ENERGIE ET ECOSYSTEMES J-F Castell INA PG - INRA

1. ENERGIE ET ECOSYSTEMES J-F Castell INA PG - INRA

2. Energie et écosystèmes - bilan radiatif et bilan d’énergie - conséquences pour les écosystèmes - Effet de serre et écosystèmes cultivés

3. Bilan radiatif et bilan d’énergie : Les transferts d’énergie dans l’environnement se font sous différentes formes : - radiative (rayonnements) - conductive (pas de déplacement du support) - convective (déplacement du support) - changement d’état (évaporation)

4. Le bilan radiatif Constante solaire : Io 1370 W.m-2

5. Rayonnement solaire(courtes longueurs d’onde) Rayonnements « terrestres » (grandes longueurs d’onde) Rg Ra aRg Rs Rn = Rg(1-a) + Ra - Rs

6. transferts radiatifs Changement d’état et transfertconvectif transferts convectifs Rn H LE G transferts conductifs Rn + G + H + LE = 0

9. Expériences des buvards : Rn Rn H H LE Buvard mouillé Buvard sec Rn = HTempérature élevée Rn = H+LETempérature moins élevée

10. Une très faible partie (moins de 5%) de l’énergie solaire reçue par la surface de la végétation est convertie en énergie stockée dans la matière sèche végétale par les processus de la photosynthèse

11. La photosynthèse est le phénomène par lequel certains organismes (notamment les plantes vertes) utilisent l’énergie lumineuse pour fabriquer des sucres à partir du gaz carbonique de l’air (CO2) et de l’eau (H20) puisée dans le sol par les racines CO2 • Elle se traduit par : • la fixation de CO2 • le dégagement d’oxygène (O2) dans l’air • la fabrication de matière vivante (biomasse)

12. Fonctionnement du couvert végétal Rayonnement solaire Pluviométrie CO2 Température CO2 + Eau CH2O + Oxygène (Sucres) Azote Eau

13. Effet de serre et agrosystèmes

14. Rayonnement solaire Une vitre laisse passer le rayonnement solaire « visible » La surface réfléchit une faible partie du rayonnement solaire, et en absorbe une grande partie : Elle s’échauffe Le mécanisme de l ’effet de serre ...

15. La vitre absorbe quasiment tout le rayonnement de grande longueur d’onde... La surface rayonne vers la vitre(infra-rouge) ... Elle s’échauffe et rayonne vers la surface. Le mécanisme de l ’effet de serre ... Rayonnement solaire (visible)

16. La température moyenne du globe a augmenté de 0,6°C depuis 1880 http://www.giss.nasa.gov

18. Augmentation du CO2 atmosphérique : environ 3,3 Gt/an (Déforestation des zones tropicales : environ 100 000 km²/an) Stockage de C d’une forêttempérée à forte croissance : environ 2,7 t / ha .an Pour stopper l’augmentation du CO2 actuelle, il faudrait planter : 3.3 .109 / 2.7 = 1.22 . 109 ha = 12.2 .106 km² Superficie du Sahara : 10 . 106 km² du bassin amazonien : 6 . 106 km²

19. Les activités humaines ont un impact sur la composition de l’atmosphère. L’augmentation des concentrations en GES a un impact sur le climat terrestre On prévoit une augmentation de la température moyenne du globe de 1 à 4°C d’ici 100 ans Le cycle de l’eau risque d’être perturbé par ces changements.

20. Ecosystèmes naturels / cultivés

21. Qu’est-ce qu’un écosystème ? Un écosystème pourrait être défini comme étant la plus petite subdivision de la biosphère capable de se suffire à elle-même sur le plan des échanges de matière. C’est un système (presque) fermé pour la matière et ouvert pour l’énergie

22. Écosystèmes naturels Écosystèmes cultivés • très faible diversité spécifique- relations trophiques simplifiées- ouvert pour la matière- milieux riches en éléments nutritifs • grande diversité spécifique- relations trophiques complexes- assez fermés pour la matière- milieux pauvres en éléments nutritifs

23. Bilan de carbone à l’échelle de l’écosystème : FC De jour : An Rt Rc Rs Rr Rm (microorganismes)

24. Bilan de carbone à l’échelle de l’écosystème : FC De nuit : An Rt Rc Rs Rr Rm (microorganismes)

25. Productivité brute de l’écosystème : PPB(GPP : Gross Primary Production) :Quantité de carbone fixée dans la végétation par la photosynthèse :PPB = An Production primaire nette de l’écosystème : PPN(NPP : Net Primary Production) : Quantité de carbone fixée dans la végétation pendant au moins 24h (sans tenir compte de la respiration hétérotrophe) : PPN = An - Ra Production nette de l’écosystème : PNE(NEP : Net Ecosystem Production) : Quantité de carbone fixée dans la végétation pendant au moins 24h (en tenant compte de la respiration) : PNE = PPN - Rh

27. Réseaux de mesure des flux de CO2

28. 1. Forêt pluviale tropicale (Brésil, Manaus) Flux total annuel (gC.m-2.an-1) Carbone aérien +170 Carbone racines+60 An 3040 Rt 2450 1480 970 Rf 410 Rh Da 700 Ra T 1370 Rt 390 Carbone organique+360 Rr Ds 680 630 (Malhi et al, 1999)

29. 2. Forêt tempérée (USA, Tennessee) - Chênes Flux total annuel (gC.m-2.an-1) Carbone aérien +150 Carbone racines+39 An 1725 Rt 1140 782 359 Rf 191 Rh Da 360 Ra T 828 Rtr 196 Carbone organique+396 Rr Ds 395 395 (Malhi et al, 1999)

30. 3. Forêt boréale (Canada, Saskatchewan) - Epicea Flux total annuel (gC.m-2.an-1) Carbone aérien +110 Carbone racines+30 An 963 Rt 895 446 449 Rf 216 Rh Da 51 Ra T 828 Rtr 87 Carbone organique-72 Rr Ds 143 326 (Malhi et al, 1999)

31. Stocks de carbone des principaux biomes forestiers (Malhi et al, 1999)

32. Stocks moyens de carbone des principaux biomes (Saugier, 2003)

33. Stocks de carbone dans diverses végétations (Saugier, 2003)

34. Les questions posées : • Quels changements d’usage ou de pratiques permettent une augmentation significative des stocks de C dans les sols ? • Quel est le devenir à moyen et long terme du C stocké dans les sols ? • Comment prendre en compte les effets secondaires sur l’environnement ? • Quel bilan avec les autres flux de gaz à effet de serre ? • Quelle est la faisabilité agronomique et pédologique des solutions envisageables ? • Comment juger de l’efficacité des mesures de politiques économiques ? • Quelle sera la fiabilité des méthodes de suivi et de contrôle ?

35. C organique du sol (0-30 cm) 0 à >9 kg m-2

36. Le stock de C des sols français est estimé à 3,1.109tonnes(dans la couche 0 – 30 cm) Ceci représente 1/500 des stocks mondiaux estimés La densité de C moyenne en France est de 62 t / ha (moyenne mondiale : 115 t / ha, calculée sur 1m et hors glaces et déserts) Les émissions annuelles de CO2 en France sont estimées à environ 100 . 106 tonnes, soit environ 3,1% du stock du sol.

37. Sols agricoles Sols forestiers Stocks de C 0 – 30 cm Inra – 2003

38. Problématique du stockage du C dans un agrosystème : CO2 retours ProductionPrimaire filière Végétation Retour rapide résidus Stock de carbone du sol Retour différé

39. On peut agir sur le stockage de carbone de quatre façons : - en augmentant la productivité végétale (fertilisation des forêts, variétés plus productives) - en gérant l’alternative retour rapide / stockage dans le sol (brûler les pailles / les incorporer) - en contrôlant la vitesse de biodégradation dans le sol (réduction du travail du sol, passage culture - prairie) - en gérant le carbone sur l’ensemble de la filière (allongement de la durée des rotations forestières, recyclage des sous-produits des filières …)

40. Evolution des stocks de carbone après modification de l’occupation des sols

41. Gestion de la matière organique du sol par l'agriculture

42. Impacts prévisibles des changements climatiques sur les écosystèmes et agrosystèmes

43. Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique Mesures de l’impact direct du CO2 sur la photosynthèse :

44. Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique Photosynthèse[µmol(CO2) m-2 s-1] Plante en C4 (maïs) Plante en C3 (blé) [CO2] actuelle

45. Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique

46. Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique Résultats expérimentaux sur le blé (Amthor, 2001)

47. Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique (en valeurs absolues) Production de biomasse aérienne (P) Indice de récolte Eau consommée (E) Efficience d’utilisation de l’eau (P/E) C3 Blé +31 +/- 16 +2,4 +/- 2,3 -17 +/- 17 +58 Orge +30 +/- 17 +1,3 -19 +/- 6 +60 Riz +27 +/- 7 +1,9 +/- 0,6 -16 +/- 9 +51 C3 fixant N2 Soja +39 +/- 5 +5 +/- 4,4 -23 +/- 5 +80 Luzerne +57 +/- 277 C4 Maïs +9 +/- 5 +4,3 +/- 4,6 -26 +/- 6 +47 Sorgho +9 +/- 29 -27 +/- 16 +49 (Saugier, 1990)

49. Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique Répartition de la biomasse de jeunes châtaigniers après 2 ans d’enrichissement en CO2 (Mousseau et Saugier, 1992)

50. Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique Impact sur la photosynthèse du Hêtre