Evaluation de l`impact du forçage climatique sur la
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Evaluation de l`impact du forçage climatique sur la
Projet de thèse de doctorat (v0.4 du 24/04/15) Evaluation de l’impact du forçage climatique sur la dynamique forestière tropicale par LiDAR aéroporté multi-temporel Contexte Les forêts tropicales seraient responsables d’un tiers de la productivité primaire brute du globe (Malhi 2012). Elles exercent ainsi une influence directe sur le climat à l’échelle globale. Des analyses indépendantes basées soit sur des réseaux de parcelles permanentes en forêt (Phillips and Lewis 2014) soit sur les données de gradients de carbone atmosphérique (Stephens, Gurney et al. 2007) suggèrent toutes deux que les forêts tropicales intactes constituent un puits significatif de carbone atmosphérique. Cette fonction de puits aurait cependant été à peu près compensée par la déforestation dans la zone pendant la première décade de ce siècle (Pan, Birdsey et al. 2011). Depuis la suggestion de Phillips and Gentry (1994) qu’il y aurait une accélération quasi généralisée du turnover des forêts tropicales, avec une occurrence accrue des très grandes trouées dues aux vents violents (Espírito-Santo, Keller et al. 2010), plusieurs études tant théoriques (Dornelas 2010) que de terrain apportent continuellement la confirmation que divers processus sont à l’œuvre: fertilisation de l’atmosphère par l’enrichissement en CO2 et les cendres des brulis, augmentation de l’insolation par une moindre nébulosité, diminution ou variabilité accrue des ressources hydriques etc. (Davidson, de Araujo et al. 2012). De même une augmentation de l’abondance des lianes semble devoir être attribuée à une accélération du turnover (Chave, Olivier et al. 2008; Schnitzer and Bongers 2011). L’analyse critique des projections climatiques (Joetzjer, Douville et al. 2013) qui valide pour l’est amazonien et les Guyanes une migration progressive de la zone inter tropicale de convergence vers le nord, avec allongement de la saison sèche, laisse présager que ces processus sont appelés à se renforcer. La cartographie par télédétection des paysages forestier des Guyanes et de l’est amazonien (Gond, Freycon et al. 2011), a montré une double organisation géographique en Guyane : régionale (grossièrement nord-sud) et locale (en relation avec les expositions au-vent et sous-le-vent des reliefs) des classes de végétations forestières. Ces classes ont été interprétées comme reflétant principalement l’organisation tridimensionnelle des couverts végétaux, notamment le degré d’ouverture et la stature des canopées. Des investigations préliminaires récentes à partir de données LiDAR (Light Detection and Ranging) ont montré que les variations de hauteur moyenne de canopée sont considérables, même au sein des classes de végétations forestières les mieux structurées. Une analyse de relevés terrain à large échelle a aussi en mis évidence une forte variabilité de la biomasse forestière en relation avec les changements de forme de reliefs (paysages) et d’autres paramètres géomorphologiques locaux comme l’altitude, la pente, la dynamique de drainage (Guitet et al. submitted). La variation des relations Hauteur-Diamètre (H : D) explique une grande part de la variation de biomasse observée (Molto et al. 2014). A l’échelle locale, ces variations sont parfois continues, reflet vraisemblable d’une organisation des sols en catena et parfois discontinues avec de nombreuses origines, en relation avec une discontinuité de la fertilité des sols (Paget 1999), leur impact sur le turnover, comme observé pour les bas-fonds (Ferry, Morneau et al. 2010), un contraste climatique lié au relief, l’histoire de ces forêts. Le LiDAR aéroporté (ALS) permet la caractérisation 3D de la structure des forestières (Vincent, Sabatier et al. 2012) et de leur dynamique en cas de d’acquisition multi-dates (Vincent, Sabatier et al. 2011; Meyer, Saatchi et al. 2013). Le LiDAR offre donc un moyen d’évaluer la dynamique forestière et en particulier d’évaluer les réponses en cours des forêts tropicales au changement climatique. Objectifs Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet DynForDiv (2014-2018) qui étudie en Guyane l’effet des forçages environnementaux du turnover forestier sur la structure et la composition des communautés d’arbres en forêt tropicale (PI D. Sabatier, financement MEDD). L’objectif spécifique du projet de thèse est de caractériser le lien entre la structure et la dynamique des forêts tropicales d’une part et les flux et stocks de carbone dans ces forêts d’autre part à travers l’exploitation des données LiDAR aéroportés multi-dates. Trois objectifs spécifiques sont définis : 1/ Caractériser la trajectoire récente d’évolution des forêts tropicales en termes de stock et flux de C. On développera et on évaluera une méthode d’estimation des variations spatio-temporelles de hauteur de canopée forestière qui devrait, grâce à la précision (décimétrique) et la cohérence spatiale des couvertures ALS sur des dizaines km2 s’affranchir des limites des approches classiques par inventaire (Fisher, Hurtt et al. 2008; Lloyd, Gloor et al. 2009; Marvin, Asner et al. 2014) ou des incertitudes liées aux modèles de circulation atmosphériques et permettre de caractériser de façon non ambigüe la trajectoire actuelle de ces forêts. NB : La réalisation du diagnostic (sens de variation des stocks sur un espace particulier) ne nécessite pas le passage par une estimation locale des stocks de carbone, et s’affranchit ainsi largement des incertitudes associées (variations spatiales des allométries, de la structure verticale sous canopée, de la densité des bois). En revanche l’estimation effective des stocks et flux impliquera de développer une méthode adaptée (Vincent, Sabatier et al. 2014) 2/ En échantillonnant de façon répétée des situations microclimatiques contrastées (effet de versant sur l’exposition au vent et le régime de précipitation) mais également des situations morpho-pédologiques différentes on cherchera à lier contrainte pédo-climatique locale et caractéristiques de structure et de dynamique des forêts pour formuler des hypothèses sur les évolutions probables selon divers scénarios de forçage climatique. 3/ Explorer le lien fonctionnel entre structure et dynamique des forêts au moyen d’un modèle spatiotemporel de type automate cellulaire calibré sur les données LiDAR. Ce type de modèle de simulation dynamique discrète permet de prendre en compte des corrélations spatiale et temporelle et semble adapté aux objectifs. Méthodes Transect de forêt tropicale: Le LiDAR aéroporté permet de finement caractériser la structure 3D des forêts et notamment de modéliser la surface de la canopée dont les variations spatio-temporelles seront l’objet central de ce travail Dispositif : Des campagnes aéroportées multi-dates couvrant des surfaces importantes (~80km2) échantillonnant des structures forestières et des contextes environnementaux variés sont réalisées dans le cadre du programme DynForDiv. o o Quatre sites focaux du projet DynForDiv échantillonnent des situations de relief (versants sous le vent et au vent). Il s’agit des sites de Montagne Plomb et de Trinité, puis du site de Monts belle vue d’Inini et du massif d’Itoupé. Temps de revisite 2 ans. Deux sites supplémentaires pour lesquels on dispose de données LiDAR multidates issues d’autres projets sont également considérés. Le premier site (Crique Plomb, temps de revisite 5 et 10 ans) présente une grande variabilité de la structure des forêts (hauteur de canopée, densité de tiges). Le second (Paracou, temps de revisite 5,7,9 ans) est un site expérimental de long terme où des exploitations forestières ont eu lieu créant une hétérogénéité supplémentaire de structure et de dynamique du couvert. Méthode : 1- Elaboration et caractérisation des modèles de canopée : Des modèles de hauteur de canopée sont établis pour chaque site à chaque date. A partir de ces modèles on produit à chaque date d’observation des cartes de trouées. Les modèles de canopée servent également produire une classification des forêts par classe de hauteur et/ou faciès. La comparaison des modèles de canopée à deux dates successives produira des cartes de variations de hauteur de canopées. 2- Caractérisation de la distribution des trouées par classe de taille pour chaque site et par classe de hauteur de canopée (Asner, Kellner et al. 2013; Lobo 2013) ; diagnostic sur la nature de ces trouées : identification des zones de canopée basse stables (affleurement rocheux, cambrouse incluse, etc…) par opposition aux trouées issues de chablis grâce aux données multi-temporelles. 3- Etude des facteurs (pédologiques, morphologiques, climatiques, effet de versant, site) affectant les caractéristiques de hauteur et de dynamique des forêts (chablis et accroissement) (Kellner, Asner et al. 2011). 4- Un volet modélisation qui pourra être de type automate cellulaire sera mis en œuvre pour valider la cohérence des interprétations du modèle d’analyse et pour explorer des scénarios d’évolution dynamique par forçage climatique du turnover forestier Aspects pratiques Equipe d’accueil : Laboratoire AMAP, Equipe « Ecologie et Diversité des communautés végétales » Dir : G. Vincent Comité de pilotage envisagé: D. Sabatier, J. Chave, B. Hérault, S. Guitet, S. Durrieu, R. Pélissier Biblio Asner, G. P., J. R. Kellner, et al. (2013). "Forest Canopy Gap Distributions in the Southern Peruvian Amazon." PLoS ONE 8(4): e60875. Chave, J., J. Olivier, et al. (2008). "Above-ground biomass and productivity in a rain forest of eastern South America." Journal of Tropical Ecology 24(04): 355-366. Davidson, E. A., A. C. de Araujo, et al. (2012). "The Amazon basin in transition." Nature 481(7381): 321328. Dornelas, M. (2010). "Disturbance and change in biodiversity." Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 365(1558): 3719-3727. Espírito-Santo, F. D. B., M. Keller, et al. (2010). "Storm intensity and old-growth forest disturbances in the Amazon region." Geophysical Research Letters 37(11): L11403. Ferry, B., F. Morneau, et al. (2010). "Higher treefall rates on slopes and waterlogged soils result in lower stand biomass and productivity in a tropical rain forest." 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