Vers un modèle de croissance dépendant du vent.capsis.cirad.fr/capsis/_media/documentation/reports/2...Vers un modèle de croissance dépendant du vent. aVivien Bonnesoeur, aConstant

Vers un modèle de croissance dépendant du vent.

aVivien Bonnesoeur, aConstant Thiéry, bMoulia Bruno, aFournier Meriem

a INRA-AgroParisTech, Laboratoire d’Etude des Ressources Forêt Bois, 54280 Champenoux, Franceb INRA, Physique et physiologie Intégratives de l'Arbre Forestier ou Fruitier, F-63100 Clermont-Ferrand Cedex 02, France 09/04/2015

2Tempête Lothar en 1999

Contexte

Les tempêtes sont la première cause de dégâts forestiers en Europe

Gardiner et al., 2010

3

Mieux comprendre l'effet du climat sur la croissance & production des forêts : → changement de productivité observée en France (Bontemps et al., 2009)

→ perspective du changement climatique→ « disséquer » les indices de fertilité (Bontemps et Bouriaud, 2013)

Watt et al., 2010

Contexte

4

Braam, 2005

Les plantes peuvent réagir aux stimulii mécaniques

Thigmomorphogénèse :Les tissus vivants perçoivent les déformations (ε) auxquelles ils sont soumis → réponses de croissance

Déformations le long du tronc ε

ε >seuil de perceptionε > déformation à la rupture

PeuplementDensité, Structure

Accommodation de la perception

Vent

Croissance individuelle Hauteur, Défilement, Surface

de houppier

Écoulement du vent dans la canopéeHauteur et rugosité du peuplement

Gestion sylvicole

mortalité thigmomorphogénèse

Chargement des tiges individuelles

éclaircie

Interactions mécaniques forêt-vent





Vent


de houppier


Gestion sylvicole



éclaircie

Biomécanique






Vent


de houppier


Gestion sylvicole



éclaircie

Biomécanique

Mécano-biologie


8

Forêt de Haye, près de NancyPlateau calcairePeuplement futaie régulière (1 ha) régénéré naturellementAge : 20-30 ansHauteur dominante = 15 mJamais éclairci30 arbres équipés : 15 paires d'arbres dominants-dominésAnémomètres à 12, 15 et 20 m

Matériels et méthodes : peuplement

9

jauge de déformations collés sur des capteurs maisons

dendromètre automatique

fréquence d’échantillonnage = 8Hz

déformation croissance radiale

fréquence d’échantillonnage = 1 point/ 30min

Matériels et méthodes : mesure

10

Matériels et méthodes : traitements mécaniques

Haubanage

Déformations naturelles (Nat D)

Nat D + déformations imposées = 0,015 % → vents journaliers additionnels

Nat D + déformations imposées = 0,04 % → vents dépressionnaires moyens additionnels

Nat D + déformations imposées = 0,15 % → forts vents dépressionnaires additionels0,15 %

0,04 %

0,015 %

5 traitements (6 arbres / traitement) :

1 fois / jour3 fois /semaine6 semaines

11temps

Cro

issa

nce

radi

ale

cum

ulée

(m

m)

(ΔD/Δt)ref

(ΔD/Δt)max

Matériels et méthodes : traitement statistique de la croissance

Modèle de Gompertz mixte

0,015 %

0,04 %

0,15 %

+74 %

Cro

issa

nce

max

imal

e (Δ

D/Δ

t)m

ax (m

m/jo

ur)

Croissance moyenne de référence (ΔD/Δt)ref

(mm/jour)

Résultats 1: loi de réponse de croissance

0,015 %

0,04 %

0,15 %

(ΔD/Δ

t)m

ax /

((ΔD/Δ

t)re

f)0,5

Logarithme des déformations maximales subies (%)

Seuil de perception des déformations

Résultats 1: loi de réponse de croissance

εi(z=1.3,t )=32⋅ρair

π⋅E×f (rafales)i×

H i( t)×(A⋅C x )0,i(t)

Di(t )3

×U (H i , t)r

Variables dimensionnelles

Vitesse du vent U

Comportement dans le vent :Reconfiguration rExposition U(H), f(rafales)

Modéliser les déformations ε pour savoir lorsqu'elles dépassent le seuil de perception ε0

Résultats 2: comportement des arbres au vent

Modèle théorique statique de l'arbre dans le vent

Pente : allométrie

Exposant : reconfiguration

εi ,t=(a+aD×I Dominant+a i)⋅U t(r+ rD× IDominant+r i)+e i , t

Modèle mixte inspiré et ajusté statistiquement

Vitesse de vent maximale (m.s-1)

Déf

orm

atio

n m

axim

ale

( %

)

Tous les arbres ont le même comportement biomécanique face au vent

→ compensation entre le moment de flexion et le moment résistant, quelque soit les dimensions ou l'exposition au vent.

Résultats 2: comportement des arbres au vent

H(t)

AC(t)

D(t)

Schéma du modèleModèle de croissance forestier

H(t)

AC(t)

D(t)

D(t+dt)=D(t).(pD)

Thigmomorphogénèse

D(t+dt)=D(t).(pD+m

D)

H(t+dt)=H(t)+p

H+m

H

AC(t+dt)=AC(t)+pA+m

A

H(t+dt) = H(t)+p

H

AC(t+dt)=AC(t)+pA

Croissance potentielle en l'absence de

perception du vent

Schéma du modèleSchéma du modèleModèle de croissance forestier

H(t)

AC(t)

D(t)

D(t+dt)=D(t).(pD)


D(t+dt)=D(t).(pD+m

D)

H(t+dt)=H(t)+p

H+m

H

AC(t+dt)=AC(t)+pA+m

A

H(t+dt) = H(t)+p

H

AC(t+dt)=AC(t)+pA


perception du vent


ε>ε0

ε<ε0

H(t)

AC(t)

D(t)

D(t+dt)=D(t).(pD)


D(t+dt)=D(t).(pD+m

D)

H(t+dt)=H(t)+p

H+m

H

AC(t+dt)=AC(t)+pA+m

A

H(t+dt) = H(t)+p

H

AC(t+dt)=AC(t)+pA


perception du vent


Comportement dans le vent :Reconfiguration rExposition, rafales c

+

Distribution de la vitesse du vent :

Loi de Weibull (λ,k)

+

H(t)

AC(t)

D(t)

D(t+dt)=D(t).(pD)


D(t+dt)=D(t).(pD+m

D)

H(t+dt)=H(t)+p

H+m

H

AC(t+dt)=AC(t)+pA+m

A

H(t+dt) = H(t)+p

H

AC(t+dt)=AC(t)+pA


perception du vent


Comportement dans le vent :Reconfiguration rExposition, rafales c

+

Distribution de la vitesse du vent :


+

ε0

1−exp[−( ε0×D3 (t )

ci×H ( t)×(A⋅C)( t)× λr )k /r

]

1

0

0,5

Probabilité

déformations

Schéma du modèleSchéma du modèleModèle de croissance forestier dépendant du vent : conclusion

Approche très différente des modèles précédents

→ la thigmomorphogénèse est intégré = modèle dynamique → durée d'acclimatation

→ le vent est explicitement intégré : modèle semi-mécaniste

Perspectives : → Analyse de sensibilité

→ Ajuster les paramètres mécano-perceptifs sur la suite de Vent-éclair

→ Estimer la surface de prise au vent (LIDAR)

→ Comparaison entre arbres haubanés et libres de leur mouvement sur un grand nombre de sites contrastés en vent → comprendre les allométries dimensionnelles en fonction du vent

→Intégrer le risque de casse

→Intégrer la qualité mécanique des produits

22

Puissance du vent

Spectre du vent en Europe de l'ouest (Stull, 1988)

La croissance radiale des arbres augmente avec les déformations perçues → pour le traitement S3 : croissance augmentée jusqu'a 40% par rapport aux autres traitements

Appareil sensitif qui filtre la très grande majorité du vent (vent thermique journaliers).

Replacer la thigmomorphogénèse dans un contexte forestierRésultats

23

Discussion

Les arbres acclimatés à leur environnement percoivent les vents les plus forts et peuvent augmenter fortement leur croissance radiale en réponse.

→ la thigmomorphogénèse est donc plutôt un processus rare dans un peuplement acclimaté

subsistance d'un seuil de perception élevé ?→ ajustement de la perception au cours du temps = accommodation

Quid d'un peuplement après éclaircie ?

24Reliquat d'une forêt primaire de hêtre, Slovaquie

Rendez-vous cet après-midi sur le site expérimental Vent-éclair

25

S

Bras de Levier (z)

z

1.Fvent

ε(z , x)

Vent u

ε(z , x)=Moment flexion× xRigidité du tronc

∼S×(H− z)×u2

×x

D4( z)×E

x

D(z)

H

Champ de déformation

Perception de la somme de l'intensité des déformations par les cellules vivantes.→ Modèle S³m : Sum of strain-sensing model (Moulia et al., 2011)

Modélisation de la perceptionAppareil sensitif

Chargement statique d'un arbre isolé

si ε (z , x )>ε0 S (z , x )=ε (z , x )−ε0

si ε (z , x )<ε0 S (z , x )=0

Seuil de perception ε0

26

Spectre du vent en Europe de l'ouest (Stull, 1988)

S3m = flexion unique (15s)

Puissance du vent

Perception d'épisode de vent spécifique ?

Existe-t-il un seuil de perception qui filtre les déformations subies?

Replacer la thigmomorphogénèse dans un contexte forestierLe régime naturel du vent

27

Replacer la thigmomorphogénèse dans un contexte forestierHypothèses

En peuplement acclimaté/non perturbé :

● Régime de déformation régulé et faible intensité des déformations chroniques

● La thigmomorphogénèse est un processus rare

H(t)

AC(t)

D(t)

Schéma du modèle

Croissance potentielle

D(t+dt)=D(t).(pD)


D(t+dt)=D(t).(pD+m

D)

H(t+dt)=H(t)+p

H+m

H

AC(t+dt)=AC(t)+pA+m

A

H(t+dt) = H(t)+p

H

AC(t+dt)=AC(t)+pA

Schéma du modèleDistribution de la vitesse du vent :


+

Visite terrain :

Forêt de Haye : ONF, plateau calcaire...

Centrée sur l'éclaircie :

→ bien connue pour diminuer compétition sur les ressources→ beaucoup moins connue = plus d’exposition au vent (vent pénètre mieux dans le couvert + diminution de l'amortissement)

→ période avec + de risques de → période de profonde modification de la croissance (suivi H/D par exemple) liée entre

autre à la thigmomorphogénèse et qui conduit à l'acclimatation au nouvelles conditions (5ans)

→ séparer les effets : comment fait-on ?

On va voir le mât

30


Conséquences forestières→ Volume de la tige, défilement... → « Endurcissement » (=acclimatation) de l'arbre au vent

Coutand et al. 2008.

31

Perception de la somme de l'intensité des déformations par les cellules vivantes.→ Modèle S³m : Sum of strain-sensing model (Moulia et al., 2011)

Modélisation de la perceptionAppareil sensitif

Déformations longitudinales (ss unité)

ε=Δ LL0

L0

L0 + ΔL

L0 - ΔL

Côté en compression

Côté en tension

F

rupture du bois : ε ≈ 3 %

Il existe quelques modèles de croissance biomécanique :

Exemple de dean 2013 et lundquist 2010→ fondées sur des allométries d'origine mécanique le fait que la croissance en diamètre des arbres s'ajuste parfaitement aux efforts du à la trainée du vent sur le houppier→ règle allométrique entre

→ modèle statique : pas de croissance, le temps n'est pas incluse explicitement dedans

→ modèle très empirique, le vent n'est pas inclus dedans (watt : influence de l'effet mécanique par rapport aux autres effets? + statique)→ les modèles de

Objectifs

Loi de réponse de croissance par rapport aux déformations

Loi de comportement des arbres dans le vent

33

La montagne, 16 sept 2015

L'acclimatation au vent est reconnue comme un déterminant important de la croissance et la mortalité en forêt

Contexte

Il existe quelques modèles de croissance biomécanique :

Exemple de dean 2013 et lundquist 2010→ fondées sur des allométries d'origine mécanique le fait que la croissance en diamètre des arbres s'ajuste parfaitement aux efforts du à la trainée du vent sur le houppier→ règle allométrique entre

→ modèle statique : pas de croissance, le temps n'est pas incluse explicitement dedans

→ modèle très empirique, le vent n'est pas inclus dedans (watt : influence de l'effet mécanique par rapport aux autres effets? + statique)→ les modèles de

Objectifs

35

T H I G M OH M O R P O G E EN S

E

H

M

NACE

PERC

PT

E

ION

-E

P O N S E

Les tissus vivants perçoivent les déformations (ε) auxquelles ils sont soumis


Documents

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