Changement climatique - CNRS
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Marie Curie Actions<br />
Prédictions de modèles mécanistes sur<br />
l’impact du changement <strong>climatique</strong> sur<br />
la phénologie d’arbres nord-américains<br />
Xavier Morin et Isabelle Chuine<br />
Journée du GDR 2968– 21 Oct. 2009<br />
La phénologie : un observatoire des changements <strong>climatique</strong>s
Impact du changement <strong>climatique</strong><br />
sur les arbres de la zone tempérée<br />
<strong>Changement</strong> <strong>climatique</strong><br />
Physiologie<br />
Keeling et al. 1996<br />
Myneni et al. 1997<br />
Saxe et al. 2001<br />
Körner et al. 2005<br />
Croissance<br />
Interactions<br />
biotiques<br />
Hughes 2000<br />
Suttle et al.<br />
2007<br />
Phénologie<br />
Menzel & Fabian 1999<br />
Abu Asab 2001<br />
Root et al. 2003<br />
Menzel et al. 2006<br />
Schwartz et al. 2006<br />
Répartitions
Impact du changement <strong>climatique</strong><br />
sur les arbres de la zone tempérée<br />
<strong>Changement</strong> <strong>climatique</strong><br />
Physiologie<br />
Croissance<br />
Phénologie<br />
Interactions<br />
biotiques<br />
Répartitions
<strong>Changement</strong>s phénologiques observés<br />
Europe du Nord<br />
Espèce<br />
Région<br />
Période<br />
changement<br />
(jours/décennie)<br />
Quercus robur<br />
Royaune-Uni<br />
1950-1996<br />
-4.3 à -5.8<br />
(Cannell et al. 1999)<br />
Quercus robur<br />
Allemagne<br />
1951-1996<br />
-3.1<br />
(Menzel et al. 2001)<br />
Quercus robur<br />
Estonia<br />
1948-1996<br />
-1.7<br />
(Ahas et al. 2000)<br />
Betula pendula<br />
Allemagne<br />
1951-1996<br />
-3.7<br />
(Menzel et al. 2001)<br />
Betula pendula<br />
Estonie<br />
1948-1996<br />
-2.9<br />
(Ahas et al. 2000)<br />
Betula pendula<br />
Europe Nord<br />
1951-1998<br />
-2.7<br />
(Ahas et al. 2002)<br />
Fagus sylvatica<br />
Allemagne<br />
1951-1996<br />
-2.3<br />
(Menzel et al. 2001)<br />
Picea abies<br />
Allemagne<br />
1951-1996<br />
-3.1<br />
(Menzel et al. 2001)<br />
Populus tremuloides<br />
Canada<br />
1900-1997<br />
-2.6<br />
(Beaubien & Freeland 2000)<br />
<strong>Changement</strong> moyen date de débourrement = -2.9 jours/déc.
<strong>Changement</strong>s phénologiques observés<br />
Date de débourrement arbres nord-américains<br />
145<br />
140<br />
135<br />
130<br />
125<br />
120<br />
115<br />
110<br />
105<br />
100<br />
* * * * * * * *<br />
1883-1912<br />
1990-2003<br />
Juglans nigra<br />
Carya ovata<br />
Quercus velutina<br />
Quercus alba<br />
Quercus macrocarpa<br />
Ulmus americana<br />
Gymnocladus dioica<br />
Aesculus hippocastanum<br />
Fraxinus americana<br />
- 1.08 jours / décennie
Impact du changement <strong>climatique</strong><br />
dans les prochaines décennies<br />
<strong>Changement</strong> <strong>climatique</strong><br />
Physiologie<br />
Prédictions ??<br />
Croissance<br />
Phénologie<br />
Interactions<br />
biotiques<br />
Répartitions
Comment établir des prédictions ?<br />
Expériences<br />
Observations<br />
Modélisation
Modéliser la phénologie pour le 21 ème siècle<br />
Observations<br />
phénologiques<br />
Calibration de modèles phénologiques<br />
Données<br />
<strong>climatique</strong>s des sites<br />
d’observations<br />
Données<br />
<strong>climatique</strong>s<br />
20 ème siècle<br />
CRU TS 2.0<br />
Validation des modèles<br />
Simulations<br />
Données<br />
<strong>climatique</strong>s<br />
21 ème siècle<br />
HadCM3<br />
Prédictions 20 ème siècle<br />
Prédictions 21 ème siècle
Observations phénologiques<br />
Données disponibles à l’échelle spécifique…<br />
Amérique du Nord<br />
Réseau national (USA)<br />
Observations 1883-1912 (1 site)<br />
Observations 1990-2000 (2 sites)<br />
Europe<br />
Divers réseaux<br />
France : Observatoire des Saisons,…<br />
>20 espèces<br />
Hêtre<br />
Chêne pédonculé<br />
Pin sylvestre<br />
Emmanuel Gritti
Modéliser la phénologie pour le 21 ème siècle<br />
Observations<br />
phénologiques<br />
Calibration de modèles phénologiques<br />
Données<br />
<strong>climatique</strong>s des sites<br />
d’observations<br />
Données<br />
<strong>climatique</strong>s<br />
20 ème siècle<br />
CRU TS 2.0<br />
Validation des modèles<br />
Simulations<br />
Données<br />
<strong>climatique</strong>s<br />
21 ème siècle<br />
HadCM3<br />
Prédictions 20 ème siècle<br />
Prédictions 21 ème siècle
Description des modèles phénologiques utilisés<br />
Principe = Déterminisme environnemental de la phénologie<br />
Température<br />
Stade de<br />
développement<br />
(pas de temps journalier)<br />
Date de<br />
débourrement<br />
Chuine J Th. Biol. (2000)
Description des modèles phénologiques utilisés<br />
Principe = Déterminisme environnemental de la phénologie<br />
Température<br />
Stade de<br />
développement<br />
(pas de temps journalier)<br />
Date de<br />
débourrement<br />
Stade<br />
1<br />
0<br />
-5<br />
30<br />
+10<br />
F*<br />
C*<br />
Date de débourrement<br />
20<br />
10<br />
Temps<br />
S c<br />
S f<br />
0 0 10 20<br />
T °C<br />
30<br />
dormance<br />
quiescence<br />
Modèle complet = 9 paramètres<br />
Modèle le plus simple = 3 paramètres<br />
Test de 7 différents modèles<br />
Choix selon l’AIC
Calibration et validation des modèles<br />
pop obs r² pop obs r²<br />
Acer saccharinum 1 26 0.77 Ostrya virginiana 1 18 0.62<br />
Acer rubrum 1 13 0.89 Platanus occidentalis 1 19 0.62<br />
Aesculus glabra 1 11 0.50 Quercus alba 1 13 0.79<br />
Carya glabra 1 19 0.94 Quercus bicolor 1 17 0.93<br />
Carya ovata 1 21 0.93 Quercus macrocarpa 1 19 0.88<br />
Fraxinus nigra 1 16 0.94 Quercus rubra 1 13 0.78<br />
Fraxinus americana 3 19 0.89 Quercus velutina 1 19 0.88<br />
13 0.87 Salix nigra 1 21 0.59<br />
11 0.87 Sassafras albidum 1 21 0.85<br />
Juglans nigra 2 19 0.81 Ulmus americana 2 26 0.72<br />
11 0.94<br />
11 0.66<br />
Validation indépendante<br />
0.64 [0.43-0.80] (n=14 populations)<br />
+<br />
Acer saccharum<br />
Populus tremuloides<br />
Pinus contorta<br />
Pinus monticola<br />
22 espèces<br />
dont 13 espèces ‘chilling sensitive’
Modéliser la phénologie pour le 21 ème siècle<br />
Observations<br />
phénologiques<br />
Calibration de modèles phénologiques<br />
Données<br />
<strong>climatique</strong>s des sites<br />
d’observations<br />
Données<br />
<strong>climatique</strong>s<br />
20 ème siècle<br />
CRU TS 2.0<br />
Validation des modèles<br />
Simulations<br />
Données<br />
<strong>climatique</strong>s<br />
21 ème siècle<br />
HadCM3<br />
Prédictions 20 ème siècle<br />
Prédictions 21 ème siècle
Scénarios GIEC<br />
A2<br />
B2<br />
GIEC 2001
Prédictions pour le 21 ème siècle<br />
Comparaison moyennes Date 21ème – Date 20ème<br />
44 simulations<br />
(2 scenarios x 22 espèces)<br />
17 espèces<br />
5 espèces<br />
39 avancées du débourrement<br />
5 retard du débourrement<br />
Avancée du débourrement<br />
Avancée ou retard selon le scénario<br />
Moyennes<br />
A2 (+3.2°C)<br />
-5.0 jours B2 (+0.9°C) -9.3 jours<br />
Morin et al. Glob. Change Biol. 2009
Variabilité spatiale<br />
Prédictions pour le 21 ème siècle<br />
- Plus des 2/3 des aires de répartition subissent des changements<br />
significatifs<br />
- 2 groupes de réponse<br />
A: gradients latitudinaux (n=16)<br />
B: gradients centrifuges (n=6)<br />
Morin et al. Glob. Change Biol. 2009
Variabilité spatiale<br />
Prédictions pour le 21 ème siècle<br />
Acer saccharum<br />
Fraxinus nigra<br />
Scénario A2<br />
+3°C<br />
Date avancée<br />
Pas de<br />
changement<br />
Date retardée
Variabilité spatiale<br />
Prédictions pour le 21 ème siècle<br />
Ostrya virginiana<br />
Populus tremuloides<br />
Scénario A2<br />
+3°C<br />
Date avancée<br />
Pas de<br />
changement<br />
Date retardée
Moyennes<br />
Prédictions pour le 21 ème siècle<br />
A2 (+3.2°C) -5.0 jours B2 (+0.9°C) -9.3 jours<br />
= -1.9 jours/°C<br />
= -11.8 jours/°C<br />
Tendance entre 1950 et 2000 (+0.7°C) = -16-24 jours/°C<br />
Avancement<br />
en jours/°C<br />
Actuel<br />
(1950-2000)<br />
+0.9°C<br />
+3.2°C
Prédictions pour le 21 ème siècle<br />
Date de levée de dormance prédite<br />
A2<br />
B2<br />
Morin et al. Glob. Change Biol. 2009
- Avancée de la date de débourrement mais variabilité spatiale<br />
-« Tassement » de l’avancement selon le niveau de réchauffement<br />
- Effet antagoniste du réchauffement sur les processus (dormance et<br />
croissance des méristèmes)<br />
Phénologie<br />
(date de débourrement)<br />
Synthèse des résultats<br />
+<br />
0<br />
-<br />
2000 2100 ?<br />
?<br />
Temps<br />
= Réchauffement<br />
A vérifier !!
Comparaison avec des résultats expérimentaux<br />
Etude expérimentale du<br />
changement <strong>climatique</strong><br />
- 3 espèces, 3 populations par espèce<br />
- 2 niveaux de réchauffement<br />
Avancement de la date de débourrement<br />
(Moyennes 2003-2005)<br />
+1.5°C<br />
+3°C<br />
Q. ilex -12,0 -21,1<br />
Q. pubescens -8,4 -11,2<br />
Q. robur -4,7 -6,5<br />
- 5,3 jours/°C - 4,3 jours/°C<br />
Morin et al. unpublished<br />
Expérimentation sur le rôle de la dormance ?
- Avancée de la date de débourrement mais variabilité spatiale<br />
-« Tassement » de l’avancement selon le niveau de réchauffement<br />
- Effet antagoniste du réchauffement sur les processus (dormance et<br />
croissance des méristèmes)<br />
Phénologie<br />
(date de débourrement)<br />
Synthèse des résultats<br />
+<br />
0<br />
-<br />
2000 2100 ?<br />
?<br />
Temps<br />
= Réchauffement<br />
Implications dans la dynamique d’endurcissement des espèces<br />
Implications dans la répartition des espèces
Impact du changement <strong>climatique</strong><br />
sur les arbres de la zone tempérée<br />
<strong>Changement</strong> <strong>climatique</strong><br />
Physiologie<br />
Croissance<br />
Phénologie<br />
Interactions<br />
biotiques<br />
Répartitions
Le modèle PHENOFIT<br />
Chuine & Beaubien 2001<br />
(puis modif. Morin & Chuine 2005<br />
et Morin et al. 2007)<br />
Probabilité de présence<br />
Succès reproducteur<br />
Survie<br />
Dommages du gel<br />
sur les fleurs<br />
Paramètres ajustés<br />
Dommages du gel<br />
sur les feuilles<br />
Dommages par le gel<br />
Modèles<br />
phénologiques<br />
Probabilité de maturation<br />
des fruits<br />
Energie disponible<br />
depuis la floraison<br />
W<br />
Survie à la<br />
sécheresse<br />
ETP<br />
Survie aux<br />
températures<br />
extrêmes<br />
T j Pm<br />
T j<br />
T j<br />
Observations<br />
phénologiques<br />
Débourrement<br />
Floraison<br />
Maturation<br />
Sénescence
Exemple de prédictions de PHENOFIT<br />
20 ème s. 21 ème s.<br />
A2<br />
+ 3°C<br />
Fraxinus<br />
americana<br />
0 1<br />
Accord<br />
97%<br />
Probabilité de présence<br />
Morin et al. Ecology 2007<br />
Morin et al. J. of Ecol. 2008<br />
Fraxinus<br />
americana<br />
Extinctions en 2100<br />
Probabilité de présence<br />
Probabilité de présence<br />
Colonisations réalisées en 2100<br />
Zones potentielles en 2100
Phenofit<br />
Comparaison de prédictions de PHENOFIT et d’un modèle<br />
de niche<br />
Morin & Thuiller Ecology 2009<br />
Log(%Extinctions)<br />
A2<br />
B2<br />
Same trend but…<br />
•1) quantitative difference<br />
= greater variation in NB model<br />
•2) qualitative difference<br />
= not nested predictions<br />
%Extinctions<br />
Scenarios<br />
A2<br />
B2<br />
n=16<br />
1<br />
Niche-based<br />
Phenofit<br />
34 %<br />
22 %<br />
31 %<br />
19 %<br />
Niche-based model<br />
A2<br />
B2<br />
2<br />
%Extinctions NB model also predicted by Phenofit<br />
%Extinctions Phenofit also predicted by NB model<br />
26 %<br />
62 %<br />
15 %<br />
45 %
Remerciements<br />
Financement<br />
<strong>CNRS</strong><br />
Bourse Docteur Ingénieur<br />
Union Européenne Marie-Curie Fellowship (VI ème PCRD)<br />
Données<br />
Carol Augspurger University of Illinois (USA)<br />
John O’Keefe Harvard Forest (USA)<br />
David Viner University of East Anglia (UK)<br />
Martin Lechowicz<br />
Equipe au CEFE (Montpellier)<br />
Equipe à McGill (Montréal)
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