Une thèse Phénoclim, par Daphné Asse

10 ANS DE DONNÉES PHÉNOCLIM À L’ORIGINE AUJOURD’HUI D’UN TRAVAIL DE THÈSE

Les 10 ans de Phénoclim 10 octobre 2014 – Chamonix Mont-Blanc

Préparée par Daphné Asse

Découvrez les étapes de réflexion qui ont amené à la construcOon d’un sujet de recherche autour de

Phénoclim !

Comprendre et prédire la réponse des écosystèmes foresOers d'alOtude aux changements climaOques. Apports d'un programme de science parOcipaOve.

Une thèse !

C’est un travail scienOfique novateur, perme[ant une avancée des connaissances dans une (au moins) des

disciplines scienOfiques

Une thèse de doctorat en science c’est quoi ?

La préparation d’une thèse se déroule sur une durée de 3 ans (majorité des cas), pour l’obtention finale du doctorat, grade le plus élevé conféré par une université

Une thèse ! Au CREA !

•  Renforcer les collabora-ons avec les laboratoires de recherche académiques

Les enjeux pour le CREA ?

•  Analyser les données Phénoclim sous la direcOon d’experts, les valoriser par des publica-on scien-fiques avec un retour pour le grand public par des travaux de vulgarisa-on.

•  Valoriser le réseau d’observateurs par des études sur les données (qui sont la connexion directe entre doctorant et observateur)

•  Accroître la dynamique de recherche scien-fique au CREA et la crédibilité scienOfique

A parOr des données Phénoclim

Points forts Valider le projet Contexte scien-fique

Phénoclim est un programme de science par-cipa-ve mit en place depuis 10 ans par le CREA, qui invite le grand public (scolaires, parOculiers, gardes d’espace naturel, professionnels) à collecter des données phénologiques (ex : feuillaison, floraison, changement de couleur, chute des feuilles) sur dix espèces d’arbres et de plantes communes sur l’ensemble des Alpes. Ce programme permet d’une part la collecte de données pour la recherche scien-fique mais aussi simultanément la sensibilisa-on du grand public à l’impact du changement clima-que sur la végéta-on.

Contexte scienOfique de Phénoclim

Le réchauffement clima-que dans les Alpes

Les écosystèmes foresOers La phénologie

Importance de mesurer l’impact du changement climaOque sur la végétaOon de montagne

Le réchauffement climatique dans les Alpes

Au XXème siècle, l’ouest des Alpes s’est réchauffé

q  Moins vite que le reste de l’hémisphère Nord ?

q  Aussi vite que le reste de l’hémisphère Nord ?

q  Deux fois plus vite que le reste de l’hémisphère Nord ?

Le réchauffement climatique dans les Alpes

Au XXème siècle, l’ouest des Alpes s’est réchauffé

q  Moins vite que le reste de l’hémisphère Nord

q  Aussi vite que le reste de l’hémisphère Nord

q  Deux fois plus vite que le reste de l’hémisphère Nord !

Les régions alpines sont par-culièrement sensibles aux changements climaOques en cours de part leur posiOon conOnentale au centre de l’Europe ! Prévision future : réchauffement plus important et plus rapide. Contrastes saisonniers plus marqués.


Le réchauffement climaOque dans les Alpes

Les écosystèmes fores-ers

La phénologie


Les forêts dans les Alpes

Dans les Alpes, les forêts occupent :

q  1/3 de la surface du territoire

q  Près de la moiOé de la surface du territoire


Les forêts dans les Alpes

Dans les Alpes, les forêts occupent :


q  Près de la moi-é de la surface du territoire


En plus de la surface importante que cet écosystème représente, les forêts sont des fournisseurs importants de services comme le bois de construc-on et de chauffage et la diminuOon de l’érosion des sols. Les arbres sont des espèces longévives (espérance de vie et temps entre généra-ons élevés) : il est important d’évaluer leur réponse aux changements de température ainsi que leurs capacités de d’adapta-on afin d’anOciper leur devenir


Le réchauffement climaOque dans les Alpes

Les écosystèmes foresOers La phénologie


La phénologie des espèces végétales

Quel paramètre affecte principalement les phases phénologiques des arbres ?

q  La durée du jour (= photopériode)

q  La température

q  Les précipitaOons

La phénologie est l’étude de l’appariOon des évènements saisonniers chez les être vivants.

La phénologie des espèces végétales

Quel paramètre affecte principalement les phases phénologiques des arbres ?

q  La durée du jour (= photopériode)

q  La température

q  Les précipitaOons

La phénologie est l’étude de l’appariOon des évènements saisonniers chez les être vivants.

Les rythmes saisonniers des arbres sont par conséquent fortement modifiés par le réchauffement climaOque. Ces rythme saisonniers représentent un moyen essen-el d’adapta-on des espèces aux contraintes climaOques et déterminent in fine la distribu-on géographique des espèces.

Points forts Valider le projet Contexte scienOfique


Les points forts de Phénoclim (1/3)

La récolte de données phénologiques est coûteuse en temps et en nombre d’observateurs. Les programme de science parOcipaOve perme[ent d’acquérir de longues séries temporelles sur une très large région, plus rapidement et à ces coûts moindres que dans le cadre d’un programme uniquement scienOfique Phénoclim c’est aujourd’hui + de 25 000 données depuis 10 ans, sur 10 espèces ! à Autant de données n’aurait jamais pu être collectées uniquement par une équipe de chercheurs

Son réseau d’observateurs répartis dans les Alpes !


Des données observées à des altitudes différentes

Les données Phénoclim sont récoltées de 500 mètres à plus de 2 000 mètres d’alOtude dans les Alpes! Phenoclim étudie les écosystèmes de montagne car ils offrent la possibilité de comprendre les réac-ons des végétaux, voire d’an-ciper les changements à venir, en subsOtuant la dimension temporelle (réchauffement climaOque en cours) par la dimension spaOale des gradients thermiques al-tudinaux (plus on monte en alOtude, plus la température diminue) Sur une distance géographique réduite, on peut observer le développement d’une même espèce soumise à des conditions de température très contrastées.


Son réseau de stations température réparties dans les Alpes !

En montagne les hétérogénéités des températures sont fortes. Les réseaux de staOons météo naOonaux ne sont pas assez denses pour pouvoir caractériser précisément les condiOons de température dans le massif alpin. C’est pourquoi le CREA a développé un réseau de 65 staOons de températures réparOes dans les Alpes à des alOtudes variables et associées pour la plupart à des observa-ons phénologiques.

Points forts Valider le projet Contexte

scienOfique


Valider le projet PHENOCLIM (1/2)

Prouver la qualité des données Phénoclim

L’objecOf principal de ce[e thèse est de valoriser les données d’un programme de science par-cipa-ve afin de démontrer qu’une telle iniOaOve, si elle est bien menée, peut permeWre de contribuer à des travaux de recherche de qualité et reconnus par la communauté scien-fique interna-onale !

Cette thèse fait partie des premières en France basées sur des données de science participative !

Des idées ?

•  Installées sur plusieurs sites Phénoclim, des caméras enregistreront les phases de développement pour toutes les espèces d’arbre étudiées. Les images seront ensuite analysées pour déterminer les dates des phases phénologiques sur images, puis comparées aux dates men-onnées par les observateurs

Valider le projet PHENOCLIM (2/2)

Prouver la qualité des données Phénoclim

•  Double comptage : A réaliser avec des scolaires par exemple où plusieurs groupes seront observateurs des mêmes arbres. Les données seront ensuite comparées. Ou encore des journées d’inter calibra-on entre parOcipants.

Les modèles phénologiques

Pressions de sélecOon en milieu de montagne

Croissance radiale et saison de végétaOon

Le cycle annuel de développement des espèces arborées

4 thèmes qui axent le sujet de thèse

Cycle annuel de développement des espèces arborées

Variabilité des phases phénologiques sur 10 ans

Concerant les phases phénologiques des espèces arborées, plus on monte en al-tude,…

q  …plus les phases printanières sont précoces.

q  …plus la saison de végétaOon est courte.

q  …plus les phases automnales sont tardives.


Variabilité des phases phénologiques sur 10 ans

Concernant les phases phénologiques des espèces arborées, plus on monte en al-tude,…

q  …plus les phases printanières sont précoces.

q  …plus la saison de végéta-on est courte.

q  …plus les phases automnales sont tardives.

Plus l’alOtude est élevée, plus le débourrement, la feuillaison, la floraison est tardive ; plus la coloraOon des feuilles et leur chute est précoce. C’est directement lié à la température !

QuesOon scienOfique : Quelle est la variabilité interannuelle des événements phénologiques le long des gradients al7tudinaux ?

Sur une zone d’étude grande comme celle des Alpes, l’alOtude n’est pas le seul paramètre à prendre en compte : la la-tude et la longitude auront sans doute un effet sur les phases phénologiques des espèces. Entre le Nord et le Sud des Alpes le climat varie ; tout comme de l’Ouest au centre des Alpes.


Variabilité des phases phénologiques sur 10 ans Capteur 2 m

Capteur 30 cm

Capteur 0 cm

Capteur -5 cm

La température a un rôle majeur dans le cycle annuel de développement des espèces arborées

Le réseau de staOon température Phénoclim, réparO de façon homogène dans les Alpes pourra perme[re de mieux caractériser le climats régional (mésoclimat) et le microclimat et leurs effets sur les phases phénologiques

De la cime d’un arbre aux premiers cenOmètres du sol, la température varie de façon importante

QuesOon scienOfique : Le microclimat est-‐il plus important que le mésoclimat pour expliquer les varia7ons des dates d’occurrence des stades phénologiques ?


La modélisation c’est quoi ?

Modéliser c’est décrire et traduire des phénomènes naturels complexes sous forme mathéma-que, l’objecOf est de se rapprocher le plus possible des observaOons, de la réalité.

ObservaOons Hypothèses

TraducOon en équaOons mathémaOques

Modèle

Comparaison du modèle aux données observées

Observations

Modèle

Reparamétrisation


La modélisation ça sert à quoi ?

Décrire et traduire au mieux des phénomènes naturels complexes pour pouvoir prédire, an-ciper

PrédicOons futures Modèle

GesOonnaires

Décideurs


Les modèles basés sur la phénologie ont encore un grand potenOel d’amélioraOon.

Les apports de Phénoclim dans la modélisation : paramétrer les modèles

QuesOon scienOfique : Peut-‐on généraliser les prédic7ons des phases phénologiques sur l’ensemble du massif Alpin ?

ObservaOons

ObservaOons

Alpes du nord

Alpes du sud

Paramétrisation

Paramétrisation

Modèle 1

Modèle 1

Modèle 2

ou ?


Pour prédire la date de débourrement, les modèles se basent sur la température de l’air ambiant. Il faut à l’arbre une certaine quan7té de chaleur pour que le débourrement ait lieu.

Parmi les paramètres environnementaux récoltés par Phénoclim, lesquels pourraient expliquer le déterminisme des phases phénologiques printanières ?

q  La date de fonte de la neige

q  La température du sol

q  La hauteur de la neige

Les apports de Phénoclim dans la modélisation : tester de nouvelles hypothèses






QuesOon scienOfique : La neige a t-‐elle un effet sur l’occurrence du débourrement et de la floraison ?

La contribuOon de la couverture neigeuse est encore très peu connu, et très peu testé.

La neige à une influence sur le bilan hydrique du sol, l’albédo, ou encore protège les racines du gel.

Les apports de Phénoclim dans la modélisation Les apports de Phénoclim dans la modélisation : tester de nouvelles hypothèses






QuesOon scienOfique : La neige a t-‐elle un effet sur l’occurrence du débourrement et de la floraison ?

La date de fonte de la neige est un paramètre lié à la hauteur de neige. L’évoluOon de la hauteur de neige pourrait jouer un rôle sur le déterminisme des phases phénologiques printanières.

Les apports de Phénoclim dans la modélisation Les apports de Phénoclim dans la modélisation : tester de nouvelles hypothèses

La neige à une influence sur le bilan hydrique du sol, l’albédo, ou encore protège les racines du gel.


Les apports de Phénoclim dans la modélisation





QuesOon scienOfique : La température du sol est-‐elle un paramètre plus per7nent que la température de l’air pour expliquer l’occurrence de ces événements ?

Comme pour la couverture neigeuse, on ne connaît pas encore précisément le rôle de la température du sol dans le déterminisme environnemental des événements phénologiques. Classiquement on uOlise dans les modèles la température de l’air.

La température du sol a un rôle sur la reprise de croissance des bourgeons une fois la dormance levée.




QuesOon scienOfique : Quels paramètres environnementaux déterminent la sénescence foliaire ?

Améliorer les modèles de sénescence foliaire

Les phénomènes de sénescence foliaire n’est pas encore bien compris pour de nombreuses espèces d’arbres. La qualité des données est souvent assez mauvaise car basées sur l’appréciaOon visuelle d’un changement de couleur et non de forme. Phénoclim a enregistrer un grand nombre de données qui pourra perme[re de tester de nouvelles hypothèse sur cet événement



Croissance radiale et saison de végéta-on




La saison de végétation ?

Selon vous, la saison de végéta-on chez l’arbre est comprise…

q  …entre le débourrement et la fin de chute des feuilles

q  …entre le début de feuillaison et la décoloraOon des feuilles

q  …entre la floraison et la décoloraOon des feuilles


La saison de végétation ?

Selon vous, la saison de végéta-on chez l’arbre est comprise…

q  …entre le débourrement et la fin de chute des feuilles

q  …entre le début de feuillaison et la décolora-on des feuilles

q  …entre la floraison et la décoloraOon des feuilles

La saison de végétaOon correspond à la période durant laquelle l’arbre peut faire de la photosynthèse = au niveau des feuilles, de l’énergie est produite sous forme de carbone à parOr de l’énergie lumineuse et du dioxyde de carbone (CO2) absorbé. Du dioxygène (O2) est ensuite libéré.

L’arbre a plusieurs choix pour réparOr le carbone assimilé par la photosynthèse : Ø  La croissance de ses branches, de son tronc, de ses racines Ø  La reproducOon (floraison, frucOficaOon) Ø  Le stockage de composés de réserves


Etablir les relations entre la croissance radiale, le climat et la saison de végétation

La croissance radiale en lien direct avec leurs phases phénologiques a été très peu étudiée.

QuesOons scienOfiques : Une bonne connaissance de la phénologie est-‐elle une plus-‐value pour comprendre la croissance du Mélèze ?

A quel moment se met en place la croissance radiale au cours de la saison de végéta7on chez le mélèze ?

ObjecOf : Améliorer les modèles phénologiques + les modèles de croissances


Etablir les relations entre la croissance radiale, le climat et la saison de végétation

Mise en place d’un protocole expérimental

Méthode : la dendrochronologie (étudie la croissance radiale des arbres)

Espèce étudiée : le Mélèze, présent dans tout le massif alpin, sur une large gamme d’alOtudes et présente une phénologie d’espèce décidue Protocole : Caro[age de 200 mélèzes du réseau Phénoclim, pour lesquels nous possédons des observaOons phénologiques. à Analyse des largeurs de cernes, âge de l’arbre et densité du bois

Prévu pour 2016 !


Effet de l’âge de l’arbre dans le phénomène de débourrement

Les données récoltées, concernant l’âge de l’arbre, pourront perme[re de tester une autre hypothèse :

Pour plusieurs espèces d’arbres , un individu jeune aurait un débourrement plus précoce.

QuesOon scienOfique : L’occurrence des dates de débourrement dépend-‐elle de l’âge de l’arbre ?

ObjecOf : Améliorer les modèles phénologiques + les modèles de croissances


Pressions de sélec-on en milieu de montagne





Les pressions de sélection

Selon vous, il n’y a plus d’arbre à l’étage alpin parce que…

q  …les sols sont trop pauvres

q  …la capacité à frucOfier est limitée

q  …la saison de végétaOon est trop courte


Les pressions de sélection exercés par le climat

Selon vous, il n’y a plus d’arbre à l’étage alpin parce que…

q  …les sols sont trop pauvres

q  …la capacité à frucOfier est limitée à cela réduit les chances de régénéraOon de la populaOon

q  …la saison de végétaOon est trop courte à cela réduit les chances de survie de l'arbre, car cela réduit ses réserves

QuesOon scienOfique : Qu’est ce qui explique le mieux la limite supérieure al7tudinale d’une espèce d’arbre : le gel tardif au printemps ou la capacité à fruc7fier ?

La probabilité de survie et le succès de reproduc-on dépendent étroitement de la réalisaOon du cycle annuel de développement (la phénologie).


Comprendre et prédire l’aire de répartition actuelle et future du mélèze

Nous allons uOlisé le modèle PHENOFIT qui prédit la répar--on des espèces d'arbre en foncOon du climat, de leur phénologie et leur capacité à résister à des stress tels que le gel et la sécheresse. La phénologie et les varia-ons temporelles fines du climat apparaissent comme des composantes incontournable pour prédire précisément les changements de répar--on des espèces

Modèles phénologiques pour

le mélèze

Modèles d’aire de réparOOon pour le

mélèze Modèle PHENOFIT paramétré pour le mélèze

ProjecOons futures d’aire de réparOOon

pour le mélèze

à  Etudier les varia-ons du cycle annuel de développement (feuillaison, floraison, sénescence foliaire) de cinq essences fores-ères (mélèze, bouleau, épicéa noiseOer, frêne) au cours des dix dernières années dans les Alpes

1.  Cartographier et caractériser le cycle annuel de développement des cinq espèces sur l'ensemble du massif Alpin en foncOon du climat

à  UOlisaOon des séries de données climaOques

addiOonnelles obtenues par le CREA

2. Améliorer les modèles phénologiques existants à l'aide des données Phénoclim, et

paramétrer les modèles pour les cinq espèces à  IntégraOon de la neige à  IntégraOon de la température du sol à  Développement de modèles de sénescence

Résumé du sujet de thèse (1/2) Comprendre et prédire la réponse des écosystèmes foresOers d'alOtude aux changements

climaOques. Apports d'un programme de science parOcipaOve.

3. Comprendre les relaOons entre la croissance radiale et la saison de végétaOon chez le mélèze

à  Lien entre croissance radiale et date de débourrement très peu étudié 4.  Etudier les pressions de sélecOon qui s'exercent sur la date de débourrement le

long des gradients alOtudinaux par une approche de modélisaOon

à Prédire l'aire de réparOOon future du mélèze en esOmant une probabilité annuelle de survie et un succès annuel de reproducOon, (dépendent étroitement de la réalisaOon du cycle annuel de développement)

Résumé du sujet de thèse (2/2) Comprendre et prédire la réponse des écosystèmes foresOers d'alOtude aux changements

climaOques. Apports d'un programme de science parOcipaOve.

à  Etudier les varia-ons du cycle annuel de développement (feuillaison, floraison, sénescence foliaire) de cinq essences fores-ères (mélèze, bouleau, épicéa noiseOer, frêne) au cours des dix dernières années dans les Alpes

Daphné Asse : Doctorante Diplômée d’une Master de recherches en écologie – Université Paris Sud - et d’un BTS en gestion forestière

Isabelle Chuine : Directrice Directrice de recherches – au Centre d’Ecologie Fonctionnelle et Evolutive (CEFE), CNRS Montpellier Directrice de l’Observatoire Des Saisons

Christophe Randin : Co-Directeur Chercheur – à l’Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (WSL) Suisse Conservateur au Musée et jardins botaniques cantonaux de Lausanne

Vincent Badeau : Co-encadrant Ingénieur de recherches – à l’unité Ecologie et Ecophysiologie Forestières (EEF), INRA Nancy

Anne Delestrade : Co-encadrante Directrice du CREA Chercheur associé au laboratoire d’écologie alpine (LECA) de l’Université de Savoie, Chambéry

L’équipe

½ bourse Cifre financé par le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche

+ complément de salaire par le CREA

Financements

Calendrier Du 1er septembre 2014 au 31 septembre 2017

Au travail !

C’est par- pour 3 ans !

Un grand merci aux observateurs Phénoclim !

Une thèse Phénoclim, par Daphné Asse

Education

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