Thèse soutenue

Télédétection de la fluorescence induite par laser et par le soleil pour l’étude du fonctionnement hydrique et carboné des écosystèmes terrestres

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Auteur / Autrice : Hamadou Balde
Direction : Yves GoulasKamel SoudaniGabriel Hmimina
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences du climat, de l'atmosphère et des océans, terrestres et planétaire
Date : Soutenance le 13/12/2023
Etablissement(s) : Sorbonne université
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de météorologie dynamique (Palaiseau, Essonne ; 1968-....)
Jury : Président / Présidente : Hélène Chepfer
Examinateurs / Examinatrices : Valérie Le Dantec
Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Roujean, Jean-Philippe Mévy

Résumé

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La fluorescence chlorophyllienne induite par le soleil (SIF) est désormais utilisée comme outil pour suivre la production primaire brute (GPP) du couvert végétal de différents écosystèmes. La SIF est importante pour comprendre le cycle global du carbone dans un contexte de changements climatiques. Cependant, l’usage de la SIF pour suivre les variations de la GPP est entravée par des facteurs confondants (propriétés biochimiques des feuilles, facteurs abiotiques, etc.). Dans cette thèse, on propose d’utiliser des observations à plusieurs échelles [satellitaires (TROPOMI et MODIS) et au sol] de la SIF, de réflectance, de la GPP et du rendement de la fluorescence chlorophyllienne par mesure active (FyieldLIF), utile pour observer les variations physiologiques de la végétation, afin d’abord 1) d’évaluer la force des liens GPP-SIF et de prédire la GPP à l’aide de mesures spatiales ; ensuite, 2) d’examiner les liens FyieldLIF-SIFy (SIF normalisé par le rayonnement photosynthétiquement actif, PAR) et les effets de structure du couvert végétal sur la SIF; et enfin 3) d’explorer l’influence de la structure de la canopée et des facteurs abiotiques sur les variations de la SIF et de la GPP et sur leurs liens. On constate que la force et la nature des liens GPP-TROPOMI SIF sur 40 sites de tours à flux dépendent du site et du type de végétation, reflétant l’hétérogénéité spatiale et temporelle de la couverture végétale du pixel TROPOMI. En outre, les mesures satellitaires de la SIF et de la réflectance prédisent plus de 80 % des variations de la GPP. Toutefois, on remarque que les réflectances à différentes bandes prises ensemble prédisent mieux la GPP que TROPOMI SIF, mais l’importance relative montre que la SIF est la variable la plus importante pour prédire la GPP (SIF plus les indices de végétation (VIs) comme variables explicatives). Ce résultat soutient qu’à des échelles spatiales larges la réflectance pourrait être utilisée pour estimer la GPP et que l’usage de la SIF comme proxy de la GPP soulève la question de savoir si l’information physiologique liée à la photosynthèse issue de la SIF pourrait être détectée à cette échelle. Par ailleurs, à partir de mesures au sol effectuées à Fontainebleau-Barbeau, on montre que FyieldLIF n’est pas corrélé avec SIFy à l’échelle diurne à cause des effets de géométrie d’éclairement. On constate aussi que les dynamiques diurnes de la SIF et du PAR décorrèlent lors des jours de ciel clair, montrant les effets de l’ombre sur la SIF. On montre aussi que la SIF et la réflectance peuvent être utilisées pour prédire FyieldLIF, tandis Φk (SIFy/FyieldLIF) (indicateur de l’interaction structure-éclairement) est corrélé à la réflectance et à la géométrie de la canopée. On souligne que les liens GPP-SIF et leurs variations dépendent de l’échelle temporelle considérée. Particulièrement, à l’échelle saisonnière, on observe que les variations de GPP, SIF, SIFy et FyieldLIF répondent au développement structurel et biochimique des canopées, ainsi qu’aux facteurs abiotiques. Lors des vaques de chaleurs, on constate que la SIF et les VIs (NDVI, NIRv et mNDI) d’une part et la SIF et le PAR d’autre part ne sont pas corrélés, tandis que GPP, SIF et FyieldLIF diminuent fortement. Ceci indique que SIF et FyieldLIF peuvent être utilisés pour suivre la photosynthèse du couvert en conditions de stress alors que les VIs ne peuvent pas. Cette réponse spécifique de la SIF et FyieldLIF comparée aux VIs souligne l’intérêt croissant de l’usage de la SIF comme proxy de la GPP dans des conditions climatiques changeantes. Toutefois, à l’échelle diurne, les interactions entre structure de la canopée et géometrie d’éclairement contrôlent les variations de la SIF, de la GPP et de la relation GPP-SIF. On recommande l’usage de la synergie réflectance-SIF et des mesures actives pour mieux comprendre les variations de la SIF et son lien avec la GPP sur d’autres types de couverts végétaux.