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ORACLE (ANR 2011) Opportunités et Risques pour les Agroécosystèmes et les forêts en réponse aux changements CLimaDquEs, socioéconomiques et poliDques en France (et en Europe) TACHE 2 Développement d’indicateurs écoclimaDques de la faisabilité des grandes cultures dans un contexte de changement climaDqueJ.Caubel, I. Garcia de Cortazar Atauri, M. Launay 27/09/2012, Réunion ORACLE, tâche 2

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ORACLE  (ANR  2011)  ≪  Opportunités  et  Risques  pour  les  Agroécosystèmes  et  les  forêts  en  réponse  aux  

changements  CLimaDquEs,  socio-­‐économiques  et  poliDques  en  France  (et  en  Europe)  ≫  

TACHE  2  ≪  Développement  d’indicateurs  écoclimaDques  de  la  faisabilité  des  grandes  cultures  dans  un  

contexte  de  changement  climaDque≫    

J.Caubel,  I.  Garcia  de  Cortazar  Atauri,  M.  Launay  

27/09/2012,  Réunion  ORACLE,  tâche  2  

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CalculaDon  of  the  indicators  in  the  context  of  climate  

change  

Proposal  of  ecoclimaDc  indicators  to  

characterize  crop  feasibility  

Analysis  of  the  results  

Exchange  of  proposals  and  results  to  the  stakeholders  

SelecDon  and  validaDon  of  relevant  indicators  

Improvement  and  /  or  proposal  of  new  

indicators  Proposal  of  adapted  systems  

SpaDal  projecDons  

ObjecDves  

UncertainDes  (SRES,  regionalizaDon  methods)  Proposal  of  ecoclimaDc  

indicators  to  characterize  crop  

feasibility  

UncertainDes  (SRES,  regionalizaDon  methods)  

CalculaDon  of  the  indicators  in  the  context  of  climate  

change  

Analysis  of  the  results  

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1.  Proposed  ecoclimaDc  indicators  

27/09/2012,  Réunion  ORACLE,  tâche  3  

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   =  an  agroclimaDc  indicator  calculated  during  phenological  phases      ⟺  Considera+on  of  plant  phenology                                                    

Phenological  phase   Ecoclima+c  indicator   Ecophysiological  process    

Period  of  grain  filling   Occurrence  of  heatshock   Grain  filling  

1.1.    Methodology    

An  ecoclima+c  indicator  is  defined  as  

Ecoclima+c  indicators  are  useful  for  

 à  describing  an  ecophysiological  process  ⟺  InformaDon  about  crop  feasibility        à  giving  informaDon  on  average  condi+ons,  extreme  events  and  crop  management  feasibility            Example      

AgroclimaDc  indicator  

EcoclimaDc  indicator  

January  1   July  31    

Sowing   Harvest  

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 ▫  Listed  and  calculated  (at  the  year  scale)  by  Anne-­‐Isabelle  ▫  Based  on  T,  rainfall,  solar  radia+on,  water  balance,  …  ▫  Type:  periods,  number  of  days,  spells,  …    ▫  Calculated  with  thresholds,  …    

Sowing  BBCH  00  

Emergence  BBCH  09  

Beginning  of  stem  elongaDon    BBCH  30  

Flowering  BBCH  65  

Harvest  BBCH  89  

Indicators  related  to  phenological  phases          

Indicators  based  on  agroclima+c  indicators?        

1.1.    Methodology    

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General  structure  of  ecoclima+c  indicators  

EcoclimaDc  indicator  =  f(climaDc  variable,  date  1,  date  2,  parameters…)  

ClimaDc  variable    (for  e.g.,  temperature)  

Date  1  :  phenological  stage  1  (for  e.g.,  flowering)  Date  2  :  phenological  stage  2  (for  e.g.,  harvest)  

Parameters    -­‐  Biological  thresholds          (for  e.g.,  temperature  threshold  of            grain  heatshock)    -­‐  Number  of  days  defining  a  spell        (for  e.g.,  number  of  days  defining            a  heatshock  spell)    

1.2.  The  proposed  ecoclimaDc  indicators  (winter  wheat)  

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1.2.  The  proposed  ecoclimaDc  indicators  (winter  wheat)  

Phenological  phase   Ecoclima+c  indicator   Ecophysiological  process  

Sowing  →  Emergence  Occurrence  of  frost  on  plantlets  (%)    Occurrence  of  severe  frost  on  plantlets  (%)    Occurrence  of  unfavorable  days  for  development  (%)  

Plantlets  mortality    

Plantlets  development  

Emergence    →  Beginning  of  stem  

elongaDon    

Occurrence  of  frost  on  leaves(%)    Occurrence  of  severe  frost  on  leaves(%)    Occurrence  of  days  with  vernalisaDon  (%)  Occurrence  of  cold  nights  (%),  Occurrence  of  cold  days(%)  Occurrence  of  unfavorable  days  for  development  (%)  

Leaves  mortality    

VernalisaDon    

 Plant  development  

Beginning  of  stem  elongaDon→    Flowering  

Occurrence  of  frost  on  flowers  (%)    Occurrence  of  severe  frost  on  flowers  (%)    Occurrence  of  days  with  vernalisaDon    (%)  Occurrence  of  cold  nights  (%),  Occurrence  of  cold  days(%)  Occurrence  of  unfavorable  days  for  development  (%)  

Flowers  mortality    

VernalisaDon      

Plant  development  

Sowing  →  Flowering  Start,  end  and    period  length  of  frost    Number  of  frost  spells  

Mortality  of  seedlings  and  plants  

Flowering    →    Harvest  

Occurrence  of  heatshock  days  (%)  Number  of  heatshock  spells    Start  and  end  of  the  heatshock  period  Occurrence  of  warm  nights  (%)  Occurrence  of  warm  days  (%)  Occurrence  of  unfavorable  days  for  development  (%)  

   

Grain  filling  Quality  

       Plant  development  

All  phases  Minimal  T.  (°C)  ,  Maximal  T.  (°C),  Mean  T.    (°C)  Average  dail  temperature  range  (°C)  

Plant  development  

Ecoclima+c  indicators  based  on  temperature  

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Phenological  phase   Ecoclima+c  indicator   Ecophysiological    process  

All  phases    

Occurrence    of  days  with  heavy  rain  (%)  Occurrence    of  days  with  very  heavy  rain  (%)  Part  of  heavy  rainfall  (%  heavy  rainfall/  total  rainfall)    Part  of  very  heavy  rainfall  (%  very  heavy  rainfall/  total  rainfall)    Cumulated  rainfall  (  mm)  Occurrence    of    rainy  days  (%)  Average  daily  rainfall  (mm)  Cumulated  solar  radiaDon  (joules/cm²)  Length  of  the  longest  dry  period  (without  rain)  Water  deficit  (rainfall    –  ET0)    (mm/phase)    Occurrence    of  days    for  which    P-­‐  ET0  <  threshold                                                                                                                            Soil  Wetness  Index  [(0-­‐1])*  Occurrence  of    days  with  dry  soil  (wwilt)  (%)  Occurrence  of    days  with  very  dry  soil  (wwilt)  (%)  Occurrence  of    days  with  wet  soil    (wfc)  (%)  

Crop    weakening    or  destrucDon  (erosion,  runoff,  lodging)        Growth          Water  stress      Waterlogging  

Around  stages    (+/-­‐  x  days)  

Occurrence  of    days  with  wet  soil  (  wfc)  (%)   Feasibility  of    crop  intervenDons  

Not  yet  calculated:  need  for  the  calculaFon  of  a  water  balance  or  difficulty    to  define  the  threshold      

     *Soil  wetness  Index  =  (w  –  wwilt)/(wfc  –  wwilt)                   Holding  capacity  

WelDng  point  

Soil  water  content  (CLIMSEC  report)  

Ecoclima+c  indicators  based  on  rainfall,  solar  radia+on  and  water  balance  1.2.  The  proposed  ecoclimaDc  indicators  (winter  wheat)  

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Phenological  phase  

Ecoclima+c  indicator   Ecophysiological  process  

Sowing  period    (+/-­‐  x  days)  

(a  *  wwilt)  <  W  ≤  wfc  

+  Cumulated  rainfall  (  during  y    days  >  threshold  +    T  (  during  y  days)    >  minimal  temperature  of  development  

 Decision  to  sow  

Not  yet  calculated:  need  for  the  calculaFon  of  a  water  balance  

Ecoclima+c  indicators  based  on  several  condi+ons  1.2.  The  proposed  ecoclimaDc  indicators  (winter  wheat)  

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Paramètres Blé Références  pour  bléT  min  de  vernalisation -­‐1,3°C Porter  and  Gawith,  1999T  max  de  vernalisation 15,7°C Porter  and  Gawith,  1999T  gel    sur  plantules -­‐4°C Brisson  et  al.,  2009T  gel  sur  feuilles -­‐10°C Brisson  et  al.,  2009T  gel  sur  fleurs -­‐4,5°C Brisson  et  al.,  2009T  gel  fort  sur  plantules -­‐20°C Brisson  et  al.,  2009T  gel  fort  sur  feuilles -­‐20°C Brisson  et  al.,  2009T  gel  fort  sur  fleurs 6,5°C Brisson  et  al.,  2009T  seuil  d'échaudage 25°C Gate  et  al.,  2010T  min  de  développement 0°C Brisson  et  al.,  2009;  Soltani  and  Sinclair,  2012;  Gate  et  al.,  1995T  max  de  développement 35°C Brisson  et  al.,  2009;  Soltani  and  Sinclair,  2012;  Gate  et  al.,  1995Nb  jours  consécutifs  définissant  une  vague  d'échaudage 3  joursNb  jours  consécutifs  définissant  une  vague  de  gel 3  jours

Pluie  seuil  définissant  une  forte  pluie 10  mm ONERC  (http://www.onerc.org/fr/indicateur/summary/1580)  Déqué  (2007)  http://www.cru.uea.ac.uk/projects/stardex/

Pluie  seuil  définissant  une  très  forte  pluie 20  mm   ONERC  (http://www.onerc.org/fr/indicateur/summary/1580)  Déqué  (2007)  http://www.cru.uea.ac.uk/projects/stardex/

Seuil  P-­‐ET0 ?Nb  jours  autour  des  stades  pour  accès  au  champ 5  jours JRC  Mars  Unit  (http://www.marsop.info/marsop3/index.jsp)Nb  jours  autour  du  semis  pour  l'optimisation  de  sa  date 60  joursPluie  seuil  pour  optimisation  date  de  semis ?Nb  jours  après  semis  pour  optimisation  de  sa  date 5  jours Brisson  et  al.,  2009

The  parameters  to  calculate  the  ecoclima+c  indicators  1.2.  The  proposed  ecoclimaDc  indicators  (winter  wheat)  

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1.2.  Les  indicateurs  écoclimaDques  proposés  (blé  tendre)  

▫ To  calculate  the  indicators  related  to  a  water  balance  calculaDon    ▫  To  develop  the  indicators  characterizing  the  feasibility  of  crop  intervenDons  (around  stages)    ▫  To  develop  the  same  method  for  other  crops  (  especially  summer  crops)      

Remains  to  be  done  

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2.  Use  of  the  ecoclimaDc  indicators  to  study  crop  feasibility  in  the  context  of  climate  change  

27/09/2012,  Réunion  ORACLE,  tâche  3  

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   ▫  Winter  crops:  winter  wheat,  rape  ▫  Summer  crops:  maize,  sunflower,  sorgho  

           ↔  Phenology  simulated  by  several  crop  models  

CulDvated  area  (ha)  in  France  

2.1.  Materials    Feasibility  of  which  crops?  

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CLIMATIC  SCENARIOS  SRES  x  GCM  x  RegionalisaDon  

DAILY  DATA  (1950-­‐2100)  •   Temperature  •   Rainfall  •   Solar  radiaDon  •   Vapor  pressure  •   Wind  speed  •   [CO2]    •   ET0  correcDon  [CO2]    

SRES GCM RégionalisaDon  (8  x  8km) Init. B1 ARPEGE CorrecDons  variables  (CV)

A1B ARPEGE Anomalies  (Ano) A1B ARPEGE CorrecDons  variables  (CV) A1B ARPEGE Types  de  temps  (TT) i1

A1B ARPEGE Types  de  temps  (TT) i2 A2 ARPEGE CorrecDons  variables  (CV)

12  FRENCH  SITES  

Versailles  

Avignon  

Mirecourt  

Toulouse  

Bordeaux  

Rennes  

Theix  

Colmar  

Dijon  

St-­‐EDenne  

Mons  

Lusignan  

Clima+c  data  and  sites  2.1.  Materials    

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SRES  *  Régional.  *  variety  

Emergence   Beginning  of  SE   Flowering   Harvest  

A1B  *  CV      *  Early   PANORAMIX   PANORAMIX  

A1B  *  Ano  *  Early   PANORAMIX   PANORAMIX  

A1B  *  CV      *  Late   STICS   STICS,  CERES   STICS,  CERES   STICS,  CERES  

A1B  *  Ano  *  Late   STICS   STICS,  CERES   STICS,  CERES,  PANORAMIX  

STICS,  CERES,  PANORAMIX  

A2      *  CV        *  Late   CERES   CERES,  PANORAMIX   CERES,  PANORAMIX  

B1      *  CV        *  Late   CERES   CERES   CERES  

Phenological  data  

Wheat        simulated  by  PANORAMIX,  CERES  and  STICS  crop  models  (sown  on  October  20)  

Maize  and  rape  simulated  by  STICS    

SRES  *  Régional.  *  variety   Emergence   Beginning  of  SE   Flowering   Harvest  

A1B  *  CV        *  Early      

STICS  A1B  *  Ano  *  Early  

A1B  *  CV      *  Late  

A1B  *  Ano  *  Late  

2.1.  Materials    

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Sunflower  Simulated  by  STICS  and  SUNFLO  (sown  on  April  10)    

Phenological  data  

SRES  *  Régional.  *  variety   Emergence   Beginning  of  SE   Flowering   Harvest  

A1B  *  CV      *  Early          

STICS  SUNFLO  

         

STICS  

       

STICS  SUNFLO  

 

       

STICS  SUNFLO  

 

A1B  *  Ano  *  Early  

A1B  *  CV      *  Late  

A1B  *  Ano  *  Late  

A2      *  CV        *  Late  

A2      *  CV        *  Early  

B1      *  CV        *  Late  

B1      *  CV        *  Late  

2.1.  Materials    

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Phenological  data  

Simula+ons  with  different  sowing  dates  

2.1.  Materials    

Sunflower  with  SUNFLO    Sowing  dates  :  01/03,  25/03,  10/04,  10/05,  30/05  for  the  A1B*Ano  and    A1B*CV  scenarios  (early  and  late  culDvar)  

Winter  wheat    with  STICS  and  PANORAMIX  ▫ Sowing  dates  with  STICS:  20/09,  01/10,  20/10,  10/11,  01/12  for  the  A1B*Ano  and  *A1B  CV  scenarios  (early  and  late  culDvar)  ▫ Sowing  dates  with  PANORAMIX:  20/09,  01/10,  10/10,  20/10,  30/10,  10/11,01/12  for  the  A1B*Ano,  A1B*CV  and    A2*CV  (early  and  late  culDvar)  

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Crop  model   Sowing  →  Emergence    

Emergence  →  Beginning    of  SE  

Beginning  ET  →  Flowering  

Flowering  →  Harvest  

CERES-­‐wheat  Air  T  

Soil  water  content  Depth  of  sowing  

Air  T  Cold  requirements    

Photoperiod  

Air  T    

PANORAMIX-­‐wheat  

Air  T  Depth  of  sowing    

Air  T  Cold  requirements  

Photoperiod  

Air  T  Photoperiod  

 

Air  T    

SUNFLO-­‐sunflower   Air  T,  depth  soil   Air  T,  water  stress  

STICS-­‐wheat/rape   Soil  T  Soil  water  content  

 

Crop  T  Photoperiod  

Cold  requirements  AbioDc  stresses  

Crop  T  AbioDc  stresses  

 

STICS-­‐maize/  sunflower/  sorgho  

Crop  T  AbioDc  stresses  

Crop  T  AbioDc  stresses  

Phenological  data  

Input  variables  used  to  simulate  crop  phenology  in  the  different  crop  models  

2.1.  Materials    

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TMAX

Phenological  data  

Differences  in  the  response  func+on  to  temperature  according  to  the  crop  models  simula+ng  winter  wheat  

TBASE Crop  temperature  (°C)

Daily  effecDve  temperature  (°C)

STICS  crop  model   PANORAMIX  and  CERES  crop  models  

TOPT TBASE Air  temperature  (°C) TMAX

⇛  STICS:  no  negaDve  effect  of  too  high  temperatures  on  crop  development  

2.1.  Materials    

Daily  effecDve  temperature  (°C)

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2.2.  Method  for  the  calculaDon  of  the  indicators  

With  the  R  programming  language    ▫  Indicators  calcula+on          Indicators  library        Request  funcDon  in  order  to  select  the  climaDc  and  phenological  data        ExternalisaDon  of  the  parameters  (biological  threshols,  …)        ⇛  The  user  can  select  the  indicators,  the  climaDc  and  phenological  data  he  wants  and  can  modify  the  parameter  values    ▫  Graphical  results      Boxplot  for  the  three  climaDc  periods          NP  (Near  past:  1970  –  2000)                                                                                                                                                    NF  (Near  future:    2020  –  2050)                                                                                                                                                    FF  (Far  future:  2070  –  2100)    ▫  Sta+s+cal  analysis      Anova  +  test  HSD  Tukey  to  determine  the  significance  differences  between  the  three  climaDc  periods  

       

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2.3.  Results  in  the  case  of  winter  wheat  

SRES  *  Régional.  *    variety  

Emergence   Beginning  of  SE   Flowering   Harvest  

A1B  *  CV      *  Early   PANORAMIX   PANORAMIX  

A1B  *  Ano  *  Early   PANORAMIX   PANORAMIX  

A1B  *  CV      *  Late   STICS   STICS,  CERES   STICS,  CERES   STICS,  CERES  

A1B  *  Ano  *  Late   STICS   STICS,  CERES   STICS,  CERES,  PANORAMIX   STICS,  CERES,  PANORAMIX  

A2      *  CV        *  Late   CERES   CERES,  PANORAMIX   CERES,  PANORAMIX  

B1      *  CV        *  Late   CERES   CERES   CERES  

▫  ClimaDc  data:  A1B  *  CV          ▫ Phenological  data  (sown  October  on  20)  

▫  Calculated  for  the  12  sites,  but  results  presented  only  at  Versailles,  Dijon  and  Toulouse  

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Evolu+on  of  the  phenology  in  the  context  of  climate  change  

 àAdvancement  of  the  phenological  stages  (effect  of  ↗  of  T)    Results  between  the  near  past  (NP)  and  the  distant  future  (FF)  

à Shortening  of  the  phases,  especially  between  emergence  and  the  beginning  of  SE  Results  between  the  near  past  (NP)  and  the  distant  future  (FF)  

     

à STICS    and  CERES  don’t  calculate  the  same  «  beginning  of  stem  elongaDon  stage  »  à   More  advancement  with  the  STICS  crop  model  (no  negaDve  effect  of  the  too  high  T)    

Site   Emergence   Beginning  of  SE   Flowering   Harvest  

Toulouse   =   ◄  1  to  32  days   ◄  13  to  20  days   ◄    13  to  23  days  

Versailles   ◄  2  days   ◄  8  to  24  days   ◄  13  to  20  days   ◄  15  to  20  days  

Dijon   ◄  4  days   ◄  9  to  26  days   ◄    9  to  15  days   ◄  15  to  20  days  

Site   Sowing  →  Emergence  

Emergence  →  Beginning  of  SE  

Beginning  of  SE  →  Flowering  

Flowering  →  Harvest  

Toulouse   =   ▼  de  ≈  20  -­‐30  jrs   =    /▲  ou  ▼  de  ≈  7  jrs   ▼  de  ≈  2-­‐4  jrs  

Versailles   ▼  de  ≈  3  jrs   ▼  de  ≈  20  jrs   =    ou  ▲  de  ≈  7  jrs   ▼  de    ≈  3-­‐4  jrs  

Dijon   ▼  de  ≈  4  jrs   ▼  de  ≈  20  jrs   ▲  de  ≈  7  jrs   ▼  de    ≈  2-­‐3  jrs  

2.3.  Results  in  the  case  of  winter  wheat  

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Evolu+on  of  the  indicators      

   

2.3.  Results  in  the  case  of  winter  wheat  

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Evolu+on  of  the  indicators  from  the  near  past  (NP)  to  the  far  future  (FF):  overview        Ecophysiological  process   Condi+ons  Versailles   Condi+ons  Toulouse  

Development  Plant  development   ▲▲            Emergence  -­‐Beg  SE    ▲▲          Emerg-­‐Beg  SE  

VernalisaDon   ▲                    Emergence  -­‐  Beg  SE    =                      Beg  SE-­‐Flo   ▼  or  =    Emergence  -­‐  Flo  

Growth   Water  supply     ▼          Especially  for  Flo-­‐Harv  ▼▼          Emergence  -­‐  Beg  SE  ▼                    Beg  SE-­‐Harvest    

DestrucDon/  weakening    

Plantlets  mortality   =                           =            

Leaves  mortality   ▼                       ▼  or  =        

Flowers  mortality   =             =                        

Plant  mortality   ▼                     ▼                          

Lodging,runoff,    erosion   =                         ▼              Emergence  -­‐  Harvest  

Yield  Grain  filling   ▼  or  =     ▼  or  =      

 

Quality   ▼                     ▼                        

⇛  According  to  the  scenarios  and  the  crop  models,  some  trends  are  uncertain  ⇛  Water  supply  tends  to  be  more  problemaDc    

Ecoclima+c  indicators  analysed      

▫  Occ.  of  unfavorable  days  for  development    

▫  Occ.  of  vernalisant  days    

▫  Occ.  of  rainy  days    ▫  Length  of  the  longest  dry  period  ▫  Water  deficit  

▫  Occ.  severe  /very  severe  frost  on  plantlets    

▫  Occ.  severe/very  severe  frost  on  leaves  

▫  Occ.  severe/very  severe  frost  on  flowers    

▫  Start    and  length  of  the  frost  period    ▫  Number  of  frost  spells  

▫  Occ.  of  heavy  /very  heavy  rain  ▫  Part  of  heavy  and  very  heavy  rainfall  

▫  Occ.  of  heatshock  days    ▫  Number  of  heatshock  spells    

▫  Occ.  of  warm  nights  

2.3.  Results  in  the  case  of  winter  wheat  

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Dijon   Toulouse  Versailles  

Water  deficit  (mm)  between  emergence  and  the  beginning  of  stem  elonga+on(STICS*A1B*Ano,  late  culDvar)    

NP  (Near  past:  1970  –  2000)                                                                                                                                              NF  (Near  future:    2020  –  2050)                                                                                                                                                  FF  (Far  future:  2070  –  2100)  

NP   NP   NP  NF     NF     NF    FF   FF   FF  

Evolu+on  of  the  indicators:  some  graphical  examples      

2.3.  Results  in  the  case  of  winter  wheat  

a   a   a   a   a   a   a  

b  b  

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NP  (Near  past:  1970  –  2000)                                                                                                                                              NF  (Near  future:    2020  –  2050)                                                                                                                                                  FF  (Far  future:  2070  –  2100)  

2.3.  Results  in  the  case  of  winter  wheat  Evolu+on  of  the  indicators:  some  graphical  examples      

Occurrence  (%)  of  heatshock  days  at  Versailles  (A1B  *  Ano,  late  culDvar)    

PANORAMIX   STICS  CERES  

NP   NP   NP  NF     NF     NF    FF   FF   FF  

⇛  Not  signifiance  in  the  far  future  with  STICS        

a   a  b  

a   a  b  

ab   a  b  

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3.  Conclusions  

▫ Methodology:   Link   between   indicators   and   ecophysiological   processes  à   SelecDon   of     a  range  of  ecoclimaDc  indicators    ▫ Remains  to  be  done:    

 -­‐    to  calculate  indicators  using  a  water  balance  in  order  to  have  a  be�er  analysis  of    the    evoluDon  of  the  water  supply    -­‐      to  develop  the  same  methodology  for  summer  crops     -­‐   to   develop   the   indicators   which   allow   to   describe   the   feasibility   of   crop    intervenDons  (around  stages)  

 ▫ Paper  dra�ing:    

 -­‐  proposal  of  ecoclimaDc  indicators  to  characterize  the  feasibility  of  winter  wheat  and    maize  crops      -­‐  analysis  in  the  context  of  climate  change  (with  consideraDon  of  uncertainDes)  

 ▫ R  source:  soon  available  on  the  ORACLE  website    ▫ EcoclimaDc  indicators  for  bioDc  stresses?    ▫ Inversion  des  paramètres  pour  opDmiser  la  conduite  culturale?