Guyaflux

Saturday 12 February 2011

Résumé

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Le dispositif de recherche Guyaflux est situé dans la forêt de Paracou, commune de Sinnamary, en Guyane française. Son principal équipement est une tour à flux de 55 mètres de hauteur qui mesure en temps réel les échanges gazeux entre la forêt tropicale et l’atmosphère.

Ses objectifs scientifiques sont les suivants :

  • Caractériser l’intensité des flux de CO2 et H2O, leur variabilité temporelle, et leur contribution aux cycles globaux ;
  • Préciser la contribution de l’écosystème forestier tropical humide guyanais au puits de carbone biosphérique ;
  • Préciser l’impact de contraintes environnementales sur le bilan de carbone ;
  • Analyser la contribution des différents compartiments (sol, sous-étage et canopée) de l’écosystème au stockage et aux flux d’eau et de carbone ;
  • Modéliser la productivité primaire de ces écosystèmes, en reliant flux de carbone et croissance des arbres ;
  • Préciser les interactions entre le cycle de l’eau, du carbone et celui des éléments minéraux majeurs (azote, phosphore).

Présentation

Motivations

L’augmentation de la concentration en CO2 dans l’atmosphère depuis le début de l’ère industrielle est au centre des préoccupations de lacommunauté scientifique internationale, en raison des conséquences qu’elle peut avoir sur l’effet de serre et la modification du climat général de la planète. L’un des enjeux majeurs de la recherche par rapport à cette problématique réside dans la compréhension et la caractérisation des flux et stocks de carbone dans le système atmosphère-biosphère terrestre.

Le rôle des forêts tropicales humides, caractérisées par une grande étendue ainsi que par une productivité primaire élevée, doit être examiné avec attention. Ces forêts contribuent-elles à ralentir l’augmentation des concentrations en CO2 dans l’atmosphère (puits de carbone) ou bien constituent-elles une source de carbone, notamment en raison des déforestations ? Aucune réponse précise et fiable ne peut être donnée actuellement à ces questions. Par ailleurs, sa contribution au cycle hydrologique global n’est pas évaluée de façon satisfaisante.

Il apparaît ainsi primordial de mettre en place des réseaux de mesures de CO2 et H2O entre l’écosystème forestier tropical humide et l’atmosphère.

Deux dispositifs de mesure des flux de CO2 et H2O sont installés de façon permanente au cœur de la forêt primaire amazonienne (Brésil). La forêt amazonienne présentant une diversité d’espèces et une hétérogénéité importantes, le réseau actuel doit être complété. En particulier, la forêt tropicale humide de Guyane, située sur le Plateau des Guyanes, se caractérise par une composition floristique différente de la forêt du bassin amazonien et par une influence océanique qui engendre des conditions climatiques particulières (saison sèche marquée). En outre, cette forêt est essentiellement non-perturbée.

La forêt guyanaise est la seule forêt tropicale humide faisant partie de l’Union Européenne et offre des opportunités uniques pour l’analyse des questions introduites ci-dessus. D’une part, sa richesse floristique, l’étendue de ses surfaces forestières avec relativement peu de perturbations humaines en font un écosystème de référence. D’autre part, la présence d’une infrastructure technique et scientifique permanente, avec des chercheurs de plusieurs instituts collaborant dans le cadre du GIS SILVOLAB, et épaulés par des programmes nationaux solides, constitue un atout important au plans logistique et scientifique et une garantie réelle pour la mise en œuvre de projets de durée importante.

L’INRA, en collaboration avec les partenaires de Silvolab, a décidé de mettre en place en 2003 un nouveau site atelier en Guyane française : Guyaflux . Un tel site, outre la réalisation en continu de mesure de flux au-dessus du couvert, permet d’accueillir des recherches complémentaires visant par exemple à décomposer les flux de carbone et d’eau par compartiment (sol, racines, tiges, canopées). Il permet notamment d’avoir un accès permanent à la canopée pour des récoltes de feuilles et des mesures d’échanges in situ, de récolter des échantillons gazeux pour des mesures de composition isotopique en 13C et 18O dans le CO2 de l’air, d’estimer la contribution du sol et des racines aux flux respiré.

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Palmier vu de la tour

Contexte Scientifique

Le cycle du carbone, et notamment l’évolution de la concentration atmosphérique en CO2, ainsi que le climat aux échelles globale et régionale, sont étroitement dépendants des échanges entre la biosphère terrestre et l’atmosphère. L’interface entre la biosphère terrestre et l’atmosphère, dont les propriétés modulent les transferts d’énergie et de masse (eau, carbone) joue un rôle essentiel, mais complexe, à cet égard. En effet, les grands biomes à l’échelle de la planète diffèrent dans leur fonctionnement, non seulement parce que les variables de forçage climatiques (rayonnement, température, humidité atmosphérique, etc.) diffèrent, mais aussi parce que les paramètres fonctionnels intrinsèques de ces systèmes sont modulés en fonction de ces variables. Parmi les plus importantes formations végétales, la forêt tropicale humide occupe une surface d’environ 17 106 km2 dans le monde, dont 7.5 106 km2 pour la seule Amérique latine. La forêt tropicale humide renferme presque la moitié de la biomasse, donc du stock de carbone terrestre aérien (TAYLOR et LLOYD 1992).

Les études réalisées à l’échelle du globe sur le cycle et le bilan de carbone par mesure des gradients latitudinaux et des variations de composition isotopique du carbone et de l’oxygène du CO2 atmosphérique (CIAIS et al. 1995), suggèrent que globalement, le bilan de l’Amazonie est nul ou même légèrement négatif (elle joue le rôle de "puits de carbone") (GRACE et al. 1995; KRUITJT et al. 1996; MIRANDA et al. 1997). Or, une émission importante de carbone vers l’atmosphère se produit lors des déforestations. Il est important de savoir si la compensation par rapport à la déforestation se fait par recrû des zones déforestées (ce qui est peu probable) ou par une fixation nette des surfaces non déforestées. L’augmentation de la concentration atmosphérique en CO2 depuis le début de l’ère industrielle, stimulant la productivité primaire, pourrait être à l’origine de ce second effet. Des mesures directes concernant la dynamique et le bilan de carbone à l’échelle de l’écosystème sont nécessaires pour élucider cette question.

Afin d’évaluer le rôle des écosystèmes forestiers tropicaux en tant que "puits de carbone", il est nécessaire de s’appuyer sur l’étude du fonctionnement des différents compartiments de ces écosystèmes (sol, strates végétales,…). Des travaux ont mis en évidence une forte discrimination isotopique du carbone à l’échelle du couvert (BONAL et al. 2000) ou de l’écosystème (BUCHMANN et al. 1998; BUCHMANN et al. 1997), suggérant des valeurs élevées de conductance stomatique. Il apparaît nécessaire de caractériser les différentes composantes qui définissent les flux de CO2 entre la biosphère et l’atmosphère. Un des enjeux de ces recherches est de connaître pour la forêt tropicale humide, la part respective des deux grands termes du bilan : l’assimilation de carbone du couvert (Gross Primary Productivity, GPP), et la respiration de l’écosystème (Reco). En particulier, existe-t-il une relation entre ces deux termes lorsque l’on considère différents écosystèmes ou types de couvertures végétales. Le fonctionnement carboné du sol doit être appréhendé dans une première étape sur un plan quantitatif et global, l’objectif premier étant de connaître la part de cette composante dans le flux de respiration total de l’écosystème.

Les surfaces forestières influencent le cycle hydrologique global, et jouent un rôle important dans la régulation du climat. Pour prédire les flux de vapeur d’eau et les températures de surface, les modèles globaux (WILLIAMS et al. 1998) utilisent des paramètres de conductance (conductance du couvert) caractéristiques des différents types de végétation. Or, ces informations sont encore très incertaines en ce qui concerne les forêts tropicales humides où la diversité interspécifique fonctionnelle est considérable (BONAL et al. 2000; MARTINELLI et al. 1998). Quel est l’ordre de grandeur de cette conductance, comment varie-t-elle en relation avec les variables climatiques et édaphiques, la physiologie des couverts est-elle différente selon les conditions moyennes caractérisant le climat ? Pour répondre à ces questions, il apparaît nécessaire de les appréhender par des mesures directes des caractéristiques fonctionnelles de cet écosystème.

Etat de l’art

Avancées méthodologiques

Corrélations turbulentes et mesures écophysiologiques

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Anémomètre

La méthode des corrélations turbulentes permet de mesurer en continu les flux d’eau, de CO2 et d’énergie au-dessus des couverts forestiers et d’en calculer les bilans. Considérant la hauteur de mise en place des capteurs (20 m au-dessus de la canopée), la surface d’intégration de ces mesures est de l’ordre de 50 à 100 ha. Cette méthode fournit aussi le moyen de séparer le terme de respiration de l’écosystème (Reco) du bilan net de carbone (NEP), et ainsi de calculer l’assimilation brute totale du couvert (GPP), sachant que NEP = GPP - Reco. Les termes Reco et GPP peuvent ainsi être mis en relation avec les variables climatiques, édaphiques ou structurelles, ainsi qu’avec les mécanismes physico-chimiques ou biologiques qui les déterminent.

Les progrès méthodologiques au cours de la dernière décennie (amélioration de la fiabilité de l’appareillage, anémomètres 3D, analyseurs de gaz de type ouvert à réponse rapide, informatique, moyens de stockage de l’information, logiciels de traitement en ligne des données, etc.) ont conduit à une plus grande fiabilité de cette technique, et autorisent de ce fait un suivi des flux sur le long terme. Des réseaux de suivi ont été installés à l’échelle européenne (projets Euroflux, Carboeuroflux et Carboage), américaine (Ameriflux) ou asiatique (Asiaflux).

Les mesures de flux sont complétées par des approches au sol ou à l’échelle de l’arbre (inventaires, mesures écophysiologiques, mesures de l’indice foliaire, etc.), ou par la télédétection, permettant d’obtenir des bilans nets annuels de carbone, d’étudier le déterminisme des flux, et d’alimenter des modèles de fonctionnement hydrique, carboné et de croissance des arbres (GRANIER et al. 2000, 2000b; VALENTINI et al. 2000).

Outils isotopiques

L’analyse des profils isotopiques du CO2 (13C et 18O) et de H2O (phase vapeur et liquide) dans le couvert et de leurs variations temporelles (journalière, saisonnière), combinée à l’étude des flux isotopiques entre couverts et atmosphère ("relaxed eddy correlation") permet d’identifier l’origine du CO2 (troposphérique, respiration des végétaux, respiration souterraine…) et finalement de quantifier les différentes composantes du flux global ainsi que l’importance du recyclage du CO2 d’origine respiratoire par la photosynthèse.

Les analyses de 13C et 18O dans la matière végétale foliaire des différentes espèces arborées composant le peuplement permettent une approche de type "bottom up", indépendante de la mesure des flux globaux, qui sert ici de validation du couplage entre flux de CO2 et H2O (efficience d’utilisation de l’eau) ainsi que de la discrimination isotopique à l’échelle du couvert. Cette approche, débouche sur l’élaboration de modèles originaux de fonctionnement du couvert prenant en compte le rôle fonctionnel de la biodiversité. Par ailleurs, elle fournit des valeurs de discrimination isotopique du couvert particulièrement pertinentes pour la modélisation du cycle global du carbone (CIAIS et al. 1995).

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Arbre en fleurs

Programmes nationaux ou internationaux

Dans le but de disposer de données sur les flux de CO2 et H2O entre les divers écosystèmes forestiers et l’atmosphère à l’échelle locale, plusieurs grands programmes nationaux ou internationaux ont été lancés en Europe (EUROFLUX et MEDEFLUX, puis CARBOEUROFLUX), aux USA (AMERIFLUX), au Japon (JAPANNET) et en Amérique du sud (EUSTACHE-LBA, CARBONSINK-LBA). Ces programmes, fédérés sous l’appellation FLUXNET, s’appuient sur des sites fortement instrumentés, mettant en œuvre la méthode des corrélations turbulentes.

L’examen de la répartition spatiale des sites de mesure sur le globe fait apparaître une forte concentration de ces sites en Europe et en Amérique du Nord, et au contraire une grande faiblesse des implantations dans des grandes zones forestières, la forêt tropicale humide en particulier. En milieu tropical humide, le programme LBA a été lancé par la NASA en 1997, en collaboration avec le gouvernement brésilien, et doit se terminer en 2003. L’objectif de LBA est de coordonner différents projets scientifiques afin de fournir des informations quantitatives sur le fonctionnement de la forêt centre-amazonienne, et sur les effets des perturbations d’origine anthropiques, grâce à d’autres sites implantés sur des zones perturbées par les activités humaines : coupes rases ou brûlis, plantations intensives, agriculture.

Principaux acquis des sites des corrélations turbulentes

Parmi les principaux résultats obtenus récemment en milieu tempéré, il apparaît que le bilan net de carbone est soumis à une forte variabilité inter-annuelle (VALENTINI et al. 2000). Sur certains sites, NEP est même tantôt négatif (puits de C), tantôt positif (source de C). Ceci est à mettre en relation avec les conditions climatiques, eau et température en particulier, et aussi avec la gestion sylvicole. Si le bilan net de carbone dépend directement de l’assimilation brute de carbone par les arbres et de la respiration de l’écosystème, c’est ce dernier terme qui semble présenter les variations temporelles et spatiales les plus fortes (VALENTINI et al. 2000). Le terme respiration du sol, qui représente à lui seul entre 60 et 70% de Reco (EPRON et al. 1999a, 1999b, GRANIER et al. 2000a), apparaît être particulièrement crucial à quantifier de ce point de vue.

Les relations entre le bilan net de carbone et l’accroissement en biomasse de l’écosystème sont complexes. En effet, des travaux récents, notamment certains menés sur les sites EUROFLUX, montrent un désaccord entre la quantité de carbone incorporé annuellement dans l’écosystème et l’accroissement en carbone des arbres sur le même pas de temps, même si l’on prend en compte la partie souterraine (Granier et al., 2000b). Ceci est très probablement à relier avec les variations inter-annuelles du stock de carbone dans l’écosystème. Or, la précision des estimations de ce stock de carbone total est de l’ordre de grandeur des flux de carbone annuels.

Si l’on s’accorde à dire que les forêts tropicales humides sont caractérisées à la fois par une productivité primaire brute élevée (FIELD et al. 1998) et par une forte respiration totale (GRACE et al., 1996 ; MAHLI et al., 1999), les informations disponibles à ce jour sont encore contradictoires, notamment en ce qui concerne la force de puits pour le carbone de la forêt primaire (GRACE et al. 1995; KRUITJT et al. 1996; MIRANDA et al. 1997; WILLIAMS et al. 1998). Il a été suggéré que la productivité nette de cet écosystème serait de l’ordre de 1 t C ha-1 an-1 (GRACE et al. 1995). Cependant, cette estimation n’intègre pas les variations saisonnières du climat et l’impact possible des variations de la disponibilité en eau dans le sol pour lequel des grandes différences ont été observées à l’échelle interspécifique (BONAL et al. 2000 ; BONAL et al. 2000b ; BONAL et GUEHL 2001 ; GRANIER et al. 1992 ; HUC et al. 1994). Il est donc primordial de caractériser les flux nets de carbone sur le long terme, mais aussi de déterminer la part de chacune des composantes du bilan et leurs variations intra- et inter-annuelles.

En ce qui concerne le fonctionnement hydrique à l’échelle de la parcelle, peu d’études ont été réalisées à ce jour en forêt tropicale humide (SHUTTLEWORTH et al., 1989). En Guyane Française, le projet ECEREX (DUCREY et GUEHL 1990; BARIAC et al. 1996) a permis d’aborder quelques questions liées aux flux d’eau et d’éléments minéraux à l’échelle de bassins versants,. Les mesures de flux de vapeur d’eau ont permis de calculer la conductance du couvert globale pour la vapeur d’eau et l’utilisation simultanée de la méthode des flux de sève a donné accès à la composante "transpiration" dans l’ETR de la forêt (BONAL et al. 2000 ; GRANIER et al. 1996). Il est apparu donc nécessaire de mieux appréhender ce fonctionnement, au travers de mesures des flux d’eau par les corrélations turbulentes associées à des mesures de flux de sève dans les arbres et de bilan hydrique dans le sol.

Le dispositif de recherche guyanais

Les différents organismes de recherche sur la forêt présents en Guyane se sont regroupés en 1992 au sein d’un Groupement d’Intérêt Scientifique (GIS Silvolab-Guyane) qui se compose aujourd’hui de 10 membres. Le GIS Silvolab-Guyane a pour objectif de coordonner et de développer les actions de ses différents partenaires autour du thème d’intérêt commun :"Etude des bases physiques et biologiques du fonctionnement et de l’aménagement des écosystèmes forestiers humides de Guyane". Il s’intéresse donc aussi bien à la recherche de base (fonctionnement, écologie, dynamique des populations et des peuplements, etc.) qu’à la recherche finalisée (gestion forestière, aménagement durable, etc.). Une attention particulière est portée à la bonne intégration des recherches dans un réseau de coopérations régionales amazoniennes mais aussi européennes.

L’un des objectifs fondamentaux est "d’évaluer le rôle de la diversité fonctionnelle dans le fonctionnement biogéochimique global de l’écosystème (cycle de l’eau, du carbone et des éléments minéraux) et d’en établir les bilans par intégration spatiale des processus". Le programme de recherche Guyaflux s’inscrit pleinement dans la problématique de Silvolab.

Objectifs scientifiques du site-atelier

Mesurer les échanges de CO2 et H2O entre le couvert forestier guyanais et l’atmosphère

Les différents projets actuels de mesure des flux de CO2 et H2O en Amazonie portent sur des périodes courtes (1-2 ans) ne permettant pas, d’étudier de façon approfondie la variabilité inter-annuelle des échanges écosystèmes forestiers / atmosphère. De plus, le faible nombre de ces sites (2 en fonctionnement et 3 à venir) ne permet d’envisager ni de représenter la variabilité des types forestiers présents en Amazonie, ni de celle des conditions climatiques. Il apparaît donc pertinent, dans le contexte présenté précédemment, de disposer d’un site de mesures localisé en Guyane Française, pour les raisons suivantes :

  1. La Guyane Française est située dans la zone d’interaction entre le bassin amazonien et les masses d’air atlantiques. Cette frange est caractérisée par un climat relativement moins humide que le cœur du bassin amazonien, avec une saison sèche plus marquée, et une répartition d’espèces très différente. Il est probable que les fluctuations climatiques à court terme (variations inter-annuelles, accidents climatiques) ou à plus long terme (changements globaux) affecteront de façon plus marquée la zone plus océanique.
  2. Une activité scientifique importante existe depuis plusieurs décennies en forêt tropicale humide guyanaise, caractérisée par une présence constante et en augmentation de chercheurs, par des dispositifs de terrain pour lesquels des connaissances approfondies sur le fonctionnement de la forêt sont déjà disponibles (BAFOG, Paracou, Nouragues, St-Elie, etc.). L’existence en Guyane d’un dispositif de recherche permanent permet d’envisager le fonctionnement d’un site-atelier dans la durée, constituant ainsi une réelle force par rapport aux projets existant déjà (cf. LBA).
  3. La mesure des flux de CO2 et H2O à l’échelle du couvert sur un site-atelier fortement instrumenté permettra de caractériser le bilan des flux de masse et d’énergie de l’écosystème forestier guyanais (rôle de la forêt tropicale humide guyanaise dans le "puits" de carbone biosphérique), d’appréhender sa variabilité inter- et intra-annuelle, de déterminer la part des principales composantes des flux globaux (Reco, GPP), et de valider les modèles d’intégration des processus écophysiologiques.

Caractériser les différentes composantes des cycles du carbone et de l’eau

Si la partie centrale de ce projet est constituée par la mesure des flux échangés entre le couvert forestier et l’atmosphère, des approches complémentaires seront menées parallèlement, pour mieux comprendre et modéliser le fonctionnement des grands compartiments qui constituent l’écosystème. Il s’agit en particulier :

  1. de quantifier les stocks de carbone dans les différents compartiments, vivants ou morts, aériens et souterrains,
  2. d’évaluer les flux de carbone dans et entre les différents compartiments et analyser leur déterminisme : respiration autotrophe et hétérotrophe, assimilation photosynthétique, chutes de litières et leur décomposition, drainage de carbone. Les outils isotopiques sont bien appropriés à ces objectifs
  3. d’évaluer les différentes composantes du bilan hydrique : pluie, interception, écoulements, transpiration, etc.
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Capteurs

Modéliser et spatialiser les flux

L’ensemble des études menées sur le fonctionnement des différents compartiments de l’écosystème permet d’établir des modèles fonctionnels basés sur les contrôles climatiques. L’intégration de ces différents modèles permet de donner une estimation des flux globaux à l’échelle de l’écosystème. Cette intégration peut être validée par confrontations avec les mesures de flux globaux réalisés par les techniques des corrélations turbulentes. Ainsi, il est possible d’utiliser cet outil pour prédire les conséquences des perturbations climatiques sur le cycle du carbone et de l’eau à l’échelle globale.

Relier flux et croissance et producticvité des arbres

L’existence d’une base de données dendrométriques et de dynamique des communautés végétales constituée sur les placettes de Paracou constitue un atout essentiel pour relier bilans et flux d’eau et de carbone, et productivité et croissance des arbres.
Coupler flux d’eau, de carbone et cycle de l’azote et des éléments minéraux.

Malgré la pauvreté minérale des sols, les forêts de Guyane se caractérisent par une productivité primaire élevée. Les processus à l’origine de cette efficience d’utilisation des ressources minérales très élevée restent à élucider. Il s’agit de caractériser les teneurs en azote et phosphore dans les principaux compartiments de l’écosystème (sol, arbres) ainsi que leur dynamique et de préciser le recyclage de ces éléments en s’intéressant de façon privilégiée aux processus physiologiques ou édaphiques clés sous tendant les interrelations entre la dynamique de l’eau du carbone et des éléments minéraux . Les axes de recherches suivants paraissent pertinents :

  1. Etude globale du cycle de l’azote et des éléments minéraux en relation avec la dynamique de l’eau dans le sol (utilisation de modèles bilan hydrique, dépôts azotés, flux en phase liquide).
  2. Volatilisation de N en relation avec la dénitrification (N2O, N2) évaluée soit par la technique des chambres au niveau du sol , soit par l’approche corrélations turbulentes. Évaluation conjointe des flux de CH4.
  3. Dynamique de C et N dans le sol sous forme organique et minérale, notamment à l’aide de marquages 15N et 13C de la litière.
  4. Etude de l’acquisition et utilisation de P et N par les arbres en relation avec les symbioses racinaires mycorhiziennes ou bactériennes et leur diversité ; mise en évidence de groupes fonctionnels d’espèces et modélisation à l’échelle du peuplement (bottom up)

Données en temps réel

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