Impacts des sécheresses sur la biomasse et les flux de carbone dans la forêt amazonienne : une approche de modélisation

Impacts of drought on biomass and carbon fluxes in the Amazon rainforest : a modeling approach

• Auteur / Autrice : Yitong Yao
• Direction : Nicolas Viovy, Philippe Ciais, Émilie Joetzjer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Surfaces continentales
• Date : Soutenance le 28/04/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Ducharne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stephen Sitch, Anja Rammig, Nicolas Delpierre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephen Sitch, Anja Rammig

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle du carbone

Dynamique

Biomasse

Amazonie

Forêts

Effets de la sécheresse

Arbres

Mots clés libres

Mortalité des arbres due à la sécheresse

Défaillance hydraulique

Forêt amazonienne

Modèle mécanistes

Dynamique de la biomasse

Flux de carbone

Drought-Induced tree mortality

Hydraulic failure

Amazon rainforest

Process-Based model

Biomass dynamics

Carbon flux

Résumé

Les sécheresses ont eu un impact récurrent sur les forêts tropicales amazoniennes, amenuisant la capacité de puits de carbone de la biomasse forestière. La plupart des modèles globaux de surface terrestre utilisés pour les évaluations du budget mondial du carbone et les projections climatiques futures, n'intègrent pas la mortalité des arbres induite par la sécheresse. Leurs prévisions de la dynamique de la biomasse sont donc sujettes à de grandes incertitudes. Les faiblesses des modèlesglobaux sont liés à : (1) l’absence de la représentation explicite du transport hydraulique; (2) le manque d'équations basées sur les processus à travers la description de la façon dont une altération du système de transport hydraulique des arbres conduit à la mortalité ; (3) le manque de représentation de la mortalité à travers les tailles des arbres. Tout d'abord, j'ai implémenté une architecture hydraulique mécaniste qui a été conçue par E. Joetzjer, et un module de mortalité des arbres que j'ai conçu dans l'ORCHIDEE-CAN-NHA. Notre modèle a produit des taux annuels de mortalité des arbres comparables à ceux observés et a capturé la dynamique de la biomasse. Ce travail fournit une base pour des recherches ultérieures sur l'assimilationdes données d'observation expérimentales afin de paramétrer la mortalité des arbres induite par la défaillance hydraulique.Deuxièmement, j'ai appliqué ORCHIDEE-CAN-NHA sur la forêt tropicale intacte de l'Amazonie. Le modèle a reproduit la sensibilité à la sécheresse de la croissance et de la mortalité de la biomasse aérienne (AGB) observée sur des réseaux de placettes d'inventaire forestier dans les forêts intactes d'Amazonie pour les deux récentes méga-sécheresses de 2005 et 2010. Dans le modèle, même si le changement climatique, avec des sécheresses devenant plus sévères, a eu tendance à intensifier la mortalité des arbres, l'augmentation de la concentration de CO2 a contribué à atténuer la perte de carbone due à la mortalité en supprimant la transpiration. Enfin, j'ai utilisé le modèle ORCHIDEE-CAN-NHA afin de simuler le futur du stockage ducarbone dans la biomasse en Amazonie. La plupart des modèles climatiques (ISIMIP-2) projettent néanmoins de manière cohérente une tendance plus sèche dans le nord-est de l'Amazonie. La simulation forcée par le modèle climatique HadGEM dans le scénario RCP8.5 montre un assèchement plus prononcé dans l'est et le nord-est de l'Amazonie, avec un point d'intersection où le puits de carbone se transforme en source de carbone dans le bouclier guyanais et le centre-est de l'Amazonie, au milieu du 21e siècle. Cette étude permet de prédire l'évolution future de la dynamique de la biomasse de la forêtamazonienne avec un modèle amélioré basé sur les processus, capable de reproduire la mortalité induitepar le changement climatique. Dans les sections conclusion et perspectives, des développements futurs et des priorités de recherche sont proposés, qui amélioreraient la fiabilité et les performances du modèle basé sur les processus présentés dans cette thèse, permettant de mieux capturer les mécanismes qui contrôlent l'évolution de la dynamique de la biomasse forestière face à des risques de sécheresse plus fréquents.

Droughts have recurrently impacted the Amazon rainforests, undermining the forest biomass carbon sink capacity due to a quicker increase of biomass mortality compared to growth. Most global land surface models used for assessments of the Global Carbon Budget and future climate projections have not incorporated drought-induced tree mortality. Their prediction of biomass dynamics are therefore subject to large uncertainties, as a result of (1) lack of explicit simulation of hydraulic transportin the continuum from soil to leaves; (2) lack of process-based equations connecting the impairment of the hydraulic transport system of trees to mortality; (3) lack of representation of mortality across trees sizes. To address these critical research gaps, I improved plant hydraulic representation in ORCHIDEECAN. This model was re-calibrated and evaluated over rainforests in Amazon basin, and applied to simulate the future evolution of biomass dynamics facing droughts. Firstly, I implemented a mechanistic hydraulic architecture that was designed by E. Joetzjer, and a hydraulic-failure related tree mortality module that I designed into ORCHIDEE-CAN. The model was calibrated against the world’s longest running drought manipulation experiment of Caxiuana in the eastern Amazon. Our model produced comparable annual tree mortality rates than the observation andcaptured biomass dynamics. This work provides a basis for further research in assimilating experimental observation data to parameterize the hydraulic failure induced tree mortality. Secondly, I applied ORCHIDEE-CAN-NHA over the Amazon intact rainforest. The model reproduced the drought sensitivity of aboveground biomass (AGB) growth and mortality observed atnetworks of forest inventory plots across Amazon intact forests for the two recent mega-droughts of 2005 and 2010. We predicted a more negative sensitivity of the net biomass carbon sink to water deficits for the recent 2015/16 El Nino, which was the most severe drought in the historical record. In the model, even if climate change with droughts becoming more severe tended to intensify tree mortality, increased CO2 concentration contributed to attenuate the C loss due to mortality by suppressing transpiration.Lastly, I used the ORCHIDEE-CAN-NHA model for future simulations of biomass carbondynamics. Most climate models (ISIMIP2 program) consistently predict a drier trend in northeastern Amazon. The simulation forced by the HadGEM climate model in the RCP8.5 scenario shows the most pronounced drying in eastern and northeastern Amazon, with a cross-over point at which the carbon sink turned to a carbon source in the Guiana Shield and East-central Amazon in the middle of the 21st century. This study sheds light on predicting the future evolution of Amazon rainforest biomass dynamics with an improved process-based model able to reproduce climate-change induced mortality.In the conclusion and outlook sections, future developments and research priorities are proposed, which would improve the reliability and performances of the process-based model presented in this dissertation, allowing to better capture mechanisms that control the evolution of forest biomass dynamics in the face of more frequent drought risks.