De la modélisation des effets des facteurs et ressources de l’environnement abiotique sur la productivité forestière - Archive ouverte HAL Access content directly
Habilitation À Diriger Des Recherches Year : 2016

On modelling the effects of factors and resources of the abiotic environment on forest growth

De la modélisation des effets des facteurs et ressources de l’environnement abiotique sur la productivité forestière

Jean-Daniel Bontemps
  • Function : Author
  • PersonId : 1129829

Abstract

Context – Research conducted addresses the dynamics of temperate forests, especially forest productivity and its modelling, based on quantitative observations conducted at spatio-temporal scales ranging from regional to national, pluri-decennial to centennial, and at organizational levels defined by tree species, tree population, and forest trees, hereby defining “large-scale” research. Issues addressed refer to spatio-temporal variations in forest growth and its dimensional and wood density components, its co-variations with factors of the abiotic environment, and the joint effects of forest management. This work has been conducted through 3 PhD theses following that of the author. Main results obtained include evidence and quantitative estimation of often pronounced temporal changes in forest growth and wood density, their regional to local variations and the diversity of species responses, the comparison and consistency of productivity indicators, the analysis of causal factors including the link with climate, eutrophication and climatic change whose footprint is more recent. From a methodological perspective, this research has led to test and implement quantitative methods covering sampling, growth modelling, and multi-dimensional correlative aspects. Approach – This research also stresses the limitations of correlative observation to assess and interpret the relationship between productivity variations and environmental factors and their changes, and to implement a predictive approach, increasingly requested in the current climatic context. It further emphasizes the conceptual weaknesses of forest science in this respect, and the lack of simple and robust models that would meet these expectations. As a consequence, it is proposed to investigate concepts available and regularities identified for the analysis, formalization and modelling of the relationship between forest ecosystem productivity and environmental factors, at aggregated scales consistent with the aforementioned researches, i.e. in exploring disciplinary fields provided by agronomy, ecology, biogeosciences and ecophysiology, as soon as mechanistic models in this field are exploited holistically. Research facts – A literature review aiming at presenting the state-of-the-art on identifying and incorporating environmental factors of importance in agronomic, ecological and eco-physiological models is conducted. It presents the main contributing schools of thought, investigates the concepts and hierarchy of resources et factors of the abiotic environment, the notion of dose-response curve or response function to these resources/factors since seminal works operated in agronomy, inquires the issue of articulation or joint effect of these resources/factors on productivity, and associated concepts of essential resource, co-limitations and interactions, resource ratio, and aggregation operator. A synthesis provides a preliminary quantitative framework, and allow enquire difficulties arising for its identification, and resulting from usual observation resolutions and temporal integration, the heterogeneity of sampled populations on wider geographic domains, and the challenge raised by acclimation phenomena or shifts in the functioning of organisms and ecosystems, and questioning such deterministic modelling approach. Research perspectives – Research perspectives are finally presented, aiming at i) a renewal of observation practices as regards forest growth and its links with environmental factors and resources, and namely observation modes, study scales, and statistical tools implemented, ii) a « weak » or synthetic exploitation of mechanistic models in order to identify regularities that would be suggested by knowledge of processes involved in these relationships, iii) an assessment of the reliability of observational conditions used to infer these relationships, and especially temporal aggregation and population heterogeneity, combining experimental simulation and statistical modelling. These directions should lead to formulate a new generation of synthetic models expressing the relationships between the abiotic environment and forest growth.
Contexte – Les recherches examinées portent sur la dynamique des forêts tempérées, plus particulièrement sur la productivité forestière et sa modélisation, à partir d’observations quantitatives opérées à des échelles spatiotemporelles régionale à nationale et pluri-décennale à centennale, et à des niveaux d’organisation définis par l’espèce ligneuse, la population d’arbres, et l’arbre forestier, et caractérisant une recherche à « grande échelle ». Les questions abordées ont trait aux variations spatio-temporelles de la productivité forestière, analysée au travers de la croissance dimensionnelle et de la densité du bois, ses co-variations avec les facteurs de l’environnement abiotique, et l’effet conjoint des facteurs de gestion. Les principaux résultats exposés comprennent la mise en évidence et la quantification de changements temporels, souvent marqués, de la productivité et de la densité du bois, leurs variations régionales à locales et la diversité des réponses spécifiques, la comparaison entre indicateurs de productivité, l’analyse des facteurs causaux et le lien avec le climat, l’eutrophisation et le changement climatique dont la signature est plus récente. Au plan méthodologique, ces recherches ont conduit à tester et mettre en place des procédures quantitatives couvrant des aspects d’échantillonnage, de modélisation de la croissance, et de lien avec les facteurs environnementaux. Démarche – Ces recherches mettent aussi en évidence les limites de l’observation corrélative pour l’interprétation du lien entre les variations de productivité et les facteurs et environnementaux et leurs changements, et pour la mise en œuvre d’une démarche prédictive, dont le besoin est amplifié par le contexte climatique actuel. Elles soulignent la faiblesse conceptuelle de la science forestière sur ce plan, et le défaut de modèles parcimonieux et robustes permettant d’atteindre cet objectif. On propose en conséquence de s’interroger sur les concepts disponibles et les régularités identifiées pour l’analyse, la formalisation et la modélisation du lien entre productivité des écosystèmes forestiers et facteurs environnementaux, à des échelles agrégées qui restent cohérentes avec celles des recherches présentées, en explorant les champs disciplinaires de l’agronomie, l’écologie, les bio-géosciences, et l’éco-physiologie, pour peu que les modèles à base mécaniste de ce domaine soient exploités de façon synthétique. Faits de la recherche – Une revue large de la littérature visant à présenter l’état de l’art sur la prise en compte des facteurs environnementaux dans les modèles agronomiques, écologiques, et éco-physiologiques est menée. Elle présente les principales écoles de pensée contributrices, aborde la notion et la hiérarchisation des ressources et facteurs de l’environnement abiotique, examine et interroge la notion de courbe ou fonction de réponse à ces ressources/facteurs depuis les travaux séminaux de l’agronomie, aborde la question de l’articulation ou d’effet conjoint de ces ressources/facteurs sur la productivité, et les notions de ressources essentielles, de co-limitation et d’interaction. Une synthèse suggère un premier cadre de formalisation, et permet d’examiner les difficultés de son identification, résultant des résolutions d’observation usuelles et de l’intégration temporelle, de l’hétérogénéité des populations échantillonnées sur des grands domaines géographiques, et du défi posé par les phénomènes d’acclimatation ou les changements de régime de fonctionnement des organismes ou écosystèmes, et pouvant remettre en cause une démarche de modélisation déterministe. Perspectives de recherche – Des perspectives de recherche sont enfin exposées, visant i) à renouveler l’observation de la productivité et son lien avec les facteurs/ressources environnementaux, au travers des façons d’observer, des échelles d’études, et des outils statistiques mis en œuvre, ii) à exploiter les modèles mécanistes, de façon faible ou synthétique, pour identifier les régularités que suggère la connaissance des processus écophysiologiques sur ces relations, iii) à évaluer enfin la fiabilité des conditions de l’observation pour restituer ces relations, et notamment l’agrégation temporelle et les hétérogénéités entre populations, au moyen d’approches de simulation expérimentale et de modélisation statistique. Ces axes doivent conduire à formuler une nouvelle génération de modèles synthétiques exprimant la relation entre l’environnement abiotique et la productivité forestière.
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Cite

Jean-Daniel Bontemps. De la modélisation des effets des facteurs et ressources de l’environnement abiotique sur la productivité forestière. Sylviculture, foresterie. Université de Lorraine, 2016. ⟨tel-03602393⟩

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