Évaluation de la réponse des prairies à la sécheresse grâce à des séries chronologiques d'images satellites

Assessing grassland response to drought using satellite image time series

• Auteur / Autrice : Donald A. Luna
• Direction : Catherine Picon-Cochard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Gestion de l'environnement
• Date : Soutenance le 20/06/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut National de la Recherche Agronomique (France). Unité mixte de Recherche sur l'Ecosystème Prairial (Clermont-Ferrand, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Julien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Pottier, Clélia Sirami, Jean-Baptiste Féret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Choler, Laurence Hubert-Moy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télédétection

Résistance à la sécheresse

Prairies

Mots clés libres

Résilience

Télédétection

Spei

Modèle mécaniste

Échelles de temps

Sécheresse météorologique

Resilience

Remote sensing

Spei

Mechanistic model

Time scales

Meteorological drought

Résumé

Les sécheresses deviennent plus fréquentes et intenses avec le changement climatique, ce qui menace la durabilité des services écosystémiques fournis par de nombreux agroécosystèmes, y compris les prairies gérées, dans de nombreuses régions du monde. L'anticipation et l'atténuation des effets de la sécheresse ont motivé les recherches scientifiques en agronomie, écophysiologie et écologie. Pour mieux comprendre les processus associés à la réponse des prairies aux sécheresses, de nombreuses études ont mené des expérimentations en pot, en mésocosme ou sur le terrain. Malgré leur rôle primordial dans l'élaboration de nos connaissances actuelles, ces approches font face à des limitations cruciales comme leur étendue spatio-temporelle restreinte et leur disjonction des conditions réelles. Le développement de produits et de techniques de télédétection ouvre des pistes prometteuses pour le suivi des écosystèmes terrestres et leur réponse aux diverses sources de perturbations. En complément des expérimentations plus classiques sur la sécheresse et des observations sur le terrain, cette thèse a pour objectif de tirer parti des données de télédétection satellitaires à long termepour évaluer la variabilité et les déterminants de la réponse des prairies à lasécheresse dans les systèmes agricoles du Massif central. Pour ce faire, cette thèse examine d'abord les approches méthodologiques actuelles pour l'évaluation de la réponse des prairies à la sécheresse par télédétection. Elle révise ensuite à déterminer la variabilité et les facteurs de sensibilité des prairies à la sécheresse à l'échelle régionale. Enfin, elle approfondit l'analyse de ces réponses en s'affrichissant de facteurs confondants, grâce à l'assimilation de données de télédétection à un modèle simple de croissance des prairies permanentes gérées. La revue bibliographique des analyses par télédétection des effets de la sécheresse sur les prairies a révélé l'existence de cinq approches méthodologiques alternatives. De loin, l'approche méthodologique la plus courante appelée ici « inférence statistique » consiste à inférer l'impact de la sécheresse à partir de la relation statistique entre la réflectance de la végétation et les indices météorologiques de sécheresse à l'aide de données chronologiques à long terme. Cette analyse bibliographique a également montré que la plupart des recherches ont été menées dans les Grandes Plaines (Amérique du Nord) et le Plateau mongol (Asie centrale) laissant de nombreux vides biogéographiques, en particulier dans les régions tempérées de l'Europe occidentale. La deuxième partie de cette thèse souligne la forte variabilité de la réponse des prairies gérées tempérées dans une région montagneuse hétérogène (le Massif central en France). Plus important encore, cette variabilité pourrait s'expliquer par un ensemble de facteurs pédoclimatiques, la diversité végétale et les pratiques de gestion. Conformément à l'attendu, certains facteurs pédologiques et topographiques, comme la capacité de rétention en eau du sol, ont été identifiés comme des facteurs d'atténuation clés des effets de la sécheresse. En outre, nos résultats ont montré une sensibilité plus faible des prairies préférentiellement fauchées plutôt que pâturées et avec une utilisation précoce. Pour les sécheresses longues et peu fréquentes, la diversité végétale a eu d'importants effets atténuants, mais nos conclusions suggèrent des effets en cascade complexes entre les pratiques de gestion et la structure des communautés végétales qui doivent encore être examinés. Enfin, la dernière partie de cette thèse a fourni une évaluation plus complète des réponses des prairies à la sécheresse en décomposant ses composantes de résistance et de résilience et en isolant l'impact de la sécheresse des influences confondantes des événements de gestion (coupe ou rotations de pâturage) et la phénologie de la végétation. (...)

Drought events are becoming more frequent and severe with climate change, threatening the sustainability of ecosystem services provided by many agroecosystems, including managed grasslands in many regions of the world. The anticipation and mitigation of drought impacts have motivated scientific researches in agronomy, ecophysiology, and ecology. To better understand the processes associated with grassland responses to drought, many studies have conducted controlled pot, mesocosm, or field experiments. Despite their crucial role in building our current knowledge, these approaches face critical limitations such as their restricted spatio-temporal coverage and their disconnection from real-life conditions. The development of remote sensing (RS) products and techniques opens promising avenues for monitoring terrestrial ecosystems and their response to various sources of disturbances. As a complement to more traditional drought experiments and field observations, this PhD thesis aimed at taking advantage of long-term satellite RS data, together with climate and field data, to assess the variability and drivers of grassland response to drought in agricultural systems in the Massic central. To do so, this thesis first reviewed the current methodological approaches for the assessment of grassland response to drought using RS. It addresseses the central objective of determining the variability and drivers of grassland sensitivity to drought at the regional scale. Finally, it sought to comprehensively analyze the impact of drought, amidst the confounding factors, by assimilation of RS data with a simple model of grassland growth. The review of RS-based analyses of drought impacts on grasslands revealed the existence of five alternative methodological approaches. By far, the most common one called here as the “statistical inference” approach consists of inferring the impact of drought from the statistical relationship between vegetation reflectance and meteorological drought indices using long time series datasets. This bibliographic analysis also showed that most of the researches were conducted in the Great Plains (North America) and Mongolian Plateau (Central Asia) leaving many biogeographic gaps, particularly in the temperate regions of Western Europe. The second part of this thesis emphasized the strong variability of the response of temperate managed grasslands across a heterogeneous mountainous region (the Massif central, France). Most importantly, such variability could be explained by a set of pedoclimatic factors, vegetation diversity, and management practices. As expected, some soil and topographic factors, like the soil water holding capacity, were identified as key mitigating factors of drought impacts. In addition, our results showed lower sensitivity of grasslands predominantly mown rather than grazed and with early herbage uptake. For long and infrequent drought events, vegetation diversity had significant mitigating effects, but our findings suggest complex cascading effects between management practices and plant community structure that still need to be addressed. (...)