Modéliser l’évolution des plantes à fleurs au Crétacé et leurs rétroactions avec le climat

Modelling the cretaceous evolution of flowering plants and their feedback with the climate

• Auteur / Autrice : Julia Bres
• Direction : Pierre Sepulchre, Nicolas Viovy, Nicolas Vuichard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Océan, atmosphère, climat et observations spatiales
• Date : Soutenance le 28/01/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Modélisation du Climat (CLIM)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Géosciences, climat, environnement et planètes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Daux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Sepulchre, Frédéric Fluteau, Anne-Laure Decombeix, Pascale Braconnot, Christine Delire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Fluteau, Anne-Laure Decombeix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles théoriques

Évapotranspiration

Angiospermes

Paléoclimatologie

Mots clés libres

Modélisation

Paléoclimat

Rétroaction

Atmosphère

Biosphère

Angiospermes

Modelling

Paleoclimate

Feedback

Atmosphere

Biosphere

Angiosperms

Résumé

Au Crétacé, l'évolution foliaire des plantes à fleurs, ou Angiospermes, vers de fortes densités de nervures et de stomates, suggère une augmentation de la conductance stomatique et des flux d’évapotranspiration sans précédent. Cependant, ces paléo-traits ne sont pas pris en compte dans les modèles de végétation qui visent justement à déterminer les effets de l’évapotranspiration sur le climat. L’objectif de ma thèse est donc de modéliser l’évolution de la conductance stomatique des plantes à fleurs au cours du Crétacé et d’en évaluer ses effets sur les interactions et rétroactions climat-végétation. En combinant des données fossiles et des modèles écophysiologiques, je développe une paramétrisation innovante de la végétation proto-angiosperme dans le modèle de végétation ORCHIDEE qui considère une réduction conjointe de leurs capacités hydrauliques et photosynthétiques. Avec le modèle couplé atmosphère-végétation LMDZOR, je montre que la radiation des Angiospermes génère un renforcement du cycle hydrologique et une baisse de la température de surface, dont les intensités sont modulées par la teneur en CO2 atmosphérique. En activant le modèle de végétation dynamique, je montre que la radiation des plantes à fleurs génère des boucles de rétroactions positives dans un contexte de baisse de la teneur en CO2 atmosphérique au cours du Crétacé : l’augmentation des capacités hydrauliques et photosynthétiques des plantes à fleurs constitue un avantage sélectif par rapport aux autres types de plantes qui leur permet de (i) maintenir leur productivité, (ii) développer des forêts tropicales et remplacer les conifères dans les forêts tempérées et boréales et (iii) renforcer les précipitations, limitant ainsi les effets du stress hydrique sur leur propre essor.

During the Cretaceous period, the leaf evolution of flowering plants, or angiosperms, towards higher vein and stomata densities, suggests an unprecedented increase in stomatal conductance as well as evapotranspiration fluxes. However, these paleo-traits are not accounted for in vegetation models whose the aim is to evaluate the effects of evapotranspiration fluxes on the climate system. The purpose of this study is to simulate the stomatal conductance evolution of flowering plants through the Cretaceous period and assess their effects on interaction and feedback between climate and vegetation. By combining fossil data and empirical ecophysiological models, I develop an innovative parameterization of proto-angiosperm vegetation in the ORCHIDEE vegetation model which considers a reduction of both hydraulic and photosynthetic capacities. Thanks to the coupled atmosphere-vegetation model LMDZOR, I demonstrate that the radiation of flowering plants drives a strengthening of the hydrologic cycle and a decrease in surface temperature, the intensities of which are modulated by the atmospheric concentration of CO2. By activating the dynamic vegetation model, I show that flowering plant radiation triggers positive feedback loops in a context of decreasing atmospheric concentration of CO2 during the Cretaceous period: the increase in hydraulic and photosynthetic capacities of flowering plants constitutes a selective advantage compared to other types of plants by allowing them to (i) sustain their productivity, (ii) develop tropical forests and replace conifers in temperate and boreal forests and (iii) enhance precipitations, thus preventing water stress effects on their own development.