Contexte

Le réseau de surveillance de l'état sanitaire des forêts a mis en évidence une nette fragilisation de la santé des forêts depuis plusieurs années. Les dépérissements observés (mortalité et baisse d'indice foliaire) sont imputés aux changements climatiques et à leurs événements extrêmes qui peuvent provoquer une réduction progressive de la croissance. Les impacts de l'évolution climatique sur la productivité forestière sont encore mal compris alors que les enjeux économiques et environnementaux sont considérables. Ainsi, il apparaît essentiel d'avancer dans la compréhension et la prévision des impacts du changement climatique sur la croissance des différentes essences forestières, en passant notamment par une amélioration des modèles fonctionnels.

Objectifs

Dans ce contexte, le projet AFOCLIM vise à étudier le dépérissement des forêts face aux variations climatiques, notamment les sécheresses, en utilisant les caractéristiques des cernes des arbres. Il sera basé sur le couplage de deux approches ayant en commun l'utilisation des signaux isotopiques du cerne (d¹³C et d¹⁸O) :

• La dendrochronologie/isotopie (dendro-isotopie), maîtrisée par le LSCE, qui permet d'étudier les variations inter-annuelles passées et leur corrélation avec les variables météorologiques pour développer des méthodes de reconstitution paléoclimatique.
• L'écophysiologie, menée à ESE, qui étudie les variations inter et intra-annuelles de composition isotopique des cernes pour comprendre ce signal en terme de fonctionnement carboné et hydrique de l'arbre. Cette démarche permet d'améliorer la compréhension et la modélisation de la gestion du carbone par l'arbre.

Une confrontation des mesures dendrochronologiques, isotopiques, météorologiques et hydrologiques menées par les différents laboratoires impliqués sera menée afin :

• d'établir des relations statistiques prédisant les changements climatiques passés à partir d'un jeu de données de caractéristiques des cernes ;
• e simuler les variations saisonnières et interannuelles de composition isotopique et de croissance du cerne au moyen d'un modèle validé basé sur le fonctionnement écophysiologique des arbres, à l'aide du même jeu de données que celui utilisé dans le point précédent;
• d'utiliser le modèle pour analyser la réponse fonctionnelle des arbres aux changements climatiques en terme de croissance et d'efficacité d'utilisation de l'eau ;
• de proposer des modèles plus ou moins simplifiés permettant de prédire aussi bien le climat passé sur la base des caractéristiques des cernes des arbres, que leur croissance future sur la base de scénarios climatiques et de gestion sylvicole.

Méthodologie

Volet 1 : Acquisition des données sur les cernes

Dans la forêt de Fontainebleau, choisie comme site pilote en raison de l’existence d’une importante documentation sur les parcelles, la météorologie, l’hydrologie et l’exploitation de la forêt, on procédera à :

• un échantillonnage des cernes sur trois essences forestières contrastées largement représentées en Europe : le chêne, le hêtre et le pin;
• l’acquisition des données de largeur et de composition isotopique (d¹³C et d¹⁸O) des cernes de hêtre et de pin sur les 30 dernières années, les données étant déjà acquises pour le chêne. Sur cette période de 30 ans sont disponibles des données météorologiques journalières fiables et homogénéisées.

Volet 2 : Analyses des données cernes-climat

Les données dendrochronologiques et isotopiques interannuelles seront confrontées à celles du climat par des approches corrélatives à l'aide de théories statistiques adaptées. La teneur en eau du sol, et donc sa disponibilité réelle pour l'arbre, obtenue à partir des calculs de bilans hydriques des parcelles, sera prise en compte dans les études statistiques. Les réponses des trois espèces seront comparées entre elles. Les relations statistiques empiriques ainsi obtenues seront introduites dans un modèle de bilans carboné et hydrique développé pour des échelles continentale et globale (ORCHIDEE).

Croissance en largeur de cerne pour trois essences forestières de la forêt de Fontainebleau de 1960 à 2007. On peut remarquer des convergences et des divergences dans la croissance des arbres en fonction du climat. Certaines années sèches comme 1976 ou 1996 sont très défavorables à la croissance des trois essences tandis que d'autres comme 1982 n'influencent pas la croissance de la même manière pour toutes les essences.

Volet 3 : Compréhension fonctionnelle des liens cernes-climat

L'interprétation fonctionnelle des signaux se fera à partir des connaissances actuelles sur les signaux isotopiques, notamment en terme d'efficience d'utilisation de l'eau pour le signal ¹³C. A ce jour, l'ensemble des processus de gestion de l'eau et du carbone des arbres est déjà synthétisé dans le modèle de bilan carboné et hydrique des forêts CASTANEA. Un travail d'introduction dans ce modèle des flux isotopes ¹³C et des discriminations isotopiques a été récemment mené. Ce volet du projet vise à améliorer le modèle ainsi obtenu et à rajouter les flux isotopes ¹⁸O, afin d'obtenir un modèle (baptisé ISOCASTANEA) capable de simuler la croissance et les deux signaux isotopiques à un pas de temps horaire. Ce dernier pourra être validé en pluriannuel à l'aide du jeu de données acquis sur les cernes.

Volet 4 : Prédictions pour le futur

Les modèles ISOCASTANEA et ORCHIDEE seront utilisés et comparés pour simuler l'impact à long terme des événements climatiques extrêmes pour les différentes essences sur la base de scénarios climatiques. Un ensemble de simulations faisant varier l'intensité et la fréquence des événements extrêmes sera mené afin d'étudier les répercussions sur la croissance des arbres. L'existence potentielle de seuils critiques pour la survie des espèces sera étudiée.