Télédétection optique des réponses des forêts aux stress abiotiques

par Elodie Merlier

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Kamel Soudani.

Le président du jury était Claire Damesin.

Le jury était composé de Claire Damesin, Christophe Proisy, Albert Olioso, Anja Krieger-Liszkay, Matthieu Bagard, Yves Goulas.

Les rapporteurs étaient Christophe Proisy, Albert Olioso.


  • Résumé

    Anticiper les impacts des changements climatiques sur les écosystèmes terrestres, notamment sur le cycle du carbone, nécessite la compréhension et la quantification du fonctionnement photosynthétique des végétaux et leurs réponses aux contraintes abiotiques. Suivre l’évolution des propriétés spectrales des couverts végétaux par la télédétection permet d’avoir accès à leur fonctionnement à des échelles spatiales et temporelles variées. Plusieurs indicateurs optiques ont été développés afin d’accéder à la structure, la biochimie et le fonctionnement écophysiologique des végétaux. Le PRI (photochemical reflectance index), déterminé à partir de la réflectance mesurée dans des bandes étroites à 531 nm et 570 nm, est un proxy de l’efficacité de la plante à utiliser la lumière (LUE, light use efficiency) et plus particulièrement du cycle des xanthophylles, utilisé par la plante pour dissiper l’énergie lumineuse excédentaire sous forme de chaleur. Cependant son usage à l’échelle du couvert végétal, ou à plus larges échelles temporelles et spatiales, entraine l’implication de nombreuses sources de variabilités qui masquent la sensibilité du PRI au fonctionnement photosynthétique, particulièrement les variations biochimiques et phénologiques. L’objectif de ce travail est de mieux comprendre les facteurs qui jouent sur la variabilité du PRI à l’échelle de la feuille et du couvert, afin de caractériser ses réponses aux variations abiotiques de l’environnement et de démêler la composante phénologique de la composante physiologique du PRI. Des études ont été menées en conditions contrôlées, semi-naturelles et naturelles, sur des jeunes arbres et en forêt adulte, soumis à différentes contraintes abiotiques. L’analyse des courbes de réponse du PRI aux variations de lumière incidente utilisée pour la photosynthèse (PAR, photosynthetically active radiation) permet d’isoler 3 paramètres. Le PARsat, la valeur de PAR pour laquelle le PRI sature, le PRI₀, la valeur du PRI à une intensité lumineuse faible (mesurée) ou nulle (estimée) et le ∆PRI, l’amplitude de variation entre le PRI₀ et la valeur de PRI maximum. En période de végétation, la variabilité du PARsat est principalement contrôlée par la disponibilité en eau pour la plante. La variabilité du PARsat est aussi impactée par la concentration d’ozone atmosphérique. En période de débourrement et de sénescence, la variabilité du contenu en chlorophylle régit la valeur du PARsat. Ce paramètre explique la variabilité physiologique du PRI et varie en fonction du facteur limitant la photosynthèse. La variabilité du PRI₀ a été expliquée par la variabilité du contenu biochimique des feuilles en réponse au cycle saisonnier de la chlorophylle et à sa variabilité en conditions de stress. A l’échelle de la canopée, la variabilité de la structure du couvert s’ajoute à la variabilité biochimique du PRI₀. Le PRI₀, en temps que composante phénologique de la variabilité du PRI, peut être utilisé pour corriger le PRI afin de lui soustraire la variabilité structurale et obtenir un PRIc fortement corrélé à la LUE. A l’échelle de la canopée, il a été montré que le PRI est principalement représentatif de la strate supérieure du couvert. Le ∆PRI n’a montré aucune variation intra et inter-journalière, suggérant que le PRI répond non pas au contenu en xanthophylle des plantes, mais à un ratio maintenu constant. Ces résultats mettent en évidence l’importance d’isoler les différentes sources de variabilité du PRI avant de l’utiliser comme proxy du fonctionnement photosynthétique des écosystèmes terrestres.

  • Titre traduit

    Optical responses of forest canopies to abiotic stress


  • Résumé

    Anticipating impacts of climate change on terrestrial ecosystems, particularly on the carbon cycle, requires the understanding and the quantification of the plant photosynthetic functioning and of their responses to abiotic factors. Tracking variations of spectral properties of plants using remote sensing allows the access of plant functioning at various spatial and temporal scales. Several optical indices have been developed to assess plant canopy structure, biochemistry and ecophysiological functioning. The PRI (photochemical reflectance index), determined from reflectances measured in narrow bands at 531 nm and 570 nm, may be used as a proxy of light use efficiency (LUE) at leaf and canopy scales, and more particularly of the xanthophyll cycle used by plants to dissipate the excess light energy as heat. However the use of PRI at the canopy scale and at large temporal and spatial scales faces several difficulties related to the involvement of different sources of variability that blur PRI sensitivity to photosynthetic functioning. These sources of PRI variability are particularly linked to spatial and temporal variations of biochemical and phenological canopy properties. The aim of these studies is to better understand the factors affecting PRI variability at leaf and canopy scales, to assess the strength of the relationships between PRI and vegetation responses to environmental abiotic constraints and disentangling the phenological component from the physiological component of PRI. Studies were conducted under controlled, semi-natural and natural conditions, on young trees and a mature deciduous forest subjected to various abiotic constraints. The analysis of PRI responses to the variations of photosynthetically active radiation (PAR) allowed isolating three parameters. The PARsat, the PAR value at the PRI saturation; the PRI₀, the value of PRI at dim light (measured) or in darkness (estimated) and the ΔPRI, the range of PRI variations between the PRI₀ and the maximum value of PRI. During the leaf growing season, PARsat variability is mainly controlled by the availability of water content for the plant. The PARsat variability is also impacted by the atmospheric ozone concentration. During the phenological phases of budburst and the senescence, the variability of the leaf chlorophyll content governs PARsat values. This parameter describes the physiological variability of PRI and varies depending on the limiting factor for photosynthesis. The PRI₀ variability has been explained by the dynamic of the biochemical content of the leaves linked to the seasonal variations of chlorophyll content and to abiotic stress conditions. At canopy scale, the structural variability is added to the biochemical variability of PRI₀. The PRI₀, as the phenological component of PRI variability, can be used to correct PRI, removing its structural variability to obtain a PRIc strongly correlated to LUE. At canopy scale, it was shown that the PRI is mostly representative of the upper layer of the canopy. The ΔPRI showed no variation within and between days, suggesting that the PRI does not respond to the plant xanthophyll content but rather to a ratio maintained constant. These results highlight the importance of isolating the different sources of PRI variability before its use as a proxy of the photosynthetic functioning of terrestrial ecosystems.


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