La dispersion du pollen : mécanismes, modélisation et ... · Yves Brunet UR Ephyse, Inra, Bordeaux. Introduction (Aylor et al., 2003) 1 émission 3 dépôt viabilité fécondation

ECCOREV Journes de ModlisationCEREGE, Aix en Provence, 19-21 mai 2008

La dispersion du pollen :

mcanismes, modlisation et questions actuelles de recherche

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E

E N V I R O N N E M E N T

Yves Brunet

UR Ephyse, Inra, Bordeaux

Introduction

(Aylor et al., 2003)

mission1

dpt3viabilit

fcondationmetteur rcepteur

transport2

Insectes (pollen colza)

Vent (pollen mas,spores, poussires)

Introduction

4. La problmatique OGM Dissmination dans l'environnement

Rgles de coexistence

3. Les pollens allergisants Prdiction des pics et des zones affectes

Influence du changement climatique

2. Ecologie des communauts et populations Colonisation par les espces

Changements d'aires de rpartition

1. Agriculture Croisement : une ncessit

Problmes de pollinisation (ex. betterave)

Introduction

Mas :

- pollinisation par le vent

- pas despce sauvage apparente

- semences ne survivent pas au champ

Problmes lis la coexistence OGM non OGM : croisements par le biais du pollen

Importance de bien connatre les mcanismes de dispersion

Introduction


Questions lies la dispersion :

- jusqu quelle distance ?

- en quelle quantit ?

- rle de lagencement du paysage ?

- efficacit des distances disolement ?

- conditions de respect des taux seuils ?

- la coexistence est-elle possible ?

Introduction


0.01

0.1

1

10

100

1000

()

Arosols submicroniques ou fins

Arosols microniques

Grosses particules

Goutelettes,arosols de combustion

Pollen, spores,graines

Erosion olienne Pollen : puret semences, OGM, allergies Spores : pidmiologie Arosols fins : pandages, partic. radio-actives Grosses particules : poussires, sable

Introduction

Transport Viabilit

Sources

Emission Dpt

Fcondation

Introduction

0 1,2 2,4 km

Introduction

local

courte distance

longue distance

1. Introduction

2. Emission, viabilit, sdimentation

3. Dispersion courte distance

4. Dispersion longue distance

5. Perspectives et conclusions

Introduction

Dure de pollinisation: 10 15 jours Production totale: 7 106 34 106 grains / panicule Concentration maximale: 200 400 grains m-3

Emission, viabilit, sdimentation

concentration production

Emission, viabilit, sdimentation(Marceau and Huber, 2007)

Exprimentation Grignon 2006Parcelle 1

0

20

40

60

80

100

09-juil 11-juil 13-juil 15-juil 17-juil 19-juil 21-juil

temps (jours)

Hum

idit

relativ

e (%

)

0

200

400

600

800

1000

conc

entration (gra

ins/m3) ra

yonn

emen

t

glob

al (w

/m)

HR Rg concentration

Conditions climatiques favorables :humidit faible, rayonnement lev et fortes tempratures

Emission ~ optimale :cycle diurne bimodalenveloppe gaussienne sur la priode


Exprimentation Grignon 2006Parcelle 2

0

20

40

60

80

100

24-juil 25-juil 26-juil 27-juil 28-juil 29-juil 30-juil 31-juil 01-aot 02-aot 03-aot

temps (jours)

Hum

idit

relativ

e (%

)

0

200

400

600

800

1000

conc

entra

tion

(gra

ins/m

3)

rayo

nnem

ent g

loba

l (w/m

)

HR Rg concentration

Conditions climatiques dfavorables :pluie, humidit forte, nuages, basses tempratures

Emission cycle diurne perturb


2004-P3

jours

conc

entra

tions

2004-P3

jours

conc

entra

tions

2004-P3

jours

conc

entra

tions

050

100

150

200

8/9/2004 8/12/2004 8/15/2004 8/18/2004

Concentration journalire maximale observe Cmax = f (dynamique de floraison)

Dynamique journalire : fonction sinusodale

=> potentiel dmission P(t)

Ecarts entre potentiel dmission et observations :f (variables climatiques)

C = Cmax P(t) fpluie fHR fR fT


Grains de pollen

Tour de sdimentation

Fibre optique

camra

isolant

Chambre noire


L

Calcul de la vitesse de chute (Vs) :

Vs = L / [cm s-1]

L = distance parcourue [cm]

= temps douverture [s]

Photographie de grains en chute libre (air calme)

Vs (cm s-1)

Pollen humidePollen sec

Emission, viabilit, sdimentation(Loubet et al., 2007)

Vs ~ dp pLoi de Stokes

Teneur en eau 60 % 10 %

Influence de la teneur en eau la varit


10

15

20

25

30

0 20 40 60

Teneur en eau (%)

Vs m

oye

n (

cm s

-1) Adonis Bleu

AdonisBanguyDK300KalisM521N62N69

(Loubet et al., 2007)


4 m

2 m

Bonne viabilit

Faible viabilit

90 %

60 % 30 %

50 %

Viabilit Teneur en eau Poids Vitesse de chute


1. Introduction





Plan

amont100 323

Distance aval x (m)200 400source

Direction du ventdominant

Concentration continue (Burkard)

Dpt(pots)

U

Rg

Rn

HR, Ta

Dir

mto

sonique

U, u, w

Mt bilan de masse

Concentration (rotorods)

Vitesse vent (annomtres coupelles)

Dispersion courte distance : mesures

0.01

0.1

1

10

0.1 1 10 100 1000x / hc

D/ D

(10

m)

Sore 2002 - 2.63Montargis 2000 - 2.28Grignon 2001 S0 - 2.16Grignon 2001 S0 - 2.16Grignon 2001 S0 - 2.16

hc (m)

D10m (grains m-2s-1)Montargis: 3 - 30 Grignon 1: 1 - 30Grignon 2: 4 - 70Landes: 1 - 20

Jarosz et al., 2003

Dispersion courte distance : mesures

Equation de convection diffusion

pjc

t

jj

js

jj Sx

C

xx

Cv

x

Cu

t

C+

=

+

3

Variation temporelle de la concentration

turbulente Transport par

advection

Sdimentation gravitationnelle Transport par

diffusion turbulente

Dpt par sdimentation (a) et par impact (b)

x

z

(a)

(b)

CuaECvaESSS vishsisp +=+=

Avec :

vs = vitesse de sdimentation = vitesse limite de chute du grain de pollen en air calme

1et442.01

86.0o 967.1 =+= si ESt

E

ah(v) = densit de surface foliaire horizontale (verticale)

u = vitesse moyenne de lcoulement

Dispersion courte distance : modlisation

Dpt au sol physique

CCz

Cd

p

sc

t vv =

+

CCz

Cf

H

sc

t v=

+

v

Limite infrieure :

Limite suprieure :

tsd vvv +=

( )LAI1sd += vv

*sd u1.0+= vv(Yao, 1997)

sd 2 vv = (McCartney, 1991)(Callender et al., 1983)

Structure du couvert

Turbulence (influence limpact)

Taille et forme de la particule

Dpt au sol apparent

sd vv =


Code de mcanique des fluides dvelopp au laboratoire MASTER de lUniversit de Bordeaux I.

Prise en compte de la vgtation par une approche porosit-trane.

La turbulence est modlise de manire statistique avec un schma de fermeture de type k-.

Validation dans de nombreux cas(Foudhil et al., 2005 ; Dupont et Brunet, 2008).


0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 0.5 1 1.5 2 2.5

LAD (m2 m-3)

z (

m)

LADLADxLADz

(Bainbridge and Stedman, 1979)N

Ventsource de Lycopodium

mt avec piges spores

(m)

z(m

)

4 6 8 10 12

1

2

3

40.0550.050.0450.040.0350.030.0250.020.0150.010.005

spore m-3



Maize target field

a) Montargis

0 3 10 50 x (m)

hm

ht

Maize source plot

l

Bare soil

Maize source plot

Wheat

b) Grignon (S0)

hw/shm

ht

l0 3 10 x (m)

Maize source plot

c) Grignon (S1 and S2)

Stubblehm

ht

l0 3 10 x (m)


Paramtre de trane (m-1) Parcelle mettrice

Bande de sol nu

VENT

(Dupont, Brunet and Jarosz, 2006)

Maize target field

a) Montargis

0 3 10 50 x (m)

hm

ht

Maize source plot

l

Bare soil

Maize source plot

Wheat

b) Grignon (S0)

hw/shm

ht

l0 3 10 x (m)

Maize source plot


Stubblehm

ht

l0 3 10 x (m)

x (m)

z(m

)

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

2

4

6

8

100.180.140.10.060.02

-0.02-0.06-0.1

(ms-1)b)

x (m)

z(m

)

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

2

4

6

8

100.40.350.30.250.20.150.10.05

E (m2 s-2)c)

x (m)

z(m

)

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

2

4

6

8

102.72.42.11.81.51.20.90.60.30

(ms-1)a)

Montargis (R6)

x (m)

z(m

)

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

2

4

6

8

101301191089786756453423120

(grain m-3)d)

Dispersion courte distance : modlisation(Dupont, Brunet and Jarosz, 2006)

Maize target field

a) Montargis

0 3 10 50 x (m)

hm

ht

Maize source plot

l

Bare soil

Maize source plot

Wheat

b) Grignon (S0)

hw/shm

ht

l0 3 10 x (m)

Maize source plot


Stubblehm

ht

l0 3 10 x (m)

Grignon(S0)

Grignon(S1)

Montargis

/Cref (grains m-3)

z(m

)

0 0.5 10

2

4

6

8

10

/Cref (grains m-3)

z(m

)

0 0.5 10

2

4

6

8

10

/Cref (grains m-3)

z(m

)

0 0.5 10

2

4

6

8

10

/Cref (grains m-3)

z(m

)

0 0.5 10

2

4

6

8

10

x (m)

D(g

rain

sm-2

s-1)

-40 -20 0 20 40 60 800

20

40

60

80

x (m)

D(g

rain

sm-2

s-1)

-40 -20 0 20 40 60 800

20

40

60

80

100

x (m)

D(g

rain

sm-2

s-1)

-40 -20 0 20 40 60 800

20

40

60

80

100

/Uref (m s-1)

z(m

)

0 0.5 1 1.5 20

2

4

6

8

10

/Uref (m s-1)

z(m

)

0 0.5 1 1.5 20

2

4

6

8

10

/Uref (m s-1)

z(m

)

0 0.5 1 1.5 20

2

4

6

8

10

/Uref (m s-1)

z(m

)

0 0.5 1 1.5 20

2

4

6

8

10

Grignon(S2)

x (m)

D(g

rain

sm-2

s-1)

-40 -20 0 20 40 60 800

50

100

150

(a) (b) (c)

Dispersion courte distance : modlisation(Dupont, Brunet and Jarosz, 2006)

Champ de concentration (a), dpt par impact (b) et dpt par sdimentation (c)

x (m)

z(m

)

-50 0 50 100 150

5

10

15

20

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240( )3mgrainsC

x (m)

z(m

)

-50 0 50 100 150

2

4 10 30 50 70 90 110 130 150 170

Dpt par sdimentation(grains.m-3s-1)

x (m)

z(m

)

-50 0 50 100 150

2

4 10 30 50 70 90 110 130 150 170

Dpt par impact(grains.m-3s-1)

(a)

(b)

(c)


x (m)

z(m

)

-100 -50 0 50 100 150

5

10

15

20Pollen

(calculs raliss Ephyse)


100 m

Forested areas

Forested areas destroyed in 99

Outside forested areas

Buildings


(m)

z(m

)

500 600 700 800 900 1000 1100 1200

20

40

60 0.0120.01080.00960.00840.00720.0060.00480.00360.00240.00120

CdAf (m-1)

18m above the ground

(Dupont and Brunet, 2006)


http://www.savoirs.essonne.fr/dossiers/la-vie/biologie-genetique/article/type/0/intro/ogm-finalement-quels-risques/

Dupont and Brunet (2007)


Approche LES (Large-Eddy Simulation)

Code ARPS

0 10 20 30 40 50 60 70

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Distance x (m)

Hau

teur

z(m

)

Parcelle mettrice

trajectoires

du = audt + budu dx = u dtdw = awdt + bwdw dz = (w -Vs)dt

au, bu, aw, bw = f(U, W, , , , TL)2u

2w ''wu


Dpt sur la vgtation par sdimentation et impaction

sdimentation impaction

Dv = f(Vs, LADx) + f(U, LADz, E)

0

100

200

300

400

500

3.7 4.9 6.5 8.5 11.1 14.6 19.2 25.2 33.1 43.4 57.0 74.8V s (cm s

-1)

Gra

ins

de p

olle

n Distributions de Vs


Concentration en pollen

ou

Niveaux de fcondation

Dispersion courte distance : bilan

1. Dcroissance forte en aval de la source

- 95-99% du pollen se dpose dans les 50 premiers mtres

- rsultats variables dune exprience lautre

Nombreuses exprimentations

(Wilhelm et al., 2005)

2. Influence de la direction et de la vitesse du vent



ou


(Wilhelm et al., 2005)

(Messan et al., 2007)

X 2


3. Influence des obstacles (piges pollen)


x (m)

z(m

)

-100 -50 0 50 100 150

5

10

15

20Pollen

(calculs raliss Ephyse)


ou



4. Influence de la taille et de lorientation des parcelles


Forte contamination potentielle

Faible contamination potentielle


ou



5. La concentration et le dpt de pollen ne tendent pas vers 0


x


ou


(Bannert and Stamp, 2007)

Queues de distribution paisses



A. stolonifera, a perennial grass (Watrud et al., 2004, PNAS)

Mise en vidence de pollinisation longue distance


1. Introduction





Plan

~ 1000-2000 m

~ 10-100 m

Atmosphre libre

Couche dinversion

Couche mlange

Couche de surface

Dispersion longue distance

Dispersion longue distance : caractrisation

Bilan24 vols de 2002 2005

rgionConcentration

Viabilit

Prlvement

0

500

1000

1500

2000

0 20 40 60 80 100% Viability

z (m

)0

500

1000

1500

2000

0 50 100 150 200Nb pollen grains

z (m

)

11h00

14h00

17h00

19h30


0

200

400

600

10 12 14 16 18 20

Temps (h)

Nom

bre

tota

l de

grai

ns

0

10

20

30

40

50

Viab

ilit

(%)


0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

0 1 2 3

C/Cav

z/h

Concentrations moyennes

de 0.2 1.2 gp/m3

(1 gp/m3 ~ 107 gp/ha)

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

0 10 20 30 40 50

% Viability

z/h


0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 50 100 150 200 250 300

Temps d'exposition en minute

Tene

ur e

n ea

u en

%

13C

11C

20C

25C

30C

35C

Grains de pollen de la varit NAUDI soumis des flux d'air de 11C, 13C, 20C, 25C, 30C et 35C

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0 50 100 150 200 250 300

Temps d'exposition en minute

Viab

ilit

en

%

Teneur en eau Viabilit

Dispersion longue distance : viabilit

Mesures en chambre

0

60

120

180

240

300

360

0 5 10 15

Dficit de Saturation (g/kg)

Dur

e d

e vi

e (m

in)

Vol G (16 juillet 2004)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 5 10 15 20 25 30

T (C) et def (g/kg)

z (m

)

Temprature

Dficit de saturation


Vol G (16 juillet 2004)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1 2 3 4 5

Dure de vie (h)

z (m

)


Observations sur des petites parcelles isoles de mas grains blancs

Castr: taux de croisement

0.1%

Observations de fcondations plusieurs km de distance des plus proches champs de mas

Non castr: taux de croisement

0.01- 0.04 %

Dispersion longue distance : fcondation

1. Mesures aroportes dans les 2000 premiers mtres On trouve du pollen dans les 2000 premiers m,

avec des volutions marques dans le temps et l'espace et qui montre une bonne viabilit.

2. Mesures en chambre de la viabilit du pollen La dure de vie dpend du dficit de saturation de l'air.

Les conditions thermodynamiques dans la couche limiteaugmentent la dure de vie du pollen de plusieurs heures.

3. Observations en petites parcelles isoles de mas blanc Mise en vidence de fcondations plusieurs km

des plus proches champs de mas(~ 0.1% pour du mas castr, ~ 0.01-0.04% sinon).

(Brunet et al., in prep.)

Dispersion longue distance : bilan

xx

Dispersion locale

Couvert vgtal

Dispersion courte distance

Couche limite de surface

x

Dispersion longue distance

Couche limite atmosph.



Besoin de modlisation l'chelle rgionale

Etudier la dispersion et le dpt de pollen viable sur une gamme de conditions atmosphriques et de types d'occupation du sol (rsolution ~ 1 km, domaine ~ 300 km)

L'amnagement paysager peut-il permettre d'augmenter les possibilits de coexistence ?

Dispersion longue distance : modlisation

Simulation du transport rgional avec Meso-NH(un modle mso-chelle 3D non-hydrostatique

dvelopp par Mto-France et le Laboratoire dArologie)


Equations de conservations pour le pollen vivant et mort

- concentration en pollen

Cal / t = adv + turb + gravit Tad (N gr m-3)

- teneur en eau du pollen

Wal / t = adv + turb + gravit Tad vap (kg m-3)

gravit Vs() (Aylor, 2002)

Tad dG() / dt (Aylor, 2003)

vap A() (hp() ha] (Aylor, 2003)


Transport Viabilit

Sources

Emission Dpt

Fcondation


Images SPOT

Champs de masOccupation du sol

Sud-Ouest, France % maize area% surface mas


(Marceau and Huber, 2007)

Modle d'mission simple, unimodal


grains/m30 1 2 3

12h UTC

grains/m30 1 2 3

16h UTC

grains/m30 1 2 30

500

1000

1500

2000

obs.model

z (m)9h UTC


% viability0 20 40

16h UTC

% viability0 20 40

12h UTC

% viability0 20 400

500

1000

1500

2000

obs.model

z (m)9h UTC

Viabilit du pollen

Transects sur ~ 12 km diffrentes altitudeset diffrentes heures

de la journe(12 juillet 2003)




Dpt important sur les zones de mas

"Bruit de fond" entre les zones

Dcroissance rgulire en dehors

de la rgion


Dpt de pollen viable cumul sur la journe

y (km)

z(m

)

100 150 200 2500

500

1000

1500

2000

2500

10.50.450.40.350.30.250.20.150.10.050

18h UTCgr/m3South Northwind

Un tude de cas :

simulation de la dispersion et du dpt en aval

d'un champ isol(10 juillet 2003)

champ fictif de 12 x 12 km

Distancefromthesource(km)

Dep

ositi

on(g

r/m2 )

010203040506070809010010-3

10-210-1100101102

y (km)

z(m

)

100 150 200 2500

500

1000

1500

2000

2500

0.50.450.40.350.30.250.20.150.10.050


y (km)

z(m

)

100 150 200 2500

500

1000

1500

2000

2500

251021.81.61.41.210.80.60.40.20


wind


Perspectives et conclusion

Un outil reposant sur la modlisation mso-chelle, la tldtection, les Systmes d'Information Gographique

Les rsultats confirment les donnes exprimentales et prdisent les mmes ordres de grandeur pour la dispersion longue distance

Suite de l'valuation : traitement de toutes les journes avec mesures aroportes

Besoin d'introduire la pollinisation effective

Le modle peut tre utilis pour tester l'influence des conditions atmosphriques, les types d'occupation du sol, les pratiques d'amnagement du paysage.

Perspectives et conclusion

Utilisation possible dans d'autres domaines :

- transport de pollens responsables d'allergies- cologie, palo - pathognes (spores, champignons)- microbiologie atmosphrique

Documents

La dispersion du pollen : mécanismes, modélisation et ... · Yves Brunet UR Ephyse, Inra, Bordeaux. Introduction (Aylor et al., 2003) 1 émission 3 dépôt viabilité fécondation