Thèse OT-21873

Thèse : quel rôle joue le microclimat sur la sensibilité de la phénologie foliaire au réchauffement climatique et conséquences sur la résilience des forêts ?

33140 VILLENAVE-D'ORNON

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Présentation INRAE

L’Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement (INRAE) est un établissement public de recherche rassemblant une communauté de travail de 12 000 personnes, avec 272 unités de recherche, de service et expérimentales, implantées dans 18 centres sur toute la France. INRAE se positionne parmi les tout premiers leaders mondiaux en sciences agricoles et alimentaires, en sciences du végétal et de l’animal. Ses recherches visent à construire des solutions pour des agricultures multi-performantes, une alimentation de qualité et une gestion durable des ressources et des écosystèmes.

Environnement de travail, missions et activités

- Vous serez accueilli(e) au sein de l’Unité Mixte de Recherche Interactions Sol Plante Atmosphère (UMR 1391 ISPA) pour réaliser une thèse de doctorat

Description du projet :

La phénologie foliaire, l'étude des facteurs et de la dynamique du débourrement, du déploiement, de la maturation et de la sénescence des feuilles, est un déterminant majeur des échanges de carbone, d'eau et d'énergie entre les forêts et l’atmosphère. Les approches actuelles établissent un lien empirique entre la phénologie des feuilles et la température de l’air standardisée (le macroclimat), et ne permettent pas de capturer les conditions réelles ressenties par les arbres (le microclimat). Cela se traduit par un biais d'interprétation  du rôle d'autres facteurs, tels que la lumière, ainsi que de la réponse des arbres au réchauffement climatique, et se concrétise par de grandes incertitudes dans les projections de la dynamique et de la résilience des forêts.

Ce projet de thèse a pour objectif de combler ce manque et d’étudier le rôle du microclimat sur la phénologie foliaire. En combinant des observations in situ, des expérimentations en conditions contrôlées et de la modélisation, ce projet permettra 1) de quantifier le contrôle microclimatique de la phénologie des feuilles et de démêler clairement les facteurs qui la régissent, 2) de développer de nouveaux modèles de phénologie basés sur la température des bourgeons et des feuilles et 3) de réévaluer la sensibilité de la phénologie au climat passé et futur, à plusieurs échelles.

Thématique :

La phénologie des feuilles, c’est-à-dire leur développement, leur croissance et leur sénescence, a un contrôle direct sur la productivité et la biomasse des forêts. Elle influe également les conditions météorologiques locales et le climat à long terme par le biais de la transpiration, de l'albédo et du stockage de carbone (Peñuelas et al. 2009). La rapidité du changement climatique actuel se traduit par de fortes perturbations dans les cycles phénologiques à l'échelle mondiale qui augmentent les risques (par exemple de gel ou de sécheresse printanière) auxquels sont confrontés les arbres qui étaient adaptés à des conditions environnementales passées (Peaucelle et al. 2019). Malgré des siècles de recherche et d'observations, une compréhension fondamentale approfondie des facteurs environnementaux régissant la phénologie des feuilles fait toujours défaut. La mauvaise représentation de la phénologie dans les modèles de la biosphère terrestre est considérée comme l'une des principales incertitudes dans les estimations du cycle du carbone et les prévisions climatiques futures. La température est reconnue comme étant le principal moteur de la phénologie foliaire dans les écosystèmes extra-tropicaux. C'est la raison pour laquelle les modèles phénologiques s'appuient généralement sur des métriques basées sur la température de l'air précédant les événements phénologiques, souvent sous forme d’une somme de degrés-jours. De nombreuses variantes dans les modèles phénologiques ont été proposées pour décrire le débourrement, la croissance et la sénescence foliaire, incluant notamment la durée d’ensoleillement ou photopériode comme autre variable climatique, mais avec un succès souvent limité par rapport à un modèle basé uniquement sur une somme de degrés-jours. Une des raisons pouvant expliquer ces limitations est que le climat actuel évolue trop vite, de sorte que les modèles calés sur des conditions climatiques passées et relativement “stables” ne permettent pas de bien prédire la phénologie sur les années récentes marquées par de nombreux records d’extrêmes climatiques. Une autre raison est que ces modèles sont basés sur la température de l’air moyenne d’un lieu géographique, aussi appelée température “macro-climatique”, ce qui ne permet pas de capturer la variabilité spatio-temporelle dans le paysage des températures d’organes (bourgeons, feuilles), et donc de la phénologie.

Cette thèse vise à pallier à ce manque en étudiant plus finement les processus biophysiques, et notamment thermiques, qui contrôlent la phénologie foliaire. Des études récentes ont permis de mettre en évidence le rôle clé du rayonnement solaire et des propriétés biophysiques comme l’albédo des bourgeons et des feuilles dans la phénologie printanière (Vitasse et al., 2021 ; Peaucelle et al. 2022) ainsi que dans l'activité physiologique, cette dernière étant identifiée comme un moteur potentiel de la sénescence foliaire. Cela suggère que les conditions de température perçues par les bourgeons et les feuilles des arbres (c'est-à-dire le microclimat) sont d'une importance capitale pour comprendre et simuler avec précision la phénologie des feuilles et leur réponse aux conditions environnementales futures.

Objectifs :

L’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier le rôle du microclimat sur la phénologie foliaire des forêts. Plus spécifiquement, vous vous intéresserez aux essences forestières européennes à feuilles caduques pour lesquelles les processus microclimatiques dus à la fermeture saisonnière de la canopée sont particulièrement prononcés (De Frenne et al. 2021), et vous chercherez à tester les deux hypothèses suivantes :

(H1) Le bilan énergétique des bourgeons ou des feuilles est essentiel pour démêler les effets de la température, du rayonnement et de la photopériode sur la phénologie foliaire.

(H2) Les espèces caduques sensibles à la photopériode perçoivent la lumière à travers les tissus photosynthétiques des bourgeons ou de l’écorce.

Méthode :

Pour répondre à ces objectifs, vous serez amené(e) à développer un approche multidisciplinaire combinant des expérimentations en conditions contrôlées, des observations de terrain, de l’analyse de données et de la modélisation de processus à travers 3 tâches :

1) Analyser les relations entre la température des organes (bourgeons, feuilles), la phénologie et les conditions environnementales. Pour cette tâche vous serez amené (e) à réaliser plusieurs expérimentations contrôlées (e.g. de température, ensoleillement, irrigation, fertilisation) et à installer des capteurs (e.g. caméra thermiques) et effectuer des mesures (e.g. traits fonctionnels, photosynthèse) sur le terrain

2) Développer et calibrer un modèle phénologique qui prend en compte la température des bourgeons et des feuilles et l’effet du microclimat. Cette tâche consistera à évaluer les modèles existants et à développer un nouveau modèle de phénologie à partir des résultats de la tâche 1.

3) Réévaluer la sensibilité de la phénologie foliaire passée et future vis-à-vis des conditions climatiques. Cette tâche visera à réanalyser les données de phénologie passée et à effectuer des prédictions futures à plusieurs échelles spatiales et temporelles à partir du modèle phénologique développé en tâche 2. Il pourra être envisager de coupler ce nouveau modèle à d’autres processus afin de quantifier le rôle de la phénologie sur les cycles biogéochimiques associés en contexte de changements globaux.

Références :

De Frenne P, Lenoir J, Luoto M, et al (2021) Forest microclimates and climate change: Importance, drivers and future research agenda. Global Change Biology 27:2279–2297. https://doi.org/10.1111/gcb.15569.

Peaucelle M, Peñuelas J, Verbeeck H (2022) Accurate phenology analyses require bud traits and energy budgets. Nature Plants 8:915– 922. https://doi.org/10.1038/s41477-022-01209-8.

Peaucelle M, Janssens IA, Stocker BD, Descals Ferrando A, Fu YH, Molowny-Horas R, Ciais P, Peñuelas J (2019) Spatial variance of spring phenology in temperate deciduous forests is constrained by background climatic conditions. Nature communications, 10, 5388.

Peñuelas J, Rutishauser T, Filella I (2009) Ecology. Phenology feedbacks on climate change. Science (New York, N.Y.), 324, 887–888.

Vitasse Y, Baumgarten F, Zohner CM, et al (2021) Impact of microclimatic conditions and resource availability on spring and autumn phenology of temperate tree seedlings. New Phytologist 232:537–550. https://doi.org/10.1111/nph.17606.

Formations et compétences recherchées

Master/Ingénieur (Bac+5)

- Formation recommandée : Master 2 ou équivalent en sciences de l'environnement

- Connaissances souhaitées : Programmation informatique (R, Python), analyse de données environnementales.

- Expérience appréciée : Recherche théorique ou expérimentale.

- Aptitudes recherchées : Capacité à travailler en équipe, à rédiger (rédaction d’articles scientifiques) et à s’exprimer (conférences scientifiques) en anglais. Goût prononcé pour le travail de terrain en forêt, l’expérimentation et la modélisation.

Votre qualité de vie à INRAE

En rejoignant INRAE, vous bénéficiez (selon le type de contrat et sa durée) :

-  jusqu'à 30 jours de congés + 15 RTT par an (pour un temps plein)
- d'un soutien à la parentalité : CESU garde d'enfants, prestations pour les loisirs ;
- de dispositifs de développement des compétences : formation, conseil en orientation professionnelle ;
- d'un accompagnement social : conseil et écoute, aides et prêts sociaux ;
- de prestations vacances et loisirs : chèque-vacances, hébergements à tarif préférentiel ;
- d'activités sportives et culturelles ;
- d'une restauration collective.

Modalités pour postuler

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Référence de l'offre

  • Contrat : Thèse
  • Durée : 3 ans
  • Début du contrat : 01/09/2024
  • Rémunération : 2100 € brut mensuel
  • N° de l'offre : OT-21873
  • Date limite : 31/05/2024

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