Tour à flux

Les écosystèmes regroupent des ensembles d'êtres vivants et leurs environnements physiques. Les éléments constitutifs d'un écosystème échangent de l'énergie et de la matière entre eux et avec l'extérieur au travers de processus biologiques et physico-chimiques. La tour à flux du site expérimental de Montiers a été mise en place afin de mesurer et analyser ces processus.

Contexte

L'étude des écosystèmes de la zone OPE couvre les échelles de la parcelle (quelques dizaines de m²) à celles du paysage et territoire (quelques centaines de km²) en s'intéressant aux échelles de la journée et de la saison jusqu'à l'échelle du siècle. Au sein des écosystèmes terrestres, on distingue les écosystèmes forestiers, les prairies et les grandes cultures, intégrant des communautés différentes et présentant un gradient de pression et de gestion.

Les organismes vivants échangent de la matière et de l'énergie avec les milieux environnants et entre eux. Ces échanges de matière et d'énergie peuvent être intégrés au cours du cycle saisonnier, on parle alors de production primaire. Deux méthodes complémentaires existent pour estimer la production primaire ou suivre ces échanges en continu. On peut estimer la production primaire nette en comparant deux inventaires successifs (en forêt) ou en récoltant cette production (en culture et en prairie). Des mesures biométriques (en agro-système) et allométriques (en forêt) permettent donc d'estimer la production primaire nette à partir de la croissance des différentes parties végétales (tige/tronc, feuille, grains/fruits, racines, ...). On peut également mesurer les échanges de matière et d'énergie à l'aide d'outils micro-météorologiques et de méthodes d'estimation des flux telle que la méthode des corrélations turbulentes. Cette méthode repose sur des mesures continues de rayonnement, de gaz et de paramètres météorologiques (vent, pression, température, humidité, ...) puis sur un traitement statistique pour évaluer ces échanges d'énergie (rayonnement, chaleur sensible, chaleur latente) et de matière (CO2, H2O, ...). L'intégration de ces flux sur une année ou une saison déterminée permet d'estimer la productivité nette à l'échelle de l'écosystème.

Les mesures biométriques et les mesures de flux sont donc des outils d'échelles complémentaires pour caractériser le fonctionnement d'un écosystème (production, respiration, ...).

Flux au sein de l'écosystème forestier, adapté de Chapin et al., 2002

GPP: Gross Primary Productivity, productivité primaire brute : assimilation de CO2 atmosphérique par la photosynthèse pour la production de biomasse.

Ra, Rh : Respiration autotrophe (parties aériennes et racines) et hétérotrophe (micro-organismes du sol) rejetant du CO2 vers l'atmosphère.

FL : lessivage du carbone organique des sols.

FP : libération de CO2 dans l'atmosphère par combustion de la biomasse.

La productivité primaire nette de l'écosystème (Net Primary Productivity, NPP) correspond à la différence des gains et des pertes de C des plantes au niveau de l'écosystème (GEP – Ra ). La productivité nette de l'écosystème (Net Ecosystem Productivity, NEP) inclut également les pertes de C par les organismes hétérotrophes et le lessivage du C dissous (NPP – (Rh + FL)).

Dessin adapté de Chapin et al., 2002, dans lequel on peut voir plusieurs échanges et flux entre différents écosystèmes.

Description de la tour à flux

La tour à flux du site expérimental de Montiers-sur-Saulx est un pylône autoportant de structure métallique de 45 m de hauteur associé à un local technique. Pour faire des mesures représentatives de la hêtraie mélangée de 50 ans, il est nécessaire de positionner le système de mesure de flux et de rayonnement entre 5 et 10 m au dessus de la canopée, située aujourd'hui autour de 25 m, les dominants dépassant 30 m. Sa durée de vie prévue est de 25 ans. Au cours de ces années, les arbres devraient poursuivre leur croissance pour atteindre près de 35 m, ce qui nécessite de prévoir une hauteur totale de 45 m.

Tour à flux en forêt de Montiers sur Saulx (pylone autoportant de 45m + local technique)Schéma illustrant les mesures réalisées sur la tour et leur localisation

Photo et schéma décrivant les différentes composantes de la tour à flux du site expérimental de Montiers

La tour à flux est instrumentée à l'aide de trois types de capteurs complémentaires :

  • Mesures de flux à l'échelle de l'écosystème (Eddy Covariance System, analyseur de gaz rapide) :

Ces mesures permettront de suivre l'évolution, selon une échelle horaire à pluri-annuelle, des flux nets de CO2, vapeur d'eau, CH4 et N2O, de chaleur latente et sensible échangés par la culture. Les mesures sont effectuées par un anémomètre rapide (10Hz) et des analyseurs de gaz rapides (10Hz) puis les flux sont calculés à l'échelle semi-horaire à l'aide de la méthode de covariance de turbulence.

  • Mesures micro-météorologiques (température, humidité, anémomètre, pluie, etc...) et de rayonnement :

Des capteurs météorologiques sont installés sur la tour pour relever les principaux paramètres météorologiques pertinents (températures, rayonnements, humidité, vitesse et direction du vent, pression atmosphérique, précipitations...) à une échelle semi-horaire.

  • Mesures de rayonnement (RAY, PRI, NDVI) :

Plusieurs capteurs de rayonnement sont également installés afin de mesurer le rayonnement entrant et sortant dans le domaine infra-rouge (terrestre) et visible/UV (solaire) ainsi que leurs composantes directe et diffuse. Ces mesures permettent de caractériser les conditions dans lesquelles les flux précédents ont été observés.

En complément des mesures réalisées sur la tour, des mesures biométriques/allométriques sont également faites dans la zone environnante. La croissance de la végétation et du peuplement forestier est suivie régulièrement avec des mesures réparties des principaux paramètres biométriques pour estimer la biomasse dans les différents compartiments végétaux (feuilles, tiges, branches, fruits, graines...) ainsi que la surface foliaire.

Objectifs

La tour à flux permet de quantifier les échanges de CO2, d'eau et d'énergie entre l'atmosphère et l'écosystème (végétation + sol) pour des échelles diurne, synoptique, saisonnière, interannuelle et pour les tendances à long terme. Ces échanges révèlent le fonctionnement de l'écosystème, et permettent d'estimer la productivité de l'écosystème. Ces mesures continues sont donc un complément essentiel aux inventaires, relevés et campagnes de terrain qui permettent d'estimer l'état de l'écosystème à un instant donné, notamment les estimations de biomasse. Accompagné de diverses mesures météorologiques, écologiques et physiologiques, elles doivent permettre d'estimer les contributions respectives du sol et de la végétation mais également d'étudier les principaux mécanismes responsables de ces flux. Enfin, réalisées en réseau de sites au niveau européen dans le cadre du projet d'infrastructure ICOS et cela sur des peuplements différents avec des conditions pédoclimatiques différentes, des gestions différentes, ces mesures doivent permettre de mieux caractériser l'impact de ces facteurs sur le fonctionnement de l'écosystème, sa « durabilité » et sa vulnérabilité.

Les données de flux permettent d'estimer aux échelles annuelles, et par période de développement, l'échange net de l'écosystème (NEE), la productivité primaire brute (GPP), la respiration totale de l'écosystème (TER) et l'évapotranspiration (ET).

Graphique en bâton donnant les estimations de NPP en forêt de Hesse

Comparaison des estimations de NPP en forêt de Hesse par la méthode des corrélations turbulentes (NPPec=GPP-Ra) et par la méthode biométrique (NPPbio=accroissement de la biomasse tronc/tige + feuille + racine +fruit +mortalité). Granier et al. Annals of Forest Science (2008).

Réseaux de mesure

Ces mesures du fonctionnement des écosystèmes à l'échelle de la parcelle sont réalisées dans le cadre de réseaux imbriqués d'échelle régionale, continentale et globale. Le réseau global Fluxnet regroupe ainsi plus de 500 sites de mesures micro-météorologiques utilisant des méthodes de corrélation turbulente pour estimer les échanges de dioxyde de carbone, de vapeur d'eau et d'énergie entre les écosystèmes continentaux et l'atmosphère. Ce réseau global se décline en réseaux continentaux (AmeriFlux, AsiaFlux, ChinaFlux). En Europe, la communauté des mesures de flux s'est structurée autour de projets européens tels que CARBOEUROFLUX puis CarboExtreme et devrait s'intégrer dans une infrastructure de recherche européenne ICOS regroupant des mesures atmosphériques, écosystémiques et océaniques. Ces réseaux remplissent plusieurs fonctions complémentaires nécessaires : fourniture d'outils pour l'archivage et la distribution de données, définition de protocoles de mesures harmonisés, activités d'intercomparaison et enfin discussion et synthèse scientifiques. Quelques-uns des objectifs principaux sont notamment d'améliorer la caractérisation des bilans carbone, eau et énergie des écosystèmes terrestres, de quantifier le rôle des facteurs biotiques et abiotiques dans ces bilans, d'améliorer la compréhension des principaux processus impliqués dans les échanges sol-plantes-atmosphère (notamment pour le développement et la validation de modèles) mais aussi de fournir des données réparties pour faciliter la validation de produits satellitaires pour la cartographie et le suivi de la NPP, de l'évaporation, etc...

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