Axe 6 - Rôle de la végétation dans les cycles biogéochimiques (carbone, nutriments, métaux) et le cycle hydrologique

Résumé:

L’objectif est de réunir des géophysiciens et des écologues pour aborder de manière intégrée l’étude des cycles biogéochimiques, à des échelles allant du peuplement forestier au bassin versant. L’approche conjointe visera à l’étude des interactions entre la dynamique du couvert végétal, les échanges gazeux sol-végétation-atmosphère et le suivi des échanges sous forme dissoute et particulaire dans l’eau.

Enjeux : La compréhension du rôle des forêts tropicales dans les cycles biogeochimiques (carbone, eau, nutriments, silice et métaux) est fondamentale pour comprendre les effets globaux des changements d’occupation du sol, en termes d’effets sur le climat, de conservation des sols, de disponibilité des ressources en eau et de fertilité des zones côtières. Ainsi, une hypothèse actuellement défendue est que les forêts denses humides constituent à la fois une source importante de carbone atmosphérique, au travers de la déforestation et de la dégradation, mais également un puits en situation de perturbations évitées, comme l’ont montré les suivis d’inventaires forestiers permanents en Amazonie et en Afrique (Lewis et al. 2009). Ce puits pourrait peut-être s’expliquer par une fertilisation liée à l’augmentation des concentrations de gaz carbonique dans l’atmosphère comme par la reconstitution forestière suite à des perturbations plus ou moins anciennes (Fisher et al. 2008). Parallèlement, le carbone contenu dans le sol, ou concentré dans les zones de bas-fond à engorgement quasi permanent, est de plus en plus reconnu comme constituant une part non négligeable du stock des forêts tropicales. Or une augmentation du taux de respiration liée aux tendances à la hausse des températures moyennes, combinée à des épisodes secs plus fréquents (Lewis et al. 2011) pourrait influer négativement la dynamique de ces stocks. D’un autre côté, la déforestation peut générer à court terme l’apparition d’un puits de carbone océanique, puisque le flux de silice dissoute aux océans, provenant pour 74% des apports des rivières tropicales, permet la floraison massive de diatomées et entraîne du carbone organique dans les sédiments océaniques. Ces flux de silice sont contrôlés par plusieurs facteurs tels que la dissolution des minéraux primaires et la formation de minéraux secondaires, mais aussi par les processus biologiques (Ziegler et al, 2005, Sommer et al, 2006). Cependant, comme l’ont souligné très récemment Street-Perrott et Barker (2008), la composante biogénique du cycle de la silice reste négligée.

Traditionnellement, les approches dites « géochimiques » pour documenter le rôle de la végétation dans le cycle du carbone et des éléments inorganiques associés ne sont pas couplées avec des études pertinentes de la dynamique (spatiale, temporelle) de cette végétation, entrainant des difficultés pour incorporer son rôle dans les modèles biogéochimiques d’altération continentale (comme par exemple WITCH : Goddéris et al. 2006). A l’inverse, les études des écologues portant sur le bilan de carbone des forêts tropicales se limitent généralement aux stocks et flux entre la végétation, le sol et l’atmosphère, négligeant les pertes par ruissèlement et percolation (Malhi & Phillips 2005).

Objectifs : L'objectif de cet axe thématique est de réunir des géo-physiciens et des écologues, pour aborder de manière intégrée l’étude des cycles biogéochimiques, à des échelles allant du peuplement forestier au bassin versant. Une approche conjointe permettra en effet d’effectuer le couplage, à différentes échelles de temps et d’espace, entre une étude détaillée de la dynamique du couvert végétal, un suivi des échanges gazeux entre le sol, la végétation et l’atmosphère, et un suivi des échanges sous forme dissoute et particulaire dans l’eau.

Activités : Pour le changement d’échelle entre le local et le régional (bassin versant), plusieurs approches innovantes seront combinées, en utilisant d’un côté l’apport de l’isotopie (e.g., Si, Fe, Zn, Cu) pour tracer les sources contributives des flux élémentaires à l’exutoire du bassin versant, pour documenter le recyclage par la végétation ; et de l’autre les apports de la télédétection hyper-spatiale et hypertemporelle (à très hautes fréquences d’observation spatiales ou temporelles), ou du LiDAR (laser aéroporté), pour détecter des variations fines de structure et de phénologie du couvert forestier. L’installation d’une tour à flux (eddy covariance) permettrait d’obtenir des mesures à une échelle intermédiaire, et d’acquérir une visibilité vis-à-vis d’importants réseaux internationaux (FLUXNET, CARBOAFRICA) sur des problématiques similaires. Flux de matière à l’échelle locale (« peuplement »).

Pour mener à bien ces recherches, des sites permanents (de quelques hectares) seront suivis au sein de types contrastés de végétation : forêts de bas-fonds, riveraines, forêts de terre ferme plus ou moins sempervirentes/décidues, forêts secondaires, forêts dégradées, jachères. Ces sites seront établis de manière à compléter les réseaux et dispositifs existants (e.g. CIRAD, CTFS, Afritron, etc.). Sur ces sites, les stocks et flux de carbone et de (micro)nutriments (Fe, Cu, Zn, Si, N, P) seront déterminés dans et entre les différents compartiments : atmosphère, végétation, litière, sol, eau.

Ceci nécessitera au minimum la mise en place et le suivi :

• d’inventaires forestiers permanents (placettes de 1 ha, recensement et mesure des DHB > 10 cm, rythme annuel)

• de bacs à litière

• de stations micro-météorologiques

• de protocoles de détermination des concentrations du carbone, d’éléments inorganiques, et des signatures isotopiques (e.g. δ30Si ; δ57Fe ; δ66Zn) dans les différents compartiments

• de protocoles de mesure des échanges gazeux (tige-air, feuilles-air, sol-air)

• de protocoles de mesure des bilans et flux hydriques.

L’installation de tours à flux (échanges gazeux forêt-atmosphère), actuellement absentes en zone forestière d’Afrique centrale, sera envisagée. De même, des protocoles plus complets de mesure de la structure des peuplements (e.g. LiDAR terrestre ou aéroporté) seront testés, qui permettront de mieux cerner les échanges gazeux entre la canopée et l’atmosphère, ou les transferts radiatifs (lumière) en sous-bois. Flux de matière à l’échelle régionale (Bassin)

1/ Les informations détaillées acquises à l’échelle locale seront extrapolées à l’échelle du bassin versant sur base de la proportion des types de végétation et d’occupation du sol et de la topographie évalués sur base de données satellitales.

Ces données permettent en effet de spatialiser de manière quantitative différentes variables d’intérêt :

• altitude (SRTM)

• géomorphologie (indices dérivés du SRTM)

• structure de canopée (hyper-résolution spatiale, LiDAR aéroporté)

• phénologie (hyper-résolution temporelle)

• grands types forestiers et autres occupations du sol.

2/ Des dispositifs de suivi permanent des concentrations d’éléments organiques et inorganiques, en solution et suspension, des indicateurs isotopiques, ainsi que des débits hydriques seront également mis en place à l’exutoire de différents bassins versants, soumis à des forçages physiques et humains contrastés. Les résultats prédits sur base des extrapolations par télédétection (point 1) pourront ensuite être mis en relation avec les données acquises aux exutoires (point 2).