Towards an improved understanding of the impacts of drought stress on the atmospheric exchange of CO2 and distribution of production in Mediterranean ecosystems

par Raquel García González

Thèse de doctorat en Sciences biologiques. Sciences du végétal

Sous la direction de Eric Dufrêne et de Andrew D. Friend.

Soutenue en 2009

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Écologie des régions de climat méditerranéen
• Photosynthèse
• Effets de la sécheresse

Titre traduit

Vers une meilleure compréhension des effets de la sécheresse sur l’échange atmosphérique de CO2 et la distribution de la production dans les écosystèmes méditerranéens

Résumé

L'environnement impose déjà un stress continu de température et de précipitation dans les régions de type Méditerranéen. Ces zones pouraient connaître une réduction des précipitations de plus de 20% au cours de la période estivale en 2090-2099 par rapport à 1980-1999. Cela pourrait avoir des implications importantes parce que les écosystèmes méditerranéens jouent le rôle de transition entre les tropiques et les régions tempérées d'Europe et ils peuvent etre particulièrement sensibles au changement climatique et aux nouvelles prévisions de température et schéma de précipitations. Dans la région de la Méditerranée, les modèles généralement presentent des problèmes dans la représentation des effets du stress hydrique sur l'absorption du carbone par la photosynthèse et les émissions de carbone par la respiration hétérotrophique. Cela a motivé l’étude et la quantification des limitations stomatique et non-stomatique sur la photosynthèse par rapport à le teneur en eau du sol. La conductance stomatique joue un rôle actif afin de réduire la photosynthèse dans les situations ou le deficit en eau du sol est modéré ; neanmoins, quand la sécheresse augmente, les limitations non stomatiques sur la photosynthèse, ainsi que les limitations sur la conductance interne et les limitations biochimiques, peuvent imposer des limitations plus sévères. Ces deux hypothèses ont été évaluées, et leur importance relative a été calculée pour différentes espèces et pour une large gamme de conditions de sécheresse. Les limitations non stomatiques à la photosynthèse dans les conditions de fort stress hydrique ont été jugée prédominantes dans chacune des espèces étudiées. L’application des limitations non stomatiques à la photosynthèse avec le modèle ORCHIDEE ont conduit en moyenne à une réduction de 11% pour la photosynthèse annuel prévue pour une forêt feuillue dans le sud de la France. À l'échelle régionale, cet rapprochement pourrait réduire les taux de photosynthèse et de transpiration, améliorer de l'efficience de l’utilisation de l'eau et la réduction de la perte d'eau par les plantes. Il reste toutefois des incertitudes dues principalement à des différences selon les modèles considérés dans les descriptions des processus de l'écosystème et de l'hydrologie du sol. Suivant, ces modèles sont en désaccord sur quel processus de l’écosystème est à l'origine des anomalies de l’échange net du carbone dan les écosystèmes, dû de une part l'augmentation de la respiration ou de autre part à la reduction de la productivité. La respiration de l'écosystème pourrait être un élément clé dans le contrôle du bilan de carbone dans les écosystèmes méditerranéens.

Résumé

The environment imposes a water and temperature stress over time to Mediterranean-type areas. Future climate predictions have warned that these areas may experience a precipitation reduction by more than 20% during the summer period for the period 2090-2099 relative to 1980-1999. This might have important implications because Mediterranean ecosystems act as a transition between tropical and more temperate regions in Europe and they may be especially sensitive to climate change. Indeed, in the Mediterranean region all climate models generally performed poorly most likely because of problems in the representation of water stress effects on both carbon uptake by photosynthesis and carbon release by heterotrophic respiration. Stomatal conductance plays an active role to reduce photosynthesis under moderate soil water deficits, but when drought stress increases, non stomatal limitations on photosynthesis, such as internal conductance and biochemical limitations, may impose higher limitations. These two assumptions were assessed and their relative importance was quantified for different species and for a wide range of drought conditions. Non-stomatal limitations to photosynthesis under water stressed conditions were found to be more dominant in each of the species studied. Applying non-stomatal limitations to photosynthesis with ORCHIDEE model leads on average to an 11% reduction compared with the original model performance in the predicted total photosynthesis over the year for a broadleaf forest site in southern France. At the regional scale it may reduce photosynthesis and transpiration rates, improving the efficiency in the use of water by plants and reducing water loss through plants. But, there are still high uncertainties related to different model descriptions of the ecosystem processes and soil hydrology. In general, models disagree on the dominating ecosystem process causing the anomalous net ecosystem exchange, driven by an increase in respiration or by a decline in GPP. Changes in the precipitation patterns may have important implications to predict future net carbon gain and allocation of Mediterranean ecosystems; it might lead to a reduction in the net C gain through a reduction on the heterotrophic ecosystem respiration.