EDP Sciences logo
Submit your paper
Search
Menu
Home All issues Volume 2 (2005) Ann. de l’Associat. Internat. de Climatologie, 2 (2005) 137-149 Full HTML
Open Access
Issue
Ann. de l’Associat. Internat. de Climatologie
Volume 2, 2005
Page(s) 137 - 149
DOI https://doi.org/10.4267/climatologie.909
Published online 09 October 2015

© Association internationale de climatologie 2005

Licence Creative CommonsThis is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License CC-BY-NC (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, except for commercial purposes, provided the original work is properly cited.

Introduction

Les modèles climatiques globaux et régionaux prévoient pour l’Europe centrale, c’est-à-dire pour le Fossé rhénan, une recrudescence dans le futur d’étés chauds et secs (Parry, 2000). Cette nouvelle situation devrait créer, d’une part, une demande accrue de l’atmosphère, et d’autre part un manque d’eau au niveau de la surface. Or l’alimentation en eau du sol et la disponibilité d’azote sont des facteurs qui limitent la croissance et déterminent la concurrence dans tous les écosystèmes terrestres. Des modifications dans la disponibilité en eau peuvent avoir des conséquences sur la croissance et la vitalité des écosystèmes (Adams & Grierson, 2001). En ce qui concerne les forêts, un déficit hydrique pourrait engendrer des modifications dans le rajeunissement naturel de la végétation (Fotelli et al., 2001) et donc influencer considérablement le bilan des substances nutritives et l’accroissement des arbres adultes (Geßler et al., 2001). Il est communément admis que les plantes C4 comme le maïs ont une meilleure résistance à la sécheresse et une plus grande capacité d’adaptation de la production de biomasse que les plantes C3 (par exemple les arbres), ce qui se traduit par une meilleure assimilation du carbone et un meilleur rendement dans l’utilisation de l’eau disponible (water use efficiency).

Afin de quantifier les conséquences du changement climatique sur l’agriculture, la sylviculture et l’hydrologie en vue de caractériser le cadre climatique de croissance et de vitalité de l’écosystème, il est nécessaire de mener des études interdisciplinaires sur la consommation d’eau et de CO2 par des plantes C3 et C4 dans différentes conditions climatiques et notamment en conditions de sécheresse. L’importance des différents changements climatiques varie avec l’altitude, l’orographie et l’occupation du sol. Elle est visible dans les différentes phases phénologiques (Chmielewski et Rötzer, 2001; Kirchgäßner, 2001).

Les changements des composantes climatiques sont essentiellement provoqués par des modifications du bilan d’énergie et du bilan d’eau, liés par le flux de chaleur latente, c’est-à-dire l’évapotranspiration, dont les causes pourraient être naturelles ou/et anthropiques. Le projet proposé a pour objectif d’étudier les différentes relations entre ces bilans et les conditions atmosphériques et d’occupation du sol. Il est basé sur une approche combinant les mesures et la modélisation dans le continuum sol-plante-atmosphère (Schmugge et André, 1991). Ce type de démarche nécessite une approche interdisciplinaire alliant des mesures atmosphériques, physiologiques et dans le sol.

1. Sites de mesures

Trois sites ont été choisis dans le Fossé rhénan de manière à représenter les différents types de cultures C3 et C4.

- Pinède (plante C3)

La station de mesures de Hartheim/Rhin de l’Institut de Méteorologie de l’Université de Freiburg a été choisie pour étudier le stockage de carbone dans un peuplement forestier (Fig. 1). Ses coordonnées géographiques sont : 47o 56’ N, 7o 37’ E; l’altitude est de 201 m (Garthe et al. 1986; Jaeger et Kessler, 1996). Elle est située à quelques centaines de mètres du Rhin.

thumbnail Figure 1

Localisation des sites de mesure dans le fossé rhénan (Fiedler, 1995). Location of the experimental sites in the rift valley of the river Rhine (Fiedler, 1995)

- Blé (plante C3)

Du côté français, un champ de blé a été choisi près du village de Hohengoeft à environ 20 km l’ouest de Strasbourg (48o 40’ N, 7o 29’ E, alt.itude : 220 m). La station est gérée par la Faculté de Géographie de l’Université Louis Pasteur à Strasbourg.

- Maïs (Plante C4)

L’Institut de Météorologie, Climatologie et Télédétection de l’Université de Bâle en Suisse a installé et gère une station dans un champ de maïs près du village de Eimeldingen au nord de Bâle (47o 37’ N, 7o 35’ E, altitude: 267 m).

2. Méthodes de mesure

Pour déterminer les différentes composantes des bilans d’énergie et d’eau, les méthodes utilisées sont adaptées à chacun des compartiments du système (Humbert et Najjar, 1992). Pour les mesures atmosphériques, trois méthodes sont utilisées: la méthode du rapport Bowen (méthode Sverdrup), la méthode aérodynamique et la méthode des fluctuations (eddy-covariance method, Foken, 2003; Haberer, 2002).

Les mesures écophysiologiques et isotopiques permettent de caractériser les bilans d’eau de la couverture végétale (Granier et al., 1996). En combinant les flux de sève (méthode écophysiologique), les flux d’eau et de carbone déterminés par des méthodes micrométéorologiques et les signatures isotopiques dans le phloème, il est possible de quantifier la relation entre la disponibilité actuelle en eau et la croissance des plantes. De plus, les analyses isotopiques doivent permettre de différencier les flux de CO2 dus à la photosynthèse ou à la respiration. La connaissance précise de ces deux flux permet de détecter les impacts du changement du climat (par exemple, la sécheresse estivale) sur la capacité de stockage du carbone dans la végétation. Ces informations sont d’une grande utilité dans l’élaboration d’une gestion forestière et agricole répondant aux impératifs du protocole de Kyoto concernant les gaz à effet de serre (IPCC, 2001).

3. Systèmes de mesure

Les trois sites ont été équipés d’une manière identique, ce qui permet d’utiliser les mêmes méthodes et ainsi de comparer les résultats. Le Tableau 1 présente la liste des appareils installés sur chaque site.

Tableau 1

Capteurs installés sur les sites de mesure. Measuring devices used at the three sites

Avec la méthode des fluctuations, les mesures des flux de CO2 et de vapeur d’eau au-dessus de la couverture végétale des trois sites sont effectuées à une fréquence de 20 Hz. L’ensemble des données est acquise par une centrale de mesures CR5000 Campbell Scientific. Deux types de calculs sont réalisés en ligne et sur les données brutes au laboratoire.

4. Calcul des flux

À partir des valeurs brutes, on peut calculer des flux au pas de temps de 30 minutes en effectuant une rotation des données dans le sens des vents dominants (Wilczak et al., 2001). Les données de déficit spectral sont corrigées en utilisant la procédure de Moore (1986), celles de température sonique virtuelle le sont avec la méthode de Schotanus et al. (1983) et celles de fluctuations de la densité de l’air sont complétées par la méthode de Webb et al. (1980). Les lacunes dans les données dues aux précipitations (liquides ou solides, givre, rosée) ont été comblées en utilisant les mêmes relations mathématiques que pour les sites FLUXNET (Falge et al., 2001; Rost et Jaeger, 2005).

Le stockage dans le peuplement et les échanges de carbone avec le sol sont obtenus à l’aide d’un modèle, par ex. RothC-26.3 (Coleman et al., 1997).

5. Physiologie des plantes

A l’échelle des écosystèmes, on détermine les flux de CO2-net entre l’atmosphère et la végétation avec des méthodes micro-météorologiques. Il n’est qu’indirectement possible de distinguer le flux de CO2 provenant de la respiration de celui de la photosynthèse (Goulden et al., 1996). En déterminant conjointement le flux de CO2 à l’aide de la méthode d’eddy covariance et la signature isotopique de Δ13C du flux de CO2, il est possible de différencier la part provenant de la respiration de celle provenant de la photosynthèse. Cette possibilité de distinction est d’une grande importance, car une variation de l’importance du puits net de CO2, peut conduire à une fixation réduite du CO2, et à une respiration modifiée (augmentée ou réduite). En ce qui concerne les systèmes agricoles, en changeant les pratiques agricoles (travaux du sol), on peut modifier la respiration du sol et donc l’importance des puits de CO2 des surfaces agricoles.

6. Résultats préliminaires

On peut considérer l’année 2004 comme une phase d’initialisation. Les anémomètres sonic des trois sites ont d’abord été étalonnés dans la soufflerie de l’École Polytechnique à Zürich en Suisse. Puis, les systèmes de mesure ont été mis en place à Eimeldingen, à Hartheim et à Hohengoeft à la fin de l’année 2004. A Hartheim, des campagnes de mesures intensives réalisées précédemment (Vogt et al., 1996) dans le cadre de REKLIP (Fiedler, 1995) ont fourni de nombreuses informations complémentaires ainsi que sur le climat local des trois sites étudiés. Par exemple, la figure 2, provenant de la campagne de mesures HartX, montre des concentrations de CO2 au-dessus de la couronne de la pinède (Kessler et Jaeger, 1994).

thumbnail Figure 2

Evolution journalière des flux de CO2 [mol/m2s] d’une pinède à Hartheim le 18 mai 1992 à trois niveaux différents. Daily pattern of the CO2 flux [mol/m2s] at Hartheim pine forest at three different levels on May, 18, 1992.

Le même expérimentateur présente des flux de CO2 négatifs par niveau, ce qui donne aussi des indications sur l’origine (air, stomates, cuticules, branches, sous-étage et sol). La figure 3 représente la situation du 18 mai 1992 (Joss, 1996).

thumbnail Figure 3

Evolution journalière de la concentration de CO2 [ppm] à 15 et 3 m au dessus de la canopée de la pinède à Hartheim. Moyenne de trois journées consécutives, mai 1992. Daily pattern of the CO2 concentration [ppm] at 15 m height, 3 m above the canopy at Hartheim pine forest. Mean values of three following days of radiation, May 1992.

L’évolution moyenne journalière de juin 2005 des composantes du bilan radiatif et du flux turbulent de CO2 sont présentés sur la figure 4 pour la pinède et le maïs. Sur le maïs, en raison de la réflexion importante, le bilan net de rayonnement est inférieur de 30 % à celui de la pinède; les flux de chaleur dans le sol étant identiques dans les deux sites, les flux de chaleur sensible et latente sont donc réduits sous le maïs. Les rapports de Bowen (latente/sensible) sont de 1.2 pour la pinède et de 0.6 pour le maïs. L’évolution journalière des flux de CO2 est identique dans les deux sites. On constate que durant la nuit (jusque vers 5 h du matin), le bilan radiatif étant négatif, le flux de CO2 est positif car les plantes rejettent du CO2; lorsque le bilan radiatif devient positif, le flux turbulent de CO2 devient négatif en raison de la consommation de CO2 par les plantes. Le maximum de consommation est atteint entre 10 et 11 h, peu avant le maximum du bilan radiatif. Lorsque le bilan radiatif redevient négatif le soir, le flux de CO2 redevient positif en raison de l’arrêt de la photosynthèse. Le flux maximal de CO2 observé sur la pinède est le double de celui observé sur le maïs.

thumbnail Figure 4

Evolution journalière moyenne des flux turbulents d’une pinède (à gauche) et de maïs (à droite) au cours du mois de juin 2005. Mean daily turbulent fluxes at Hartheim site (pine trees) (left) and at Eimeldingen(maize) (right) in June 2005.

Les moyennes journalières du flux de CO2 mesuré, les valeurs corrigées (van’t Hoff) et le rayonnement global sont présentés sur la figure 5. On constate qu’il existe une relation étroite entre le bilan net de CO2 et les conditions climatiques; en effet, lorsque le rayonnement est élevé, la consommation de CO2 par les plantes est importante : c’est le cas durant la première partie du mois de juin. Par contre, durant la deuxième partie du mois, malgré un rayonnement global élevé, la consommation de CO2 par les plantes est faible en raison d’une humidité du sol réduite en raison de la sécheresse, ce qui conduit à une fermeture des stomates et à la diminution de l’activité photosynthétique.

thumbnail Figure 5

Mesures journalières brutes et corrigées (Michaelis-Menten et van’t Hof) des flux de carbone) et de rayonnement global de la pinède au cours du mois de juin 2005. Measured and gap filled daily values of carbon flux (left hand y-axis) and global radiation (right hand y-axis), evaluated at Hartheim site in June 2005

Un exemple de profil de teneur en eau du sol mesuré, d’une part par TDR (CS616) et, d’autre part, obtenu par prélèvement d’échantillons, est présenté sur la figure 6 pour la journée du 23 juin 2005. Dans ce sol limoneux, les teneurs en eau du sol diminuent fortement de la surface vers la profondeur. Durant les trois semaines précédant les mesures, il n’y a pas eu de précipitation; on assiste donc à un dessèchement à partir de la surface dû à l’évaporation via la végétation. La différence observée entre les deux méthodes est à mettre sur le compte de la méthode de calcul de la teneur en eau par TDR qui utilise un algorithme qui reste à améliorer.

thumbnail Figure 6

Teneur en eau volumique du sol sous blé, mesurée le 23 juin 2005, à 6 profondeurs, par TDR (CS616) et par prélèvement d’échantillons. Volumetric water content of the soil under wheat, June, 23, 2005, at 6 depths, measured by TDR method (CS616 sensor) and evaluated gravimetrically.

Conclusion

Le projet INTERREG IIIa 3c.10 nécessite des mesures rapides des fluctuations de la vitesse du vent et des concentrations de gaz associés (CO2 et H2O) pour calculer les flux de CO2 et de vapeur d’eau dans les trois sites. Des mesures porométriques et des analyses isotopiques de 12C et 13C complètent l’approche. Cela permet de déterminer l’efficacité de la consommation en eau (water use efficiency), qui est différente pour des plantes C3 ou C4. Le stockage et la respiration sont ensuite calculés. De plus, il est également nécessaire de corriger les flux et de compléter les données manquantes. Des mesures complémentaires permettent de déterminer le niveau de la respiration pendant la nuit et des analyses de «footprint» sont effectuées. Toute cette information permettra d’extraire des paramètres météorologiques afin d’établir une relation avec le changement climatique, et également en utilisant les résultats d’ autres groupes de travail (figure 7, exemple d’ ESCOMPTE, Fotiadi, 2003).

thumbnail Figure 7

Variation diurne du flux de CO2 [ mol/m2s] pour le site Montmeyan ESCOMPTE- (moyennes de juin/juillet 2001) d’après Fotiadi (2003). Mean daily CO2 flux [ mol/m2s] at the ESCOMPTE site Montmeyan. Mean values from June/July 2001, after Fotiadi (2003).

La méthode d’investigation, décrite ici, est novatrice dans le domaine de la climatologie géographique française. Le projet est ambitieux, et nécessite une intense coopération interdisciplinaire et transfrontalière, ce qui fait également le charme de cette recherche.

Remerciements

Cette étude est réalisée dans le cadre du projet IINTERREG III A N° 3c. 10, financé par l’Union Européenne.

Références

  • Adams, M.A. and P.F. Grierson (2001) Stable isotopes at natural abundance in terrestrial plant ecology and ecophysiology: an update. Plant Biology, 3, 299–310. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Chmielewski, F.-M. and T. Rötzer (2001) Response of tree phenology to climate change across Europe. Agr. Forest Meteorol., 108, 101–112. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Coleman, K., Jenkinson, D.S., Crocker, G.J., Grace, P.R., Klír, J., Körschens, M., Poulton, P.R. and D.D. Richter (1997) Simulating trends in soil organic carbon in long-term experiments using ROTHC-26.2. Geoderma, 81, 29–44. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Falge, E., Baldocchi, D., Olson, R., Anthoni, P., Aubinet, M., Bernhofer, C., Burba, G., Ceulemans, R., Clement, R., Dolman, H., Granier, A., Gross, P., Grünwald, T., Hollinger, D., Jensen, N.-O., Katul, G., Keronen, P., Kowalski, A., Ta Lai, C., Law, B.E., Meyers, T., Moncrieff, J., Moors, E., Munger, J.W., Pilegaard, K., Rannik, Ü., Rebmann, C., Suyker, A., Tenhunen, J., Tu, K., Verma, S., Vesala, T., Wilson, K., Wofsy, S. (2001) Gap filling strategies for defensible annual sums of net ecosystem exchange. Agric. Forest Meteorol., 107, 43–69. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Fiedler, F. (ed.), 1995 : Atlas climatique du fossé rhénan méridional. REKLIP, Projet climatologique régional. Offenbach, Strasbourg, Zürich. [Google Scholar]
  • Foken, T. (2003). Angewandte Meteorologie. Springer, Berlin, 289 pp. [Google Scholar]
  • Fotelli, M., Geßler, A. and H. Rennenberg (2001) Effects of drought and competition between fagus sylvatica seedings and an early successional species (Rubus fruticosus): growth, water status and 13 composition. New Phytologist., 151, 527–535. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Fotiadi, A. (2003) Echanges biosphère – atmosphère des oxydes d’azote et de l’isoprène en région Méditerranéenne (programme ESCOMPTE). Thèse UPS Toulouse III, 231 pp. [Google Scholar]
  • Garthe, H.-J., Jaeger, L. et A., Kessler (1986) L’évapotranspiration, une quantité du bilan énergétique. Une étude à long terme au sujet d’une pinède dans la plaine du Rhin supérieur. Publ. prem. colloque scientifique des universités du Rhin supérieur « Recherches sur l’environnement dans la région », Strasbourg, pp. 664–675. [Google Scholar]
  • Geßler, A., Schrempp, S., Matzarakis, A., Mayer, H., Rennenberg, H. and M.A. Adams (2001) Radiation modifies the effect of water ability on the carbon isotope composition of beech (fagus sylvatica). New Phytologist, 150, 653–664. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Goulden, M.L., Munger, J.W., Fan, S.-M., Daube, B.C.and S.C. Wofsy (1996) Measurements of carbon sequestration by long-term eddy covariance: methods and a critical evaluation of accuracy. Global Change Biology, 2, 169–182. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Granier, A., Biron, P., Köstner, B., Gay, L.W. and G. Najjar (1996) Comparison of xylem sap flow and water flux at the stand level and derivation of canopy conductance for Scots pine. Theor. Appl. Climatol., 53, 115–122. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Haberer, K. (2002). Auswirkungen von apoplastischem Ascorbat sowie weiteren physiologischen und meteorologischen Parametern auf den NO2-Gaswechsel von PflanzenDiss. Forstw. Fak. Freiburg, 185 pp. [Google Scholar]
  • Humbert, J. et G. Najjar (1992). Influence de la forêt sur le cycle de l’eau en domaine tempéré. Une analyse de la littérature francophone. CEREG, ULP Strasbourg, 85p. [Google Scholar]
  • IPCC (2001). Climate change 2001 – The scientific basis, 881 pp – Impacts, adaptation and vulnerability, 1032 pp. Cambridge, Cambridge University Press. [Google Scholar]
  • Jaeger, L. et A. Kessler (1996) Premiers résultats de mesures microclimatique à long terme dans une pinède du fossé rhénan. Publ. Ass. Intern. Climatol., 9, 332–340. [Google Scholar]
  • Joss, U. (1996) Mikrometeorologie, Profile und Flüsse von CO2, H2O, NO2 und O3 in zwei mitteleuropäischen Nadelwäldern. Stratus, 4, 100 pp. [Google Scholar]
  • Kessler, A. und L. Jaeger (1994) Mittlere Tages- und Jahresgänge der Strahlungsbilanz und ihrer Komponenten über einem südwestdeutschen Kiefernwald. Erdkunde, 48, 14–33. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Kirchgäßner, A. (2001) Phänoklimatologie von Buchenwäldern im Südwesten der Schwäbischen Alb. Ber. Meteorol. Inst. Univ. Freiburg., 7, 271 pp. [Google Scholar]
  • Moore, C-J (1986) Frequency response corrections for eddy correlation systems. Boundary-Layer Meteorol, 37, 17–35. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Parry, M.L. (ed.) (2000). Assessment of potential effects and adaptations for climate change in Europe: The Europe ACACIA project. Jackson Environmental Institute, University of East Anglia, Norwich, UK, 320 pp. [Google Scholar]
  • Rost J., Jaeger, L. (2005) Variability of Carbon- and water vapour fluxes above a Scots pine forest in the southern upper Rhine plain. Annalen der Meteorologie, 41, 74–77. [Google Scholar]
  • Schmugge, T.J. and J.S. André (1991). Land surface evaporation. Berlin, Springer Verlag, 424 pp. [Google Scholar]
  • Schotanus, P., Nieuwstadt, F-T-M., De Bruin, H-A-R. (1983) Temperature measurement with a sonic anemometer and ist application to heat and moisture fluxes. Boundary-Layer Meteorol, 26, 81–93. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Vogt, R., Gay, L.W., Tenhunen, J.D., Bernhofer, C. and A., Kessler (1996) HartX’92 – Vegetation – atmosphere coupling of a Scots pine plantation. Theor. Appl. Climatol., 53, 3–183. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Webb, E-K. (ed.),1982 : On the correction of flux measurements for effects of heat and water transfer. Boundary-Layer Meteorol., 23, 251–254. [CrossRef] [Google Scholar]
  • Wilczak, J.M., Oncley, S.P., S.A. Stage (2001) Sonic anemometer tilt correction algorithms. Boundary-Layer Meteorol., 99, 127–150. [CrossRef] [Google Scholar]

Liste des tableaux

Tableau 1

Capteurs installés sur les sites de mesure. Measuring devices used at the three sites

Dans le texte

Liste des figures

thumbnail Figure 1

Localisation des sites de mesure dans le fossé rhénan (Fiedler, 1995). Location of the experimental sites in the rift valley of the river Rhine (Fiedler, 1995)
Dans le texte
thumbnail Figure 2

Evolution journalière des flux de CO2 [mol/m2s] d’une pinède à Hartheim le 18 mai 1992 à trois niveaux différents. Daily pattern of the CO2 flux [mol/m2s] at Hartheim pine forest at three different levels on May, 18, 1992.
Dans le texte
thumbnail Figure 3

Evolution journalière de la concentration de CO2 [ppm] à 15 et 3 m au dessus de la canopée de la pinède à Hartheim. Moyenne de trois journées consécutives, mai 1992. Daily pattern of the CO2 concentration [ppm] at 15 m height, 3 m above the canopy at Hartheim pine forest. Mean values of three following days of radiation, May 1992.
Dans le texte
thumbnail Figure 4

Evolution journalière moyenne des flux turbulents d’une pinède (à gauche) et de maïs (à droite) au cours du mois de juin 2005. Mean daily turbulent fluxes at Hartheim site (pine trees) (left) and at Eimeldingen(maize) (right) in June 2005.
Dans le texte
thumbnail Figure 5

Mesures journalières brutes et corrigées (Michaelis-Menten et van’t Hof) des flux de carbone) et de rayonnement global de la pinède au cours du mois de juin 2005. Measured and gap filled daily values of carbon flux (left hand y-axis) and global radiation (right hand y-axis), evaluated at Hartheim site in June 2005
Dans le texte
thumbnail Figure 6

Teneur en eau volumique du sol sous blé, mesurée le 23 juin 2005, à 6 profondeurs, par TDR (CS616) et par prélèvement d’échantillons. Volumetric water content of the soil under wheat, June, 23, 2005, at 6 depths, measured by TDR method (CS616 sensor) and evaluated gravimetrically.
Dans le texte
thumbnail Figure 7

Variation diurne du flux de CO2 [ mol/m2s] pour le site Montmeyan ESCOMPTE- (moyennes de juin/juillet 2001) d’après Fotiadi (2003). Mean daily CO2 flux [ mol/m2s] at the ESCOMPTE site Montmeyan. Mean values from June/July 2001, after Fotiadi (2003).
Dans le texte

Current usage metrics show cumulative count of Article Views (full-text article views including HTML views, PDF and ePub downloads, according to the available data) and Abstracts Views on Vision4Press platform.

Data correspond to usage on the plateform after 2015. The current usage metrics is available 48-96 hours after online publication and is updated daily on week days.

Initial download of the metrics may take a while.