Soutenance mémoire
Forêts tropicales et changement climatique
Selon la Convention des Nations Unies sur la diversité biologique, une forêt est définie comme une superficie de plus de 0,5 hectare, avec une couverture arborescente de plus de 10 %, qui n’est pas principalement sous agriculture ou autre utilisation spécifique des terres non forestières. Dans le cas des jeunes forêts ou des régions où la croissance des arbres est inhibée par le climat, les arbres doivent être capables d’atteindre une hauteur de 5 m in situ et de répondre à l’exigence d’étendu du couvert (Chazdon et al., 2016). Les forêts couvrent approximativement 38,5 à 42 millions de Km² (Bonan, 2008 ; Pan et al., 2011) et représentent environ 28 à 30 % de la superficie de terres émergées (Bonan, 2008 ; Hooke et al., 2012), elles contiennent 77 % de tout le carbone terrestre aérien (Goodman & Herold, 2015 ; Houghton, 2007). Ce carbone est localisé en grande partie dans les forêts tropicales (principalement le bassin amazonien et le bassin du Congo) qui n’occupent pourtant pas la plus grande proposition de forêt (Fig. 1 A).
L’ampleur de la proportion grandissante des émissions de gaz à effet de serre (GES) résultant des activités anthropiques (déforestation et dégradation) sur les forêts, principalement celles localisées dans les zones tropicales a vraisemblablement des implications sur la mise en œuvre des politiques d’atténuation des changements climatiques à l’exemple du processus REDD + (Réduction des Emissions résultant de la Déforestation de la Dégradation et la conservation des forêts). En effet , ce mécanisme REDD + vise à réduire, stopper et inverser les pertes de couverture forestière et les émissions de carbone dans les pays en développement (Ciais et al., 2011 ; Romijn et al., 2013). Les forêts tropicales, sont des réservoirs extraordinaires de biodiversité (de Wasseige et al., 2015) et de carbone (Fig. 1 B) et sont globalement valorisées pour les services fournis à la société (Pan et al., 2011). Depuis un certain nombre d’années, une attention particulière a été portée sur l’utilisation de ces forêts pour la gestion des défis environnementaux internationaux (conservation, gestion durable et changement climatique) car elles fournissent des services écosystémiques de régulation climatique mondiale. Leur perte est une source importante d’émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES) et un forçage radiatif du changement climatique (Saatchi et al., 2011 ; Baccini et al., 2012 ; Tyukavina et al., 2015). Ainsi, pour implémenter les négociations internationales axées sur la limitation de l’augmentation des GES dans l’atmosphère, il est important d’une part d’identifier les différentes pressions anthropiques auxquelles sont soumises ces forêts et d’autre part d’arriver à suivre avec précision la dynamique du flux du C au fil du temps. Il existe en effet une corrélation non négligeable entre le niveau élevé de perte de couvert forestier dans les tropiques (qui représentent presque toutes les pertes nettes de la forêt) et les émissions de GES issues des activités anthropiques à travers la planète (Baccini et al., 2012 ; Goodman & Herold, 2015). Environ 6 à 17 % d’émission totale de C est due aux pressions anthropiques et cela explique pourquoi la surveillance des émissions de dioxyde de carbone des forêts tropicales est devenue un enjeu majeur au cours des dernières décennies (Pan et al., 2011 ; Bastin et al., 2014). Bien que les forêts tropicales et boréales stockent plus de C, une différence fondamentale réside dans leurs structures carbonées. En effet , les forêts tropicales ont 55 % du carbone stocké dans la biomasse aérienne et 32 % dans le sol, tandis que les forêts boréales n’ont que 20 % de carbone aérien et 60 % dans le sol (Pan et al., 2011). En considérant que le C est stocké seulement dans la biomasse aérienne (AGB), les forêts tropicales stockent 2,7 à 3,5 fois plus de carbone par hectare que les forêts tempérées et boréales soit 164 t C/ha pour les forêts tropicales versus 61 t C/ha et 47 t C/ha pour les forêts tempérées et boréales, respectivement (Pan et al., 2011). Cette aptitude des forêts tropicales à stocker plus de carbone que les autres types de forêts réside probablement à une forte proportion ou densité relative des grands arbres à l’hectare (diamètre à hauteur de poitrine ≥ 70 cm) : arbres qui expliquent environ 70 % de variation d’AGB (Baccini et al., 2012 ; Bastin et al., 2015a ; Saatchi et al., 2011 ; Slik et al., 2013). Ces grands arbres et même ceux présents dans le sous-bois contribuent à travers le processus de photosynthèse (utilisation de l’énergie lumineuse et de l’eau contenue dans le sol pour convertir le CO2 atmosphérique en hydrate de carbone, eau et oxygène) à la réduction du CO2 atmosphérique. Grâce à l’ensemble de ses processus métaboliques (respiration, croissance, mortalité et photosynthèse), les forêts tropicales sont un « hot spot » du réchauffement climatique et jouent ainsi, un rôle important dans le flux de carbone atmosphérique et occupent une place importante dans la lutte contre les changements climatiques. Cependant, elles restent confronter à des changements invisibles en raison de la croissance démographique, du développement économique continu et des infrastructures. Ceci induit des changements d’utilisation des terres par la déforestation et la dégradation qui viennent mettre sur cet écosystème vulnérable un stress supplémentaire (Doetterl et al., 2015 ; Tyukavina et al., 2015).
Modèles allométriques
La biomasse aérienne (AGB) végétale est définie comme la quantité totale de matière organique vivante située au-dessus du sol et est generalement exprimée en tonnes par unité de surface (Brown, 1997). Celle présente dans les forêts tropicales est généralement estimée lors des mesures de comptabilisation des pools de carbone séquestrés par ces forêts, car elle représente le pool le plus important. En effet, la masse sèche des arbres qui est facilement assimilable au carbone séquestré par les arbres peut être mesuré directement par abattage, séchage et pesage de tous les compartiments (souche, tige et houppier). Cependant, cette approche « dite destructive » est fastidieuse, chronophage, nécessite une main d’œuvre importante et n’est pas facilement réalisable à grande échelle. Ainsi, l’AGB est couramment estimée au moyen des modèles dits allométriques qui sont calibrés sur des données mesures de la taille des arbres utilisées comme prédicteur de leurs masses (Chave et al., 2005, 2014). Parmi ces prédicteurs, le diamètre à hauteur de poitrine (DBH, en cm), la hauteur totale de l’arbre (HT, en m) et la densité du bois (WD, en g.cm-3 ) sont les plus couramment utilisés. Les variations de volume entre les arbres sont plus capturées par le DBH et la HT (Chave et al., 2005 ; Ploton, 2017), alors que la WD représente globalement les propriétés physiques du bois et est utilisée pour convertir le volume en AGB. Picard et al. (2012), définissent alors un modèle allométrique comme étant une formule mathématique qui formalise de manière quantitative la relation existante entre deux ou plusieurs paramètres de taille d’un arbre. La biomasse forestière ou les stocks de carbone ne sont pas directement mesurés sur le terrain, mais estimés à l’aide d’une suite de processus déclinés globalement en trois étapes (Brown, 1997 ; Chave et al., 2005 ; Clark & Kellner, 2012) : i) l’estimation de l’AGB individuelle en convertissant les données d’inventaire forestier à l’aide d’un modèle allométrique ; ii) celle des parcelles est ensuite calculée à partir de la somme des AGB d’arbres individuels. A l’échelle des arbres ou des parcelles, les stocks de carbone sont déduits des estimations de la biomasse en multipliant par la teneur en carbone (environ 50 % d’AGB est carbone) (Thomas & Martin, 2012) ; iii) enfin, la cartographie de l’AGB forestière/des stocks de carbone à une plus grande échelle est faite grâce aux données de télédétection qui permettent d’élargir les estimations au niveau des parcelles sur de plus grandes zones.
Estimation de la biomasse aérienne en forêt tropicale
Jusqu’en 2000, les modèles allométriques développés par (Brown, Gillespie & Lugo, 1989 ; Brown, 1997) demeurent ceux les plus utilisés en forêts tropicales pour la prédiction de l’AGB (Ploton, 2017). Après ces années, un nombre important d’études scientifiques ont été réalisées dans le cadre des établissements des modèles allométriques nécessaires à l’estimation de l’AGB séquestrée dans les forêts tropicales (Chave et al., 2005, 2014 ; Djomo et al., 2010 ; Henry et al., 2010 ; Vieilledent et al., 2012 ; Fayolle et al., 2013, 2016 ; Ngomanda et al., 2014 ; Ploton et al., 2016 ; Djomo & Chimi, 2017). Celles réalisées par Chave et al. (2005, 2014), ont contribué de manière significative à la normalisation de l’estimation de l’AGB à travers les tropiques en développant des modèles « pantropicaux ». Les autres études bien qu’étant importantes ont été réalisées à des échelles plus petites et sur des jeux de données beaucoup plus restreints en termes d’individus, d’espèces et de variation diamétrique. Les modèles pantropicaux de Chave et al. (2005, 2014), et même le reste des modèles d’AGB rencontrés dans la littérature sont des modèles multi-espèces. Etant donné que la diversité en espèces dans les forêts tropicales est généralement comprise entre 100 et 300 espèces à l’hectare (De Oliveira & Mori, 1999 ; Turner, 2001), l’élaboration de modèles spécifiques à chaque espèce, comme c’est le cas dans les forêts tempérées (p. ex. Brown & Schroeder, 1999) est actuellement irréaliste et impossible à mettre en œuvre en forêt tropicale. Des récentes études mettent beaucoup plus l’accent sur l’établissement des modèles allométriques spécifiques à différents types de forêts (Ebuy et al., 2011 ; Fayolle et al., 2013 ; Ngomanda et al., 2014 ; Ploton et al., 2016 ; Djomo & Chimi, 2017) ou pour un ensemble de type de forêt (Fayolle et al., 2018). En plus, l’étendue géographique de la validité de ces modèles englobe l’ensemble des tropiques et dans la plupart des cas, il existe un manque d’information a priori sur l’efficacité du modèle d’AGB choisi pour l’estimation de l’AGB (Picard et al., 2015).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I : REVUE DE LA LITTERATURE
I.1. Forêts tropicales et changement climatique
I.2. Modèles allométriques
I.2.1. Estimation de la biomasse aérienne en forêt tropicale
I.2.2. Modèle de prédiction de la hauteur totale en fonction du diamètre à hauteur de poitrine
I.2.3. Densité spécifique du bois
I.2.4. Estimation de surface foliaire
I.2.5. LiDAR terrestre
CHAPITRE II : MATERIEL ET METHODES
II.1. Matériel
II.1.1. Site d’étude
II.1.2. Données destructives à l’échelle de l’arbre : arbre coupé/pesé
II.1.3. Données non destructives à l’échelle de l’arbre : LiDAR terrestre
II.1.4. Données d’inventaire à l’échelle du peuplement
II.2. Méthodes
II.2.1. Calcul de la biomasse aérienne à partir des données destructives à l’échelle de l’arbre
II.2.2. Calcul de la biomasse aérienne à partir des données non destructives
II.2.3. Calcul de la biomasse aérienne à partir des données d’inventaire LiDAR-terrestre
II.2.4. Estimation de la surface foliaire via les données LiDAR terrestre
II.2.5. Analyses statistiques
CHAPITRE III: RESULTATS ET DISCUSSION
III.1. RESULTATS
III.1.1. Etablissement des modèles allométriques
III.1.2. Impact des variations verticales des profils de densité spécifique du bois
III.1.3. Estimation de la surface foliaire à partir des nuages de points feuilles
III.2. DISCUSSION
III.2.1. Allométrie de biomasse et relation hauteur diamètre
III.2.2. Importance de prédiction d’un estimateur de densité spécifique de bois
III.2.3. Estimations de surface foliaires à partir des données LiDAR terrestre
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
1. Conclusion
2. Perspectives
3. Recommandations
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
Annexe 1 : Différentes étapes de la mise en marche et l’arrêt du LiDAR-terrestre
Annexe 2 : Liste des espèces et leur richesse spécifique dans les différents quadrats scannés
PUBLICATIONS
