Développement et quantification des impacts de l’ozone sur la biosphère continentale dans un modèle global de végétation

Developping and quantify the impact of O3 on the continental biosphere in a global vegetation model

• Auteur / Autrice : Thomas Verbeke
• Direction : Didier Hauglustaine, Juliette Lathière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Météorologie, Océanographie Physique de l’Environnement
• Date : Soutenance le 09/06/2015
• Etablissement(s) : Versailles-St Quentin en Yvelines
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Bousquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gerhard Krinner, Benjamin Loubet, Stephen Sitch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Serça, Kamel Soudani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bilan des émissions de gaz à effet de serre

Perturbations écologiques

Stress oxydatif

Biosphère

Polluants atmosphériques

Mots clés libres

Ozone

Stress

Biosphère

Ozone

Stress

Biosphere

Résumé

L’ozone (O3) est un gaz reconnu comme un des polluants atmosphériques majeurs du XXIème siècle, de par ses propriétés très oxydantes. Dans les plus basses couches de notre atmosphère, ce polluant secondaire est produit par des réactions photochimiques impliquant des précurseurs émis par les activités humaines et la végétation. De nombreuses études expérimentales ont révélées le caractère phytotoxique de l’O3, qui dégrade sévèrement la photosynthèse, réduit le rendement des récoltes et inhibe la croissance des arbres. Afin de quantifier les effets de l’O3 sur les écosystèmes à l’échelle globale, des modèles numériques ont été développés. Dans cette thèse, nous avons principalement développé un nouveau modèle d’impact basé sur le concept dose/réponse au sein du modèle global de végétation ORCHIDEE. L’approche semi-mécaniste utilisée vise à représenter de manière simplifiée les effets du stress oxydatif causés par l’O3 sur la photosynthèse. L’étalonnage des paramètres a été réalisé en utilisant des données physiologiques issues majoritairement d’expériences de fumigation à l’air libre et en chambres à ciel ouvert menées pendant la saison de croissance de plusieurs espèces végétales. Cette étape de calibration a permis de déterminer les paramètres spécifiques à plusieurs types fonctionnels de plantes. La sensibilité du modèle à l’O3 et à son interaction avec le CO2 et le stress hydrique a ensuite été testée. A l’échelle locale, notre modèle d’impact reproduit fidèlement l’allure de la réponse de la photosynthèse observée in situ à l’échelle saisonnière, et l’élévation du CO2 compense partiellement l’impact de l’O3. En outre, le couplage entre la photosynthèse et la conductance stomatique dans ORCHIDEE permet de simuler la limitation des effets de l’O3 par les flux entrants. La fermeture stomatique réduit également la transpiration, ce qui augmente l’humidité du sol et préserve ainsi la végétation d’un stress hydrique accentué. Cependant, les effets observés sur la respiration autotrophe ne sont pas représentés et l’impact sur la surface foliaire est sous-estimé. Afin d’évaluer la performance du modèle, nous avons comparé l’impact simulé sur la productivité nette (NPP) annuelle avec l’effet estimé par les relations empiriques linéaires standards, recommandées par l’UNECE pour évaluer les risques phytotoxiques chez plusieurs types d’écosystèmes. En outre, à l’échelle globale, nous obtenons des résultats similaires aux estimations réalisées avec un autre modèle de végétation munie d’une paramétrisation d’impact différente. Enfin, nous estimons que les concentrations actuelles causent localement une chute de productivité nette totale annuelle allant jusqu’à 11.7% en moyenne dans le nord-est des Etats-Unis, et réduirait le contenu en carbone du sol de 10.9% dans cette région et de 42.5% en Indonésie si la pollution actuelle perdure pendant 50 ans. Ce travail indique que l’impact de l’O3 sur la végétation est non-négligeable dans le modèle ORCHIDEE, et doit être pris en compte dans les études globales du bilan de carbone terrestre.

Ozone (O3) is a gas recognized as a major atmospheric pollutant of the 21st century, due to its strong oxidant properties. As a secondary pollutant, O3 is produced by photochemical reactions between both anthropogenic and biogenic precursors. Numerous experimental studies have highlighted the phytotoxic effects of O3, which severely impairs photosynthesis, reduces crop yields and forest growth. Numerical models are used in order to quantify the impact of O3 at global scale. In this thesis, the major work was to develop a new parameterization based on the dose/response concept and to integrate it in the global vegetation model ORCHIDEE. We used a semi-mechanist approach to represent the effects of oxidative stress induced by O3 on photosynthesis. Parameters were obtained by comparing modelled and observed physiological variables related to free-air and open-top chamber fumigation experiments, carried out during the growing period for different plant species corresponding to several plant functional types in the model. Sensitivity tests were conducted to evaluate the influence of O3 and its interactive effects with CO2 and water-stress on the ecophysiological processes in ORCHIDEE. We reproduced the curvilinear response observed on photosynthesis at the leaf level during a growing season, and the elevation of CO2 concentration partially mitigates the O3 effect. The induced simulated stomatal closure slows down the impact on photosynthesis coupled to conductance by reducing the entering O3 fluxes. It also decreases transpiration and increases soil water content, which protects vegetation from higher water-stress. However, observed changes in autotrophic respiration are not simulated and the impact on foliar surface is underestimated. In order to evaluate the performance of our model, we compared the simulated impact on annual net primary productivity (NPP) with the empirical linear dose/response relationships recommended by UNECE to assess the risk for different types of ecosystems. Moreover, at global scale, we found results similar to those from another land surface model using a different impact relationship. Finally, we estimated that current O3 concentrations cause locally a decrease in total annual net productivity up to 11.7% on average in the north-west of USA, and could decrease the soil carbon content by 10.9% in this region and by 42.5% in Indonesia, if current O3 pollution remains the same for 50 years. This work confirms that impact of O3 on vegetation is non-negligible in the model ORCHIDEE, and must be considered in global carbon budget modelling.