Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières :

Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008

Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières : du schéma conceptuel à la réalisation

pratique sur des écosystèmes tropicaux et tempérés.

L. Saint-André, R. D’annunzio, A. Genet, D. Derrien, H. Gomat,

Z. Mao, J-P. Laclau, Y. Nouvellon, Ph. Deleporte, B.

Zeller, J. Ranger, J-P. Bouillet

Doctorants : A. GENET, F. BIKINDOU, H. GOMAT, JCR.

ALMEIDA

Masters/Ingénieurs: E. BANZOUZI, R. MIALOUNDAMA,

C. SICARD, S. CONCHE, Z. MAO, F. THOMAS

Eucalyptus Eucalyptus FibreFibre CongoCongo


Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Introduction

Écosystèmes forestiers ?-Des stocks et flux de matières (C, H20, Minéraux)

-Des dynamiques de populations (Arbres, populations microbiennes etc..)

qui interagissent avec deux matrices (atmosphère et sol)

sur un substrat géologique

et une situation morpho-pédologique donnés

qui sont soumis une anthropisation plus ou moins marquée

Dépôts atmosphériquesAbsorption directe

Matières organiques du sol

Chutes de litières

Restitutions souterraines

Nutrition hydrique et minérale

Drainage

Apports(fertilisants et fixation) Décomposition des litières

Biomasse, minéralomasse

Roche Mère

Sol

Atmosphère

Altération

Bio-disponibilité

Remontéescapillaires


Écosystèmes forestiers ?

- horizontale

Eucalyptus plantations

Cultivation

Infrastructures

Lake

Natural forest

0 10 205 Kms

EFCEucalypt Fiber Congo

Forest area

- et temporelle Durée de révolution

EucalytpusAcacia Pins Tropicaux

Epicea, Pin maritime

7-15 ans 25-35 ans 50-70 ans

ChêneHêtre

80-100 ans 120-150 ans

- Une complexité verticale



Chutes de litières



Drainage



Roche Mère

Sol

Atmosphère

Altération

Bio-disponibilité




Sites ateliers Tempérés et Tropicaux comme modèles d’étude

Cycles Biogéochimiques, une méthode de référence

CYCLE GEOCHIMIQUE- Dépôts atmosphériques- Altération des minéraux du sol - Drainage- Ruissellement superficiel

CYCLE BIOLOGIQUE- Échanges foliaires- Prélèvements au sol- Immobilisation- Retombées de litière- Minéralisation des matières organiques

CYCLE BIOCHIMIQUE- Transferts internes



Cycles Biogéochimiques, une méthode de référence

Source : Ranger et Turpault (1999)

BIOC

NÉ

OSE

Compartiment‘annuel’

Partiepérenne

Racinesfines

et symbiotes

Horizonsholorganiques(Ol, Of, Oh)

Solutionsdes horizons

holorganiquesComplexeadsorbant

Solutionsdu sol

Complexeadsorbant

(CEC + P + S ads.)

SOL

Fertilisation

Chute de

Sortie

Apports atmosphériques

Exportation

TransportPluviolessivat brut

litièreEntrée

Faune

Entrée

Sortie

dissolution /minéralisation

Prélèvement

Fixation de N(non) symbiotiqueMinéraux

du sol

PrélèvementDécomposition

des racinesfines

PercolationAltération

Entrée

Sortie Adsorption

Désorption

Erosion

Drainage Remontéecapillaire

Minérauxdu

sous-sol

N volatilisé

Minéralisation

Drainage latéral Colluvionnement

• Bilans entrées-sorties d’éléments nutritifs.

• Plusieurs échelles spatiales et temporelles.



Forte capture des apports atmosphériques

bois Feuille Demande

0

10

20

30

40

50

60

0-1 ans 1-2 ans 3-4 ans 4-5 ans 6-7 ans

K

Efficience des transferts internes d’éléments

Colonisation racinaire

profonde (10 m)

Substitution de K par Na dans l’équilibre électrique

Immobilisation ligneuse < Prélèvements au sol Besoins nutritifs

Deux phases de croissance :

< 2 ans Mise en place du houppier

> 2 ans

Transferts internes K > N P > Mg 0 > Ca

Restitutions au sol importantes N, Ca et Mg

Libération d’éléments par minéralisationdes litières d’eucalyptus

Fortes restitutions d’éléments par les litières et présence d’un mat racinaire important

CONGOLaclau et al. 2007

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Sites ateliers


114 162

56 270

6 11

458230

75 108

34 50

34 51

3727

161

21

61

29

1620

1410

kg.ha-1.an-1

µmol.L-1

Ca kg.ha-1

Douglas témoin Douglas amendé(amendé en 1983 = 800kg.ha-1)

Breuil, 30 ans, Calcium, Morvan : m.e.p. M Bonneau et Coll. 1976

Efficacité du recyclage biologique dans le maintien d’éléments labiles dans l’écosystème

Dans ce sol très pauvre, le recyclage s’opère dès les premiers horizons……..comme dans les sols tropicaux

pluie

15

Ranger et al.. 2008

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Sites ateliers


Soil fertility in Forest ecosystems ?

Total reserves = long term

Soil organic matter

Soil mineral

Weathering = current restoration

Mineralization = current restoration

Exch. + available reserves = current

Both total and available elements are necessary for the diagnosis…..one major difficulty is the dimension of the box ie. limit of the ecosystem

Uptake from the treesRestitution by litter falls and root turn-over

Soil chemical fertility is based on a small amount of nutrient circulating rapidly in the ecosystem

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Notion de Fertilité


Use of the conceptual model, simplification for nutrient I/O budgets

Drainage

Atmospheric deposits

Weathering

Harvest

Soil

Vegetation

Rest. Upt.

Minéra.

Fluxes used for calculating the I/O nutrient budgets at a given scale…………but it is necessary to verify if other fluxes are significant in an ecosystem eg. N fixation, erosion etc…

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Notion de Fertilité


Deux grandes approches de modélisation:

Roche Mère

-Production, Biomasse, Minéralomasse

BIOMETRIQUE

-Tient en compte la sylviculture

Permet de quantifier et simuler les impacts des choix sylvicoles

-Bon couplage C, Minéraux

Obtention de bilans hydriques simplifiés (hors remontées capillaires et écoulements préférentiels) et solutés régime permanent

MECANISTE

- Tient compte du climat

- Stocks et fluxs de C

- Bon couplage C, H2O

Permet de quantifier et simuler les impacts des accidents climatiques (sécheresse) et des changements climatiques à long terme

Cf Biljou et Profile

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Modèles généralisés

Processus Intégrés (croissance, mortalité etc..)

Processus écophysiologiques (photosynthese, respiration etc..)

Géochimie : thermo-cinétique (altération, adsorption, spéciation)

Biologie : transpiration, prélèvement des solutés, biodégradation, respiration

Transferts : ensemble des propriétés hydrodynamiques, évaporation, diffusion gazC

oup

lage

Ex MIN3P


Les modèles dendrométriques, comme cadres conceptuels d’analyse et comme outils de simulations

Évaluation de la fertilité du site

1. Croissance

Inventaire à l’âge A + 1 moisInventaire à l’âge A + 1 mois

Inventaire forestier réel ou virtuel à l’âge AInventaire forestier réel ou virtuel à l’âge A

Croissance individuelle en Hauteur

Croissance du peuplement en H dominanteH dominante

Croissance du peuplement en surface terrière surface terrière

Croissance individuelle en surface terrière surface terrière

Saint-André et al. 2002

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – E-Dendro, principe


Eucalypt-Dendro, un moteur de croissance classique

Avec une particularitédho/dt = f(site, ho, DENSITE)

Accroissement en surfaceterrière du peuplement

Accroissement en Surface terrière individuelle

Hauteur des arbres

Inventaire (t+1)

Inventaire (t)

Croissance en hauteurdominante

dtdho

oh

2500 t/ha

< 600 t/ha

dtdG

dtdho

dtdg

c

1 2

34

c

h 2500 t/ha

< 600 t/ha

),( âgedensitéf et

Accroissement en surfaceterrière du peuplement

Accroissement en Surface terrière individuelle

Hauteur des arbres

Inventaire (t+1)

Inventaire (t)

Croissance en hauteurdominante

dtdho

oh

2500 t/ha

< 600 t/ha

dtdG

dtdho

Si densité trop faible, perte de production

dtdg

c

1 2

34

c

h 2500 t/ha

< 600 t/ha

),( âgedensitéf et



2. Propriétés du bois Équations de biomasse

par compartiment

Inventaire à l’âge A + 1 moisInventaire à l’âge A + 1 mois

Volume pour chaque arbre

0

5

10

15

20

25

30

35

0 2 4 6 8 10

Dominant

0 2 4 6 8 10

Co-dominant

0 2 4 6 8 10

Suppressed

Hei

ght

(m)

Radius (cm)

0

5

10

15

20

25

30

35

0 2 4 6 8 10

Dominant

0 2 4 6 8 100 2 4 6 8 10

Co-dominant

0 2 4 6 8 10

Suppressed

Hei

ght

(m)

Radius (cm)

Équation de profil de tige (clone-dependante)

Empilement des cernes

Biomasse • par compartiment • par cerne

3. Bio-géochimie

Concentrations N P K intra-cerne

Modèle d’évolutiondes éléments minéraux

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8Radius (cm)

Hauteur (cm)

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8Radius (cm)

Hauteur (cm)

Équations de minéralomasse

Minéralomasses N, P, K, Ca, Mg

Laclau et al. 2001, Saint-André et al. 2002, Saint-André et al. 2005, Gomat et al. 2007, Adu Bredu et al. 2008



Example for the dominant height growth

Slash management

??

?

Site Index wasnot modified by treatments

Site Index wasmodified by treatments

Site Index was not modified by treatments but the speed to reach the asymptote was changed

Quantification of the slash management effects ?

2a) 2b) 2c) 2d)oh

Age

TB

TA

oh

Age

TB

TA

oh

Age

TB TA

oh

Age

TA

TB

2a) 2b) 2c) 2d)ohoh

Age

TB

TA

ohoh

Age

TB

TA

ohoh

Age

TB TA

ohoh

Age

TA

TB

?

Both Site Index and the speed to reach the asymptote wasmodified by treatments

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse


Example for the stand basal area growth

Slash management

Capacity of trees to catch site potentialities was not modified

Capacities of tree to catch site potentialities was altered


TA

TB

Stand BasalArea Growth

Dominant Height growth

Stand BasalArea Growth

Dominant Height growth

TA

TB

? ?



Example for the individual tree growth

Slash management

Tree competition was not modified


? ?

Tree competition was enhanced in TB treatment

Individual tree BasalArea Growth

Tree circumference

TA=A*dGA

TB=B*dGB

Individual tree BasalArea Growth

Tree circumference

Tree competition was enhanced in TA treatment

TB=B*dGB

TA=A*dGA

If A>B If A=B If A<B



Résultats – Réponse des écosystèmes à la gestion des résidus d’exploitation, exemple du Réseau Cifor

Réseau international, protocole identique sur différents écosystèmes

Hauteur dominante en

fonction de l’âge

Indice de fertilité

Congo

0

5

10

15

20

25

30

35

0 12 24 36 48 60 72 84 96Age (Months)

Do

min

ant

Hei

gh

t (m

)

SMT0

SMT1

SMT2

SMT3

SMT4

4C)

Australia - Busselton

0

5

10

15

20

25

30

35

0 24 48 72 96 120 144Age (Months)

Do

min

ant

Hei

gh

t (m

)

SMT0

SMT1

SMT3

SMT4

4C)Brazil

0

5

10

15

20

25

30

35

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108

Age (Months)

Do

min

ant

Hei

gh

t (m

)

SMT0

SMT1

SMT2

SMT4

4B)

South-Africa

0

5

10

15

20

25

30

35

0 12 24 36 48 60

Age (Months)

Do

min

ant

Hei

gh

t (m

)

SMT0

SMT2

SMT3

SMT4

4B)China

0

5

10

15

20

25

30

35

0 12 24 36 48 60 72 84 96 108Age (Months)

Do

min

ant

Hei

gh

t (m

)

SMT0

SMT1

SMT3

4A)

India-Vattavada

0

5

10

15

20

25

30

35

0 12 24 36 48 60 72 84Age (Months)

Do

min

ant

Hei

gh

t (m

)

SMT0

SMT1

SMT3

SMT4

4A)

- Inchangé - Temporairement affecté

- Durablement affecté




Résultats – Réponse des écosystèmes à la gestion des résidus d’exploitation, exemple du Cifor

Accroissement en surface terrière en fonction de

l’accroissement en hauteur dominante

Capacité des arbres à utiliser les ressources

Congo

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Dominant Height growth Increment (m/month)

Bas

al A

rea

gro

wth

incr

emen

t (m

2/m

on

th)

SMT0

SMT1

SMT2

SMT3

SMT4

5c)South-Africa

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1


Bas

al A

rea

gro

wth

incr

emen

t (m

2/m

on

th)

SMT0

SMT2

SMT3

SMT4

5b)Brazil

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1


Bas

al A

rea

gro

wth

incr

emen

t (m

2/m

on

th)

SMT0

SMT1

SMT2

SMT4

5a)

China

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1


Bas

al A

rea

gro

wth

incr

emen

t (m

2/m

on

th)

SMT0

SMT1

SMT3

5a)India - Kayampoovam

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1


Bas

al A

rea

gro

wth

incr

emen

t (m

2/m

on

th) SMT0

SMT1

SMT3

SMT4

5b)




Résultats – Réponse des écosystèmes à la gestion des résidus d’exploitation, exemple du Cifor

Des réponses contrastées entre sites mais

L’intensité de la réponse est L’intensité de la réponse est corrélée au ratio N dans les résidus / corrélée au ratio N dans les résidus / N dans le sol. Quand ce ratio N dans le sol. Quand ce ratio augmente (intensité de charge), la augmente (intensité de charge), la réponse sur la surface terrière réponse sur la surface terrière augmente égalementaugmente également

y = 0.262Ln(x) - 1.1815R2 = 0.7419

-30%

-20%

-10%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0 200 400 600 800 1000

Ratio N dans les residues / N dans le sol

Inte

nsi

té d

e la

rép

on

se s

ur

la s

urf

ace

terr

ière




Résultats – Réponse des écosystèmes à la densité et à la fertilisation

Les paramètres varient k et r varient avec la densité et la fertilisation. Hlim est modifié par l’apport en engrais et la fertilité du sol – Courbes de réponses

plutôt « saturantes » et clone dépendantes

dho/dt

hok

r1

acclim

hlimr2c

0

5

10

15

20

25

30

500 700 900 1100 1300 1500

Density(plant/ha)

Mo

de

l1_

k

18-219 F1

18-219 F2

18-210 F1

18-210 F2

1-41 F1

1-41 F2

18-52 F1

18-52 F2

18-50 F1

18-50 F2

0

0.05

0.1

0.15

0.2

500 700 900 1100 1300 1500

Density(plant/ha)

Mo

de

l1_

r

18-219 F1

18-219 F2

18-210 F1

18-210 F2

1-41 F1

1-41 F2

18-52 F1

18-52 F2

18-50 F1

18-50 F2

5

7

9

11

13

15

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Napport(kg/ha)

Mo

del

1_k

18-85

1-41

18-154

18-149

18-50

r1=r10*(1-exp(-dens*r11));k10 = k100 * Napport + k101;k=k10*(1+exp(-dens*k11)); Mao. 2008



Résultats – Modèles de biomasse/minéralomasse

Les arbres fertilisés sont plus efficients, mais cela ne s’exprime pas de la même façon

chez le douglas (plus de bois avec la même quantité de feuilles)et chez l’épicéa (autant de bois avec moins de feuilles)

Et pas de différences fertilisés/non fertilisés sur les autres compartiments pour les deux essences

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 20 40 60 80

Bio

mas

se

(kg

)

TEMOIN

FERTILISE

Épicéa, Feuilles

Circonférence à 1m30 (cm)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 20 40 60 80 100

TEMOIN

FERTILISE

Douglas, Tronc

Bio

mas

se

(kg

)

Circonférence à 1m30 (cm)

Sicard et al. 2006



Résultats – Modèles de biomasse/minéralomasse

-Même résultats pour l’eucalyptus au Brésil, les arbres fertilisés sont plus efficients (autant de bois produit avec moins de feuilles), mais cela s’exprime uniquement aux jeunes âges- Fort effet âge sur les relations allométriques

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0.1 0.2 0.3

d2h (m3)

Bio

mas

se (

kg/a

rbre

)

Témoins

Potassium

Sodium

0

5

10

15

20

25

30

35

0 0.1 0.2 0.3

d2h (m3)

Bio

mas

se (

kg/a

rbre

)

Témoins

Potassium

Sodium

FEUILLES TRONC12 mois

24 mois

36 mois

Almeida et al. 2008, in prep



Résultats – Structure « âge - maturité » des modèles de biomasse, un schéma qui commence à être générique (Eucalyptus/Hêtre)

Structure de modèle équivalente, l’information Hêtre nécessite un retour sur le modèle Eucalyptus (asymptote)

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12 14 16

d²H(m3)

Bio

mas

se (

kg/a

rbre

)

0-10 ans

10-25 ans

25-35 ans

35-100 ans

100-200 ans

FEUILLES, Hêtre

0

40

80

120

160

200

0 50 100 150

Age (années)

Pa

ram

ètr

e b

(p

en

te) Eucalyptus - Congo

Hetre - France

Eucalyptus - Brésil

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200

Pa

ram

ètr

e b

(p

en

te)

Age (années)

Eucalyptus - Congo

Hetre - France

Eucalyptus - Brésil

Feuilles

Bois

Genet et al. 2008, in prep



Conclusion….

Les modèles dendrométriques (Eucalyptus/Hêtre/Chêne) actuellement en place permettent de simuler :

La croissance des arbres et des peuplements en fonction de la sylviculture (densité de plantation, éclaircies) et de la fertilité des stations

Les incorporations annuelles des principaux éléments minéraux ainsi que les immobilisations et les translocations entre cernes

La restitution des éléments via les chutes de litières et leur décomposition

Base suffisante pour comparer différentes options sylvicoles

Mais, ne boucle pas (rétroaction sur la croissance) et ne permet pas encore d’aller jusqu’au bilan « sol »

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Conclusion




Chutes de litières



Drainage



Roche Mère

Sol

Atmosphère

Altération

Bio-disponibilité


La suite….

Axe de progression 1 - Accentuer l’approche générique pour la croissance/biomasse/minéralomasse

Axe de progression 2 – Déterminants de la fertilité des sols et courbes de réponses des paramètres des modèles

Axe de progression 3 – Matière Organique du sol (processus de stabilisation/destabilisation)

Axe de progression 4 – Intégration de l’eau dans les modèles, simulations de bilans sols en fonction des choix sylvicoles

Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Perspectives

Documents

Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008 Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières :