Thèse: Etude de l’impact des stresses hydriques et thermiques sur la phénologie foliaire forestière en lien avec les stratégies d’espèces

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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 est l'étude des facteurs et de la dynamique du débourrement, du déploiement, de la maturation et de la sénescence des feuilles. C’est un déterminant majeur des échanges de carbone, d'eau et d'énergie entre les forêts et l’atmosphère. En agissant directement sur de nombreux processus biologiques et biophysiques clés, la temporalité de la présence et de l’absence des feuilles impacte la production de biomasse, le climat local, la structure des communautés ou bien la résilience des forêts. Cependant, les changements globaux et les évènements climatiques extrêmes associés bouleversent ces processus et amènent des anomalies telles que l’augmentation des gels tardifs au printemps, des pertes de feuilles en été dues à la sécheresse, ainsi que des développements de nouvelles feuilles en plein hiver.

Les approches actuelles se basent généralement sur un lien empirique entre la phénologie des feuilles observée et la température de l’air standardisée (le macroclimat). Cela ne permet pas de capturer les conditions réelles ressenties par les arbres (le microclimat), ni les interactions entre la dynamique foliaire et les processus écophysiologiques sous-jacents (e.g. photosynthèse, transpiration). La stratégie fonctionnelle des espèces est par ailleurs très largement omise dans ces approches macroclimatiques quand bien même nous observons des différences inter-espèces substantielles dans un environnement donné (e.g. forêt mixte) liés à leur dynamique phénologique (espèces précoces vs tardives), le coût de construction et la longévité des feuilles, la remobilisation de nutriments avant la sénescence ou par décomposition de la litière, etc. Il en résulte des modèles peu robustes pour prédire les stades phénologiques d’émergence et de senescence des feuilles. Enfin, les évènements comme les défoliations induites par les stress ou les débourrements secondaires, en augmentation avec les changements globaux, sont rarement représentés dans ces modèles. Cela se traduit par un biais d'interprétation de la dynamique foliaire ainsi que de la réponse des arbres au réchauffement climatique. Les modèles de végétation tels que ceux utilisés pour étudier le cycle du carbone et la résilience des forêts se retrouvent avec de grandes incertitudes. 

Ce projet de thèse a pour objectif de combler ces manques en étudiant les interactions entre la température microclimatique, l’activité (gestion des réserves carbonées, de l’eau, des nutriments) et la dynamique phénologique des feuilles des espèces d’arbres tempérés Européennes à différentes échelles (feuille, individu, écosystème) en lien avec leur stratégie fonctionnelle. En combinant des expérimentation, des mesures et observations in situ, des données d’imagerie visible et de température de surface (réseau de caméras, télédétection satellitaire) et de la modélisation de processus, ce projet permettra 1) de quantifier le rôle de la température foliaire sur le contrôle de la croissance et de la senescence des feuilles, 2) d’étudier les liens entre température, activité foliaire et le processus de senescence pour différentes conditions environnementales 3) de quantifier comment les stresses thermiques et hydriques influencent les processus de croissance et de sénescence foliaire.

Thématique de recherche: 

Dynamique forestière en contexte de changements climatiques, réponse de la phénologie et de la dynamique des cycles du carbone et de l'eau en contexte de stresses hydriques et thermiques

 

Domaine de recherche: 

Macroécologie forestière, écologie fonctionnelle, écophysiologie, physique de l'environnement

Objectifs : L’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier les liens entre la température des feuilles, leur activité et la dynamique de croissance et de senescence en lien avec leur stratégie fonctionnelle. Plus spécifiquement, vous vous intéresserez aux essences forestières européennes et vous chercherez à tester les deux hypothèses suivantes :

(H1) La senescence foliaire résulte d’un équilibre entre l’activité de la feuille (assimilation carbone, transpiration, allocation des nutriments) et la gestion des risques (stress hydrique, stress lumineux, stress thermique) pouvant être interprété par un mécanisme de coût-bénéfice.

(H2) Différentes espèces avec différentes stratégies fonctionnelles (i.e. traits fonctionnels, espèces tardive vs. précoce) n’ont pas la même dynamique phénologique, se traduisant par différentes réponses aux stresses thermiques et hydriques. 

Méthode : Pour répondre à ces objectifs, vous serez amené(e) à développer une approche multidisciplinaire combinant 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 feuilles, leur activité et leur phénologie en lien avec les conditions environnementales. Pour cette tâche vous serez amené(e) à combiner et analyser plusieurs jeux d’observations acquis à différentes échelles spatiales et temporelles tels que : i) des mesures de photosynthèse, température et de traits fonctionnels à l’échelle de la feuille, ii) des observations de température issues d’imagerie thermique (caméra, thermomètre radiométrique), de phénologie (observation de terrain, phenocam) et de flux de carbone, d’énergie et d’eau (eddy-covariance, flux de sève) à l’échelle de l’individu et de l’écosystème et iii) des observations de température de surface et de phénologie issue de la télédétection (drone, satellite) à l’échelle de l’écosystème et globale. Vous serez aussi amené a effectué des mesures complémentaires sur le terrain ainsi que des expérimentations ponctuelles pour tester certaines hypothèses. 

2) Développer un modèle phénologique de sénescence qui prend en compte la température des feuilles et leur activité physiologique. 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) Etudier spécifiquement les liens entre la dynamique foliaire et les stresses hydriques et thermiques en relation avec la stratégie fonctionnelle des espèces. Cette tâche fera un focus particulier sur la sénescence induite par les stresses et la reprise consécutive de la croissance/de l’activité foliaire.

Résultats attendus : 

Ce projet générera des connaissances fondamentales sur les relations entre l’activité des feuilles (photosynthèse, transpiration), leur température et la dynamique de la phénologie foliaire avec l’objectif de développer un nouveau modèle de phénologie couplant biophysique et écophysiologie. Ce modèle sera développé pour être intégré dans les modèles de biosphère terrestre afin de quantifier l’impact de la dynamique foliaire sur les cycles biogéochimiques mais aussi afin de répondre à des applications précises comme la réponse des écosystèmes et/ou de certaines espèces aux gels tardifs et aux sécheresses estivales. 

Références :

Peaucelle, M. et al. Spatial variance of spring phenology in temperate deciduous forests is constrained by background climatic conditions. Nature communications 10, 5388; 10.1038/s41467-019-13365-1 (2019).

Peaucelle, M., Peñuelas, J. & Verbeeck, H. Accurate phenology analyses require bud traits and energy budgets. Nature plants; 10.1038/s41477-022-01209-8 (2022).

Peaucelle, M. et al. Representing explicit budburst and senescence processes for evergreen conifers in global models. Agricultural and Forest Meteorology 266-267, 97–108; 10.1016/j.agrformet.2018.12.008 (2019)

Kloos, S. et al. The linkage between functional traits and drone-derived phenology of 74 Northern Hemisphere tree species. Sci. Total Environ. 952, 175753 (2024).

Hänninen, H. & Tanino, K. Tree seasonality in a warming climate. Trends in plant science 16, 412–416; 10.1016/j.tplants.2011.05.001 (2011)

Fu, Y. S. H. et al. Variation in leaf flushing date influences autumnal senescence and next year's flushing date in two temperate tree species. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111, 7355–7360; 10.1073/pnas.1321727111 (2014).

Xie, Y., Wang, X. & Silander, J. A. Deciduous forest responses to temperature, precipitation, and drought imply complex climate change impacts. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 112, 13585–13590; 10.1073/pnas.1509991112 (2015).

Marchin, R., Zeng, H. & Hoffmann, W. Drought-deciduous behavior reduces nutrient losses from temperate deciduous trees under severe drought. Oecologia 163, 845–854; 10.1007/s00442-010-1614-4 (2010).

Cole, E. F. & Sheldon, B. C. The shifting phenological landscape: Within- and between-species variation in leaf emergence in a mixed-deciduous woodland. Ecology and evolution 7, 1135–1147; 10.1002/ece3.2718 (2017).

Zhao, H. et al. Diverging models introduce large uncertainty in future climate warming impact on spring phenology of temperate deciduous trees. The Science of the total environment 757, 143903; 10.1016/j.scitotenv.2020.143903 (2021).

Wright, I. J. et al. The worldwide leaf economics spectrum. Nature 428, 821–827; 10.1038/nature02403 (2004).

Caldararu, S., Purves, D. W. & Palmer, P. I. Phenology as a strategy for carbon optimality: a global model. Biogeosciences 11, 763–778; 10.5194/bg-11-763-2014 (2014).

 

Formations et compétences recherchées

• Formation recommandée : Master 2, Ecole d’ingénieur, Grande Ecole ou équivalent en sciences de l'environnement
• Connaissances souhaitées : Programmation informatique (R, Python), analyse de données et statistiques, écophysiologie végétale, écologie fonctionnelle
• Expérience appréciée : Recherche théorique ou expérimentale.
• Aptitudes recherchées : Autonomie (capacité à proposer, développer et tester des approches ainsi qu’à organiser son travail), capacité à travailler en équipe, à rédiger (rédaction d’articles scientifiques) et à s’exprimer (conférences scientifiques) en anglais. Goût prononcé pour la modélisation et l’analyse de données. 

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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