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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
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
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
Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Introduction
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Introduction
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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.
Intégration des cycles biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Introduction
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
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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
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
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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
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – E-Dendro, principe
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – E-Dendro, principe
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 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
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Quantification of the slash management effects ?
TA
TB
Stand BasalArea Growth
Dominant Height growth
Stand BasalArea Growth
Dominant Height growth
TA
TB
? ?
Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
Example for the individual tree growth
Slash management
Tree competition was not modified
Quantification of the slash management effects ?
? ?
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
Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Saint-André et al. 2008
Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Dominant Height growth Increment (m/month)
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
Dominant Height growth Increment (m/month)
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
Dominant Height growth Increment (m/month)
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
Dominant Height growth Increment (m/month)
Bas
al A
rea
gro
wth
incr
emen
t (m
2/m
on
th) SMT0
SMT1
SMT3
SMT4
5b)
Saint-André et al. 2008
Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Saint-André et al. 2008
Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 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
Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Cycle biogéochimiques dans les modèles de dynamiques forestières – Courbes de réponse
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
Modélisation pour les ressources naturelles, Montpellier, Juin 2008
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
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