ENERGIE ET ECOSYSTEMES
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ENERGIE ET ECOSYSTEMES J-F Castell INA PG - INRA. Energie et écosystèmes - bilan radiatif et bilan d’énergie - conséquences pour les écosystèmes - Effet de serre et écosystèmes cultivés. Bilan radiatif et bilan d’énergie :

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Presentation Transcript
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ENERGIE ET ECOSYSTEMES

J-F Castell INA PG - INRA


Slide2 l.jpg

Energie et écosystèmes

- bilan radiatif et bilan d’énergie

- conséquences pour les écosystèmes

- Effet de serre et écosystèmes cultivés


Slide3 l.jpg

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)


Slide4 l.jpg

Le bilan radiatif

Constante solaire : Io

1370 W.m-2


Slide5 l.jpg

Rayonnement solaire(courtes longueurs d’onde)

Rayonnements « terrestres » (grandes longueurs d’onde)

Rg

Ra

aRg

Rs

Rn = Rg(1-a) + Ra - Rs


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transferts radiatifs

Changement d’état et transfertconvectif

transferts convectifs

Rn

H

LE

G

transferts conductifs

Rn + G + H + LE = 0


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Expériences des buvards :

Rn

Rn

H

H

LE

Buvard mouillé

Buvard sec

Rn = HTempérature élevée

Rn = H+LETempérature moins élevée


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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


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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)


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Fonctionnement du couvert végétal 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

Rayonnement

solaire

Pluviométrie

CO2

Température

CO2 + Eau CH2O + Oxygène

(Sucres)

Azote

Eau


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Effet de serre et agrosystèmes 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


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Rayonnement solaire 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

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 ...


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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)


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La température moyenne du globe a augmenté de 0,6°C depuis 1880

http://www.giss.nasa.gov


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Augmentation du CO2 atmosphérique : depuis 1880 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


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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.



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Qu’est-ce qu’un écosystème ? l’atmosphère.

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


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Écosystèmes naturels l’atmosphère.

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


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Bilan de carbone à l’échelle de l’écosystème : l’atmosphère.

FC

De jour :

An

Rt

Rc

Rs

Rr

Rm

(microorganismes)


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Bilan de carbone à l’échelle de l’écosystème : l’atmosphère.

FC

De nuit :

An

Rt

Rc

Rs

Rr

Rm

(microorganismes)


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Productivité brute de l’écosystème : PPB l’atmosphère. (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



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1. Forêt pluviale tropicale (Brésil, Manaus) l’atmosphère. 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)


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2. Forêt tempérée (USA, Tennessee) - Chênes l’atmosphère. 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)


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3. Forêt boréale (Canada, Saskatchewan) - Epicea l’atmosphère. 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)


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Stocks de carbone des principaux biomes forestiers l’atmosphère.

(Malhi et al, 1999)


Slide32 l.jpg

Stocks moyens de carbone des principaux biomes l’atmosphère. (Saugier, 2003)


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Stocks de carbone dans diverses végétations l’atmosphère. (Saugier, 2003)


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Les questions posées : l’atmosphère.

  • 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 ?


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C organique du sol (0-30 cm) l’atmosphère.

0 à >9 kg m-2


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Le stock de C des sols français est estimé à 3,1.10 l’atmosphère. 9tonnes(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.


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Sols agricoles l’atmosphère.

Sols forestiers

Stocks de C

0 – 30 cm

Inra – 2003


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Problématique du stockage du C dans un agrosystème : l’atmosphère.

CO2

retours

ProductionPrimaire

filière

Végétation

Retour rapide

résidus

Stock de carbone du sol

Retour différé


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On peut agir sur le stockage de carbone de quatre façons : l’atmosphère.

- 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 …)





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Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique écosystèmes et agrosystèmes

Mesures de l’impact direct du CO2 sur la photosynthèse :


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Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique écosystèmes et agrosystèmes

Photosynthèse[µmol(CO2) m-2 s-1]

Plante en C4 (maïs)

Plante en C3 (blé)

[CO2] actuelle


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Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique écosystèmes et agrosystèmes


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Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique écosystèmes et agrosystèmes

Résultats expérimentaux sur le blé (Amthor, 2001)


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Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique écosystèmes et agrosystèmes

(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)


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Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique écosystèmes et agrosystèmes

Répartition de la biomasse de jeunes châtaigniers après 2 ans d’enrichissement en CO2

(Mousseau et Saugier, 1992)


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Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique écosystèmes et agrosystèmes

Impact sur la photosynthèse du Hêtre


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Production de biomasse herbacée d’un micro-écosystème méditerranéen cultivé à 350 ou 700 vpm de CO2

Roy et al., 1994


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Effets directs du doublement de CO2 : méditerranéen cultivé à 350 ou 700 vpm de CO2

Photosynthèse des espèces en C3 fortement stimulée ;Photosynthèse des espèces en C4 peu modifiée.

La stimulation décroît au cours du temps, de façon différente selon les espèces et les conditions de milieu

Les C3 à fort potentiel de croissance semblent les plus aptes à bénéficier d’une stimulation prolongée de photosynthèse


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Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique méditerranéen cultivé à 350 ou 700 vpm de CO2

Impact sur la transpi-ration du maïs

Bethenod et al., 1995


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Effets directs du doublement de CO2 : méditerranéen cultivé à 350 ou 700 vpm de CO2

  • Fermeture partielle des stomates plus marquée chez les C4 que chez les C3

  • Baisse de l’évapotranspiration de 10 à 30% (couvert fermé) plus nette en forêt qu’en prairie

Possibilité pour les plantes d’occuper des endroits plus secs

Plus fort échauffement des végétations


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Effets de l’augmentation du CO2 atmosphérique méditerranéen cultivé à 350 ou 700 vpm de CO2

Impact sur les densités stomatiques


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Effets de l’augmentation de température méditerranéen cultivé à 350 ou 700 vpm de CO2

Effets de la température sur la vitesse de développement


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Effets de l’augmentation de température méditerranéen cultivé à 350 ou 700 vpm de CO2

LE CONCEPT DE SOMME DE TEMPERATURE

Au jour j, si T est compris entre T0 et Tm :

Nombre de feuilles produites le jour j = a (T-T0)

Nombre de feuilles totale produites au jour j =

1/a : phyllochrone (deg. j pour produire une feuille)

T0 : température de base


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Prise en compte des scénarios d’augmentation de la température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe


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Effets de l’augmentation de température température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

Augmentation de la température

Augmentation de la respiration

Diminution de la production nette journalière

Diminution de la durée du cycle

Diminution de la durée de capture du rayonnementDiminution de la durée de remplissage du grain (blé)


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Modification du climat température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

EFFETS PHYSIQUES

EFFETS BIOLOGIQUES

Durée du cycle végétatifRéduction de l ’assimilationAugmentation de la sécheresse

Augmentation de photosynthèseAmélioration stomatesMeilleure utilisation de l ’eau

PRODUCTION REDUITE

PRODUCTION ACCRUE

?


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Comment prévoir les effets combinés ? température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

  • Les études expérimentales sont très difficiles à réaliser

  • L’utilisation couplée de modèles peut être une solution

  • modèles climatiques (simulation des données climatiques)

  • modèles de bilan de carbone du sol

  • modèles de culture


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Effets combinés température – CO2 température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

(Ballesdent, 1996)

Composés végétaux

Modèle de production

Polysaccharidesstructuraux(cellulose)

Lignines

Composés métaboliques,azote

0.8

CO2

(0,8 ans)

(4 ans)

(0,2 ans)

0.15

0.6

Décomposeurs et leurs métabolites

CO2

(4 ans)

0.05

MO lentement décomposables

CO2

(40 ans)

MO stables

(4000 ans)


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Effets combinés température – CO2 température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

  • Données d’entrée du modèle :

  • Quantité et composition des composés végétaux

  • Température

  • Humidité

  • Texture

  • Travail du sol


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Effets combinés température – CO2 température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

Simulations des effets du réchauffement climatique sur les stocks de carbone des sols cultivés (Ballesdent, 1994)

Scénario

Incrément T (°C/an)amplitude

[CO2] 2050production

Stock C 2050

Stock d’équilibreavec les conditions 2050

0« équilibre »

00

3501

4 kg/m²

4 kg/m²

AT+1,8°C

0.030

3501

3.67

3.38

Bpro+20%

00

5201.2

4.31

4.63

C(A+B)

0.030

5201.2

3.95

3.90

A bis(T+1,8°Cet A +3,2°C)

0.030.06

5201

3.52

3.14


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Effets combinés température – CO2 température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

Au niveau des stocks de carbone des sols tempérés :

Des effets qui se compensent, mais l’imprécision des estimations est considérable !


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Effets combinés : température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

Rayonnement

CO2

EP

Rayonnement absorbé

état stomates

Vitesse de développement

Surface foliaire

photosynthèse

Pluie

sénescence

Assimilats

respiration

Durée de remplissage

Température

Biomasse aérienne

Biomasse racinaire

Biomasse grains


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Effets combinés : température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

Simulation de la durée du cycle du blé à Versailles, sur la base des changements climatiques prévus par 3 modèles(Delecolle, 1993)

Le cycle des variétés actuelles devrait être raccourci de 26 jours en moyenne


Slide68 l.jpg

Effets combinés : température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

Simulation des pertes de rendement du blé à Versailles, sur la base des changements climatiques prévus par 3 modèles(Delecolle, 1993)

Les pertes de rendement simulées sont de l’ordre de –20%


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Effets combinés : température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

Simulation des pertes de rendement du blé à Versailles, sur la base des changements climatiques prévus par 3 modèles et d’un doublement du CO2 atmosphérique

(Delecolle, 1993)

Les rendements simulés sont peu différents des rendements actuels (-7%)


Cons quences pr visibles sur une culture de bl des effets qui se compensent l.jpg

Augmentation de température : température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe- respiration accrue- cycle raccourci- baisse de rendement

Conséquences prévisibles sur une culture de blé : des effets qui se compensent

  • Augmentation de la teneur en CO2 :- photosynthèse accrue- meilleure utilisation de l ’eau

Ces résultats concernent les variétés actuelles : le progrès génétique permettra probablement de disposer de génotypes plus adaptés aux nouvelles conditions


Quelle confiance peut on accorder aux pr visions l.jpg
Quelle confiance peut-on accorder aux prévisions ? température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe


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Quelles conséquences pour l’environnement global ? température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe

  • Accroissement de la compétition (C3/C4)

  • Réponses spécifiques variables : modification de la composition floristique des communautés

  • Changement de composition des forêts

  • Déplacement des isothermes de 3 à 6 km/an (hypothèse de +3 °C en 100 ans) migration des espèces d’arbres = 0,25 à 0,4 km/an zones de transition ?

  • Extinction d’espèces sûrement plus rapide que l’apparition d’espèces ou d’écotypes nouveaux.


Slide73 l.jpg

The end température pour estimer l’extension de l’aire de production du maïs en Europe