L’importance des forêts tropicales humides

L’importance des forêts tropicales humides

Contexte global:

L’importance des forêts tropicales humides Les forêts tropicales constituent un élément clé du cycle mondial du carbone. Elles contribuent à 55 % des stocks de carbone terrestre (Pan et al. 2011) et à plus de 30 % de la production primaire nette (Field et al. 1998). Les forêts tropicales sont également un élément clé des cycles hydrologiques mondiaux. L’évapotranspiration des forêts tropicales contribue à la fois aux régimes de précipitations des régions tropicales et des latitudes plus élevées (Avissar et Werth 2005). Par ailleurs, ces forêts tropicales representent le coeur de la biodiversite mondiale. Elles comptent 50 % de toutes les espèces décrites et représenteraient un pourcentage encore plus grand des espèces encore non décrites (Groombridge et Jenkins 2002). Quelques 1,2 à 1,5 millions de personnes dépendent directement des forêts tropicales pour l’eau potable, le bois de chauffage, les protéines animales, les médicaments et d’autres services écosystémiques (Millennium Ecosystem Assessment 2005 ; Vira et al. 2015).

Pour autant les activités anthropiques menacent toutes les forêts tropicales. Les déterminants modernes du changement des forêts tropicales comprennent i) les activités anthropiques traditionnelles, telles que la chasse, l’agriculture, l’extraction du bois, ii) l’introduction d’espèces invasives – dont l’influence a augmenté jusqu’à des niveaux sans précédent avec les nouvelles technologies et la croissance démographique et iii) les conséquences directes et indirectes des révolutions industrielles, incluant les modifications de la composition de l’atmosphère et du climat mondial (Wright 2010 ; Lewis et al. 2015). Les forêts les plus enclavées qui échappent encore au défrichement direct lié à l’agriculture et à l’extraction de bois de chauffage, sont malgré tout accessibles aux chasseurs, de plus en plus nombreux, à l’extraction commerciale du bois et aux activités minières. De plus, elles subissent les effets des changements atmosphériques et du réchauffement climatique, incluant la hausse de la concentration du CO2 atmosphérique, l’augmentation des températures (IPCC, 2014), des épisodes de sécheresse plus fréquents et plus intenses (Burke et al. 2006; Chadwick et al. 2016), et une variation prédite dans la fréquence et l’intensité des événements ENSO (El Niño / Southern Oscillation), qui engendrent les variations annuelles climatiques les plus importante à l’échelle de la planète, variant entre des condition anormalement froides (La Niña) et chaudes (El Niño) (Mc Phaden et al. 2006 ; Cai et al. 2015).

Les changements globaux ont des conséquences multiples sur les forêts tropicales, dont la principale est la déforestation qui conduit à une cascade d’effets indirects dont le premier niveau est la perte d’habitats forestiers. Compte-tenu du fait que les forêts tropicales abritent plus des deux tiers de la biodiversité terrestre mondiale (Dirzo et Raven 2003; Gardner et al. 2009) et que la superficie de ces forêts a diminué de moitié depuis le début du XXe siècle, avec un pic de déforestation entre 1980 et 1990 (Wright, 2005), leur disparition, engendre donc une perte massive de biodiversité (Morris 2010). Les changements globaux agissent également à une échelle plus universelle au travers de la modification des patrons mondiaux de biodiversité du fait des phénomènes de migration des espèces et de la modification de leurs aires de répartition (Parmesan, 1996). Les changements climatiques (d’origine anthropique) influencent également par effet indirect la capacité de stockage du carbone des forêts tropicales apparemment non perturbées directement.

Les modèles des impacts des changements climatiques sur la végétation suggèrent que les plantes en général, et les plantes des forêts tropicales en particulier, sont sensibles aux changements environnementaux, tels que l’augmentation de la concentration de CO2 atmosphérique, des dépôts d’azote, de la température, de la fréquence des sécheresses, et du niveau de radiations solaires (Lloyd et Farquhar 1996 ; Sitch et al. 2003 ; Cox et al. 2004 ; Stephens et al. 2007 ; Wagner et al. 2014). Une telle réactivité pourrait avoir d’importantes conséquences pour l’avenir de l’un des biomes les plus en danger de la Terre (Solomon et al. 2007). Des études de terrain ont fait état de plusieurs tendances de transformation des forêts en réaction aux changements climatiques, qui peuvent renvoyer à des interprétations assez différentes (Lewis et al. 2004): l’augmentation des stocks de biomasse aérienne (Phillips et al. 1998 ; Baker et al. 2004), de la productivité primaire nette aérienne (Lewis et al. 2004 ; Boisvenue et Running 2006), du rapport entre le recrutement et la mortalité des arbres (Phillips et al. 2004), et de l’abondance relative des espèces à croissance rapide (Körner 2004).

L’arbre de canopée au coeur du peuplement

Les écosystèmes forestiers sont des arrangements tridimensionnels complexes basés sur une organisation horizontale et verticale de peuplements d’arbres qui, le plus souvent, n’appartiennent ni a la meme espece ni a la meme generation. Cette organisation s’etage entre le sol et la surface de la canopée qui représente une fine couche de végétation, ondulant de proche en proche, et qui sépare d’un cote le sous-bois ombrage et tamponne, et de l’autre le milieu exterieur soumis a un fort ensoleillement. Les espèces qui déploient leur couronne dans le sous-bois doivent tolérer le contexte sombre et humide tandis que celles de la canopee doivent tolerer le contexte lumineux et aride. C’est ainsi que pour rejoindre la surface de la canopee, un arbre devra soit profiter d’une trouee soit etre en mesure de progresser verticalement dans la structure forestière, en ajustant à la fois sa morphologie et sa tolerance a l’ombrage au cours de son ontogénie. Ainsi l’ontogenèse des arbres forestiers s’accompagne d’un compromis entre la croissance verticale de la tige, pour atteindre la couche la plus ensoleillée de la végétation, et l’expansion horizontale de la couronne pour maximiser l’interception de la lumière.

Les peuplements denses favorisent davantage le développement vertical (Montgomery et Chazdon 2001 ; Osunkoya et al. 2007 ; Bohlman et Pacala 2012), tandis que la disponibilité de lumiere et les espaces vides lateraux favorisent l’expansion horizontale de la couronne. A l’inverse, les interactions mecaniques entre les arbres d’un tel peuplement limitent l’expansion laterale de la couronne, notamment via une abrasion mécanique entre les branches en mouvement, ce qui est illustré par les concepts de  » volume d’exclusion  » (Alexandre, 1982) lorsqu’il s’agit de l’encombrement vertical du sous-bois, ou de  » timidité de la couronne « , lorsqu’il s’agit de l’encombrement horizontal de la canopée (Jacobs 1955 ; Putz et al. 1984). Les stratégies des arbres pour l’allocation des ressources disponibles sont donc principalement motivées par la concurrence pour l’espace (Hajek et al. 2015) et la lumière (Banin et al. 2012 ; Lines et al. 2012), processus qui dépendent principalement de la position de la couronne dans la structure 3D du peuplement forestier. Cette expansion de la surface photosynthétique est associée à l’épaississement de la base de la tige nécessaire au support mécanique, au détriment de la croissance verticale de la tige (Sterck et Bongers 2001 ; King 1996 ; Yamada 2005).

La relation allometrique qui lie l’expansion de la couronne a celle du diametre de l’arbre permet donc de poser l’hypothese generale que l’organisation de la canopée, notamment la taille et la fréquence de la couronne des arbres, reflète une partie de la structure et de la productivité du peuplement forestier (Mäkelä et Valentine 2006 ; Coomes et al. 2012 ; Attocchi et Skovgaard 2015 ; Muller-Landau et al. 2006) et de la dynamique des peuplements (Moravie et al. 1999 ; King 2005 ; Muller-Landau et al. 2006). Ces relations allométriques sont donc d’une importance toute particulière pour les etudes qui visent a evaluer l’organisation des peuplements forestiers à l’échelle du paysage au travers d’observations aeriennes ou satellitaires. Pourtant, la plupart des modeles de structure forestière et de dynamique reposent sur les relations allométriques qui lient le diamètre des arbres à hauteur de poitrine (DBH, Diameter at Breast Height) à leur hauteur (e.g. Kohyama et al. 2003 ; Feldpausch et al. 2012) ; les donnees relatives a l’expansion horizontale des couronnes d’arbres de la canopée ont été plus rarement utilisées, même si leur prise en compte est croissante dans la modélisation de la dynamique de la structure (Harja et al. 2012 ; Bohlman et Pacala 2012 ; Taubert et al. 2015 ; Farrior et al. 2016). Pour la prediction de la biomasse aerienne des arbres individuels, l’ajout des métriques de la couronne dans ces modèles allométriques améliore grandement la pertinence de la prédiction, particulièrement dans le cas des grands arbres (Goodman et al. 2014 ; Ploton et al. 2016). Les correlations observees entre les mesures des couronnes d’arbres de la canopee (calculees ou approchées à partir des données de télédétection) et les paramètres structuraux des peuplements (mesurés sur le terrain) confirment l’hypothèse d’une relation allométrique assez stable entre les dimensions de la couronne et celle du tronc (Read et al. 2003 ; Couteron et al. 2005 ; Broadbent et al. 2008). La télédétection par satellites, combinée à des mesures acquises au sol, peut donc s’avérer être un outil clé pour l’estimation de la couverture et de la structure des forêts.

Contribution de la télédétection pour l’estimation de la structure des forêts Compte tenu de l’étendue des forêts tropicales, des limitations d’accès (Gibbs et al. 2007), et de la complexité structurale qui les caractérise (Hallé et al. 1978), les méthodes de télédétection sont depuis longtemps perçues comme des outils essentiels pour évaluer la structure et la biomasse des forêts tropicales et suivre leurs variations dans l’espace et dans le temps (Patenaude et al. 2005, DeFries et al. 2007). Cependant, bien que la déforestation stricto sensu (i.e. la perte de couvert forestier) soit assez facile à mesurer et à cartographier en utilisant une variété de types d’images et de méthodes (Achard et al. 2010), la dégradation des forêts (i.e. le changement du couvert forestier et des stocks de carbone) est beaucoup plus difficile à surveiller car elle est encore entravée par des limites techniques dans les tropiques (DeFries et al. 2007 ; Herold et al. 2011 ; Couteron et al. 2012). Le suivi de la dégradation est plus difficile sur le plan technique que la surveillance de la déforestation.

Les différences de réflectance entre les forêts naturelles ou peu affectées et les forêts dégradées sont plus subtiles que celles existant entre les patches de déboisement et de forêt dégradée. Ceci résulte du fait que la deforestation represente une suppression, souvent brutale, de l’essentiel de la biomasse ligneuse, alors que la dégradation est fréquemment une suppression progressive de cette dernière. Compte tenu de la forte biomasse pouvant être atteinte dans les forêts tropicales, la gamme de biomasse subsistant dans les forêts peu ou moyennement dégradées reste au-dessus des seuils de saturation de la plupart des signaux physiques actuellement disponibles au travers de l’observation satellitaire. Cet effet de saturation se manifeste particulièrement sur des images pour lesquelles la résolution spatiale (taille du pixel) peut être qualifiée de haute (par exemple pixels de 5 à 30 m) à moyenne (pixels de 100 à 300 m). Les pixels de cette taille montrent une faible variabilité du signal au-dessus d’un certain niveau de couvert ou de biomasse. Ceci est observe pour la reflectance des images optiques comme pour la rétrodiffusion des images radar. Pour ces dernières, la saturation est toujours présente, même si elle dépend de la  » bande  » de fréquences utilisées (Woodhouse 2014). Aussi, les methodes de surveillance de la degradation par teledetection sont loin d’etre aussi bien établies que pour le suivi de la déforestation.

La question du suivi et de la cartographie de la dégradation est étroitement liée à celle de la cartographie des variations de structure forestière dans l’espace et dans le temps. Cette question se pose particulierement dans les paysages tropicaux en mosaïques complexes (Mertz et al. 2012), tels qu’observes en Nouvelle-Calédonie. La disponibilité accrue d’images optiques de haute à très haute résolution spatiale, fournies par des satellites tels que GeoEye, Ikonos, Orbview, Quickbird, Pléiades (pixels de 1 m ou moins) et même Spot 6 / 7 ou RapidEye (tailles de pixels effectives de 2 à 5 m), a ouvert de nouvelles voies pour surveiller directement les propriétés importantes de la végétation telles que la biomasse aérienne et le couvert (Asner et al. 2014 ; Barbosa et al. 2014). En effet, une résolution spatiale accrue permet de se détacher d’une classification pixels par pixels pour aller vers des schémas fondés sur l’analyse des proprietes texturales des images au travers d’ensembles de pixels adjacents, correspondant a des échelles faisant sens par rapport aux propriétés et caractéristiques végétales étudiées. Dans le cas spécifique des territoires forestiers, les images à haute et très haute résolution spatiale (THR, entre 0,5 et 5 m de résolution) ont considérablement amélioré le potentiel d’analyse de la texture des images de la canopée (Wulder et al. 1998 ; Couteron et al. 2005 ; Frazer et al. 2005 ; Malhi et Roman-Cuesta 2008). Cette texture est basée sur le contraste entre les couronnes éclairées et ombragées, qui augmente avec la finesse de la résolution spatiale de l’image. Ceci explique pourquoi, dans les images THR, la forêt tropicale n’apparaît plus comme une couche homogène continue, comme c’est le cas avec les images à résolution haute à moyenne (pixel supérieure à 5 mètres). La THR a ainsi permis de fournir des données quantitatives sur la distribution de taille des couronnes et des espaces inter-couronnes (Couteron et al. 2005 ; Frazer et al. 2005 ; Malhi et Roman-Cuesta 2008 ; Palace et al. 2008).

Table des matières

PREAMBULE
Présentation du manuscrit
Contexte de l’etude
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1 Contexte global: L’importance des forêts tropicales humides
1.2 L’arbre de canopee au coeur du peuplement
1.3 Contribution de la télédétection pour l’estimation de la structure des forêts
1.4 La Nouvelle-Calédonie, le site d’étude
1.4.1 Géographie
1.4.2 Orographie et Géologie
1.4.3 Climat
1.4.4 Une exceptionnelle biodiversité
1.4.5 Les grandes formations végétales
1.4.6 Les différentes formations forestières et les dynamiques associées
1.5 Les perturbations anthropiques sur les écosystèmes végétaux néo-calédoniens
1.6 Les forêts denses humides néo-calédoniennes
1.6.1 La répartition des forêts denses humides
1.6.2 Historique des classifications de la végétation
1.7 Objectifs et démarche scientifique
CHAPITRE 2 : LES DONNÉES
2.1 La zone d’étude
2.2 Données aéroportées
2.2.1 Les images satellitaires
2.2.2 Les photographies aériennes
2.2.3 La cartographie des contours forestiers
2.3 Les sites d’étude : le réseau NC-PIPPN (New Caledonian Plant Inventory and Permanent Plot Network)
2.3.1 Les parcelles de 0,04 hectares
2.3.2 Les parcelles d’1 hectare
2.4 Données environnementales
2.5 Données issues de la littérature
CHAPITRE 3 : L’HÉTÉROGÉNÉITÉ STRUCTURALE DES FORÊTS DENSES HUMIDES DE LA PROVINCE NORD
3.Résumé :
3.1 Introduction
3.2 Méthodes
3.2.1 Diversite structurale et floristique des parcelles d’1 ha
3.2.2 Estimation des paramètres structuraux selon la surface d’échantillonnage
3.2.3 Les drivers environnementaux de la diversité structurale
3.2.4 Comparaison des parametres structuraux avec d’autres systemes insulaires et continentaux
3.3 Résultats
3.3.1 Richesse et composition floristique des parcelles d’1 ha
3.3.2 Diversite structurale entre les parcelles d’1 ha
3.3.3 Estimation des paramètres structuraux selon la surface d’échantillonnage
3.3.4 Les drivers environnementaux de la diversité structurale
3.3.5 Comparaison des parametres structuraux avec d’autres systemes insulaires et continentaux
3.4 Discussion
3.4.1 Effet de la surface d’échantillonnage sur l’estimation des paramètres structuraux
3.4.2 Comparaison avec d’autres forêts denses humides dans le monde
3.4.3 La variabilité structurale des forêts denses humides néo-calédoniennes
3.4.4 La variabilité structurale sur un espace géographique restreint
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 : CARTOGRAPHIE DE LA STRUCTURE DES FORÊTS DENSES HUMIDES DE LA PROVINCE NORD PAR ANALYSE DE LA TEXTURE DE LA CANOPÉE
4.Résumé
4.1 Introduction
4.2 Méthodes
4.2.1 Analyse de la texture de la canopée
4.2.2 Analyse en composante principale sur le tableau des spectres-r et calcul des indices de texture
4.2.3 Classification des imagettes selon les indices de texture
4.2.4 Les modèles texture-structure
4.3 Résultats
4.3.1 Analyse de la texture du grain de la canopée
4.3.2 Typologie des Forêts Denses Humides
4.3.3 Indices de texture spécifiques des forêts
4.3.4 Prédiction des paramètres structuraux à partir des indices de texture de la canopée
4.3.5 Cartographie de l’AGB des forêts
4.4 Discussion
4.4.1 Cartographie des forêts
4.4.2 Prédiction de la structure des forêts denses humides à large échelle
4.4.3 Typologie structurale des forêts
4.4.4 Les specificites de l’application de l’analyse de la texture sur les forêts denses humides néocalédoniennes
4.4.5 Amélioration de la typologie des forêts denses humides à large échelle
4.4.6 Le défi pour l’estimation de la biomasse aérienne des forêts denses humides à l’échelle régionale
4.5 Conclusion
CHAPITRE 5 : LES DRIVERS DE LA DIVERSITÉ STRUCTURALE DES FORÊTS DENSESHUMIDES A LARGE ÉCHELLE
Résumé
5.1 Introduction
5.2 Méthodes
5.2.1 Effet de l’environnement et de la topographie sur la structure des forêts denses humides
5.2.2 Contribution des variables environnementales et topographiques sur la variabilité des indices de texture
5.3 Résultats
5.3.1 Exploration des relations entre les gradients environnementaux et topographiques et les gradients de texture de la canopée
5.3.2 Prédiction de la texture de la canopée par les variables environnementales et topographiques à l’échelle de la Province Nord
5.3.3 Effet local de la topographie sur la texture de la canopée
5.4 Discussion
5.4.1 Les effets de l’ombrage sur la texture
5.4.2 Influence de la topographie sur la texture à l’échelle du massif
5.4.3 Influence des variables environnementales sur la texture à l’échelle du massif
5.4.4 Influence de la topographie à l’échelle d’un versant
5.5 Conclusion
CHAPITRE 6 : CONCLUSION GÉNÉRALE
6.1 La structure des forêts denses humides de Nouvelle-Calédonie
6.2 L’analyse de la texture de la canopee
6.3 La variabilité structurale des forêts denses humides de Nouvelle-Calédonie
6.4 Perspectives
BIBLIOGRAPHIE
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
ANNEXES
Annexes du Chapitre 2
Annexes du Chapitre 3
Annexes du Chapitre 4
PUBLICATIONS

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