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

Remote sensing of laser- and sun-induced chlorophyll fluorescence for studying water and carbon functioning in terrestrial ecosystems

• Auteur / Autrice : Hamadou Balde
• Direction : Yves Goulas, Kamel Soudani, Gabriel 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 ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Chepfer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Le Dantec
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Louis Roujean, Jean-Philippe Mévy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Écophysiologie

Canopée

Facteurs abiotiques

Photosynthèse

Fluorescence

Végétation -- Télédétection

Mots clés libres

Fluorescence induite par laser

Fluorescence induite par le Soleil

Production primaire brute (GPP)

Rendement de fluorescence

Rendement d'utilisation d'énergie (LUE)

Stress abiotiques

Laser-Induced Chlorophyll Fluorescence

Sun-induced Chlorophyll Fluorescence

Gross Primary Production

Fluorescence yield

Light Use efficiency

Abiotic Stress

Résumé

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.

Sun-Induced chlorophyll Fluorescence (SIF) is used as a tool to monitor Gross Primary Production (GPP) across different ecosystems. SIF is important to understand the global carbon cycle under changing climate conditions. However, the use of SIF to probe variations in GPP is challenged by confounding factors (canopy biochemical properties, abiotic factors, etc.). In this thesis, we proposed to use multiple scale measurements (spaceborne with the TROPOMI and MODIS sensors, and ground-based) of SIF, reflectance, GPP, and active chlorophyll fluorescence yield (FyieldLIF), useful to observe the physiological variations of the vegetation. In order, first, to evaluate the strength and the nature of the relationship between GP-SIF and to predict GPP using remote sensing metrics; second, to examine the relationship between FyieldLIF and SIFy (SIF normalized by the photosynthetically active radiation, PAR) and the effects of canopy structure and sun-canopy geometry on SIF signal, and third, to explore the influence of canopy structure, light intensity and abiotic factors on SIF and GPP variations and on their links. We found that the strength and the nature of the links between GPP and TROPOMI SIF, across forty flux sites, depend on sites and vegetation types. Further, combined use of SIF and reflectance from satellite observations predicted over 80% of GPP variations. However, we observed that daily surface reflectance at different bands when taken as a whole outperformed daily TROPOMI SIF in predicting GPP, but the relative importance of variables in the random forest model using SIF and VIs (NDVI, PRI and NIRv) as inputs to predict GPP shows that SIF is the most important variable for predicting GPP. This result indicates that at a broad spatial scale, reflectances could be used to predict GPP and the use of SIF as a proxy of GPP raises the question of whether the physiological information related to photosynthesis contained in SIF could be detected at this scale. Based on top-of-canopy measurements in Fontainebleau-Barbeau, we show that active FyieldLIF was not correlated with passive SIFy at the diurnal timescale due to sun-canopy geometry effects. We also observed that the diurnal patterns in SIF and PAR did not match under clear sky conditions, underlining the effects of shadows on the measured canopy SIF. We also showed that the SIF and the reflectance can be used to predict FyieldLIF, while Φk =SIFy/FyieldLIF (an indicator of the interaction between canopy structure and irradiance geometry) is strongly correlated with reflectance and sun-canopy geometry. The analyses show that the links between GPP and SIF and their variations, resulting from ground-based measurements, depend on the temporal scale considered. More specifically, at the seasonal scale, we observed that variations in GPP, SIF, SIFy and FyieldLIF respond to the structural and biochemical development of canopies and to variations in abiotic factors, especially during the heatwaves in 2022. During these extreme weather conditions, we observed that, on one hand, SIF and VIs (NDVI, NIRv and mNDI), and on the other hand, SIF and PAR are not correlated, while GPP, SIF and FyieldLIF strongly decreased. This indicates that SIF and FyieldLIF can be used to monitor impact on photosynthetic activity under stress conditions, while VIs cannot. This specific response of SIF and FyieldLIF compared to VIs highlights the growing interest in the use of SIF as a proxy of GPP under changing climate conditions. However, at the diurnal scale, the interactions between canopy structure and sun geometry, as well as the light intensity control the variations in SIF and GPP and their links. We strongly recommend the use of the synergy between reflectance, SIF and active fluorescence measurements to better understand the dynamics of SIF and its link to GPP in other vegetation types at the canopy scale.