentation : résultats Gross Primary Production (GPP) photosynthèse respiration respiration respiration
Présentation : résultats NEE = GPP - TER GPP
: résultats 25 20 15 10 GPP covariance de turbulence GPP leaf scale 5 0 01.nov 09.janv 19.mars 27.mai 04.août
: résultats Contexte Projet en cours 1. Flux échangés par un écosystème forestier 2. Flux nocturnes 3. Bilan carboné d une grande culture 4. Flux échangés par une jeune plantation dans Soil les fagnes Plot Conclusion NEE = GPP - TER SR NPP Soil sampling GPP
: résultats : réponse à la température FRS 10 Flux (µmol/(m².s)) ( T 10 s = R Q 10) 10
Présentation : résultats : réponse à l humidité Hs (% Vol/Vol) FRS FRS mes mod = a [ ] b ( Hs c) 1 e 2
Présentation Recherche des des impacts recherches: d autres facteurs résultats Etude des résidus: Effet phénologique Résidus (µmol/(m².s)) Effet des précipitations Hs<20% Pluie (mm) Hs>20%
Présentation : résultats Contexte Projet en cours 1. Flux échangés par un écosystème forestier 2. Flux nocturnes 3. Bilan carboné d une grande culture 4. Flux échangés par une jeune plantation dans Soil les fagnes Plot Conclusion NEE = GPP - TER SR Soil sampling GPP
Présentation : résultats Variabilité spatiale Mesures de FRS: 6 18 10 22 14 26 7 23 11 19 15 27 24 points de mesures Répétitions: 1 fois par semaine Coefficient de variation moyen 25.2% 9 13 21 17 Station météo 8 20 12 24 Variation de 100% à l échelle de la sous parcelles. 25 29 16 Chemin 28 Cabane Variabilité toujours incomprise
Présentation : résultats 1. Mesures microbiologiques 2005 Etude en fonction des paramètres microbiologiques: Respirométrie basale, respirométrie induite, carbone organique, Carbone microbien, Azote microbien,. Aucune corrélation significative n a été trouvée
: résultats Respiration totale mesurée dans les parties plantées. Respiration hétérotrophe mesurée dans les parties non-plantées Respiration racinaire déduite de la différence des deux premières. Non-Planted Holes Planted Holes Non-Planted Bumps Planted Bumps
: résultats La respiration hétérotrophe normalisée reste constante au cours de la saison La proportion de respiration autotrophique normalisée varie de 30% à 50% au cours de la saison
: résultats Net Primary Production (NPP) photosynthèse respiration respiration respiration respiration
: résultats Contexte Projet en cours 1. Flux échangés par un écosystème forestier 2. Flux nocturnes 3. Bilan carboné d une grande culture 4. Flux échangés par une jeune plantation dans Soil les fagnes Plot Conclusion NEE = GPP - TER SR NPP Soil sampling GPP
: résultats 12 8 tc ha -1 4 C Total C Roots C Leaves Blé d hiver 2005 0 15.05.04 15.06.04 16.07.04 16.08.04 16.09.04
Crop Carbon Balance (Nov 2004 Aug 2005) NPP : 0.83 SR : 0.52 Moureaux et al., in prep.
2. Bilan des forêts européennes en Ciais et al. (Nature, 2005)
Continuation des mesures de flux de CO 2 Pour estimer l'impact du changement climatique sur les flux de CO2 Pour décroitre les incertitudes sur les mesures de flux. Expérimentation pour une meilleure compréhension des mécanismes sous jacents aux échanges de fluxes. Impact des management sur la NEE: age, fertilisation,labour,résidus.
La photosynthèse et la respiration dépendent principalement de la température dans le Nord de l Europe et est limité par l humidité dans le Sud de l Europe. La séquestration dépend principalement du contenu d azote dans le sol. Magnani et al. 2007, Nature
Effects of management (age) Magnani et al. 2007, Nature
www.carboschools.org
Merci!