Modélisation couplée de la fluorescence chlorphyllienne induite par le soleil et le fonctionnement carboné des écosystèmes forestiers

MODELING OF SUN-INDUCEDD CHLOROPHYLL FLUORESCENCE AND OF REFLECTANCE IN PRI (PHOTOCHEMICAL REFLECTANCE INDEX) BANDS IN A PROCESS-BASED MODEL FOR MONITORING THE CARBON FUNCTIONING OF FOREST ECOSYSTEMS

• Auteur / Autrice : Zhaohui Li
• Direction : Kamel Soudani
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Écologie
• Date : Inscription en doctorat le 15/03/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie, Systématique et Évolution
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Ecophysiologie Végétale
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation

Fluorescence

Écosystèmes

Flux de carbone et d'eau

Modeling

Fluorescence

Ecosystems

Carbon and water fluxes

Résumé

Dans le contexte du changement climatique en cours, de nombreuses questions scientifiques, politiques, économiques et sociétales dépendent de notre connaissance de l'équilibre en CO2 des écosystèmes terrestres. La télédétection a déjà démontré sa capacité à surveiller la dynamique des propriétés biochimiques et structurelles de la végétation, mais son potentiel à fournir des informations sur l'état physiologique des plantes et sur les réponses des écosystèmes terrestres aux conditions abiotiques doit encore être étudié. Actuellement, deux mécanismes physiologiques de régulation de la photosynthèse sont directement liés aux signaux optiques observables depuis l'espace : 1) Le cycle de la xanthophylle impliqué dans le Non-Photochemical Quenching (NPQ) ; le principal processus utilisé pour protéger les cellules photosynthétiques lorsque l'absorption de la lumière dépasse la capacité d'utilisation de la lumière par la photosynthèse. Ce processus peut être renseigné par l'indice de réflectance photochimique (PRI), un indice optique calculé à partir de mesures de réflectance dans des bandes étroites à 531 nm et 570 nm et 2). La fluorescence de la chlorophylle, l'autre processus par lequel les cellules photosynthétiques se débarrassent de l'énergie solaire absorbée qui n'est pas utilisée dans la photosynthèse. La mission ESA-FLEX (Fluorescence Explorer), la première mission satellite dédiée à la mesure du PRI et du SIF, sera lancée à la mi-2025 pour cartographier la photosynthèse à l'échelle mondiale à un pas de temps hebdomadaire. Cependant, la quantification des processus de régulation de la photosynthèse à partir des signaux optiques à l'échelle de la canopée n'est pas directement réalisable.L'objectif de la thèse est d'intégrer les connaissances actuelles sur les mécanismes NPQ/PRI et SIF dans un modèle à l'échelle de la feuille et d'implémenter ce modèle dans le modèle à l'échelle de l'écosystème CASTANEA, un modèle basé sur les processus simulant le fonctionnement de la forêt en termes d'échanges de CO2, d'eau, d'énergie et de croissance forestière développé par l'équipe EV.Le nouveau modèle permettra la prédiction simultanée de SIF, PRI, CO2 et H2O à l'échelle de la canopée afin de mieux comprendre comment les signatures optiques sont liées aux variations de la photosynthèse et de la productivité de l'écosystème dans des conditions naturelles.

In the context of ongoing climate change, many scientific, political, economic, and societal issues depend on our knowledge of the CO2 balance of terrestrial ecosystems. Remote sensing has already demonstrated its ability to monitor the dynamics of biochemical and structural properties of vegetation, but its potential to provide information on the physiological state of plants and on responses of terrestrial ecosystems to abiotic conditions is yet to be investigated. Currently, two physiological mechanisms of regulation of photosynthesis are directly linked to optical signals observable from space: 1) The xanthophyll cycle involved in Non-Photochemical Quenching (NPQ); the main process used to protect photosynthetic cells when light absorption exceeds the capacity for light utilization by photosynthesis. This process can be informed by the Photochemical Reflectance Index (PRI), an optical index calculated from reflectance measurements in narrow bands at 531 nm and 570 nm and 2). The chlorophyll fluorescence, the other process by which photosynthetic cells get rid of the absorbed sunlight energy not used in photosynthesis. The ESA-FLEX (Fluorescence Explorer) mission, the first satellite mission dedicated to the measurement of PRI and SIF, will be launched in mid-2025 to map photosynthesis on global scale at weekly time step. However, the quantification of photosynthetic regulation processes from optical signals at the canopy scale is not directly feasible. The objective of the thesis is to integrate the current knowledge on NPQ/PRI and SIF mechanisms into a leaf-scale model and to implement this model into the ecosystem-scale model CASTANEA, a process-based model simulating forest functioning in terms of CO2, water, energy exchanges and forest growth developed by EV team. The new model will allow simultaneous prediction of SIF, PRI, CO2 and H2O at canopy scale to better understand how optical signatures are related to the variations of ecosystem photosynthesis and productivity under natural conditions.