Étude des Flux de Carbone et d’Eau au Lautaret : Données ICOS et modélisation

(english version below)

Contexte : Les stations de Recherche Écologique à Long Terme sont mises en place pour surveiller régulièrement divers paramètres environnementaux tels que les paramètres météorologiques et physiques du sol, ainsi que les échanges de flux entre la surface et l’atmosphère dans des écosystèmes bien caractérisés. Ces séries temporelles à long terme contribuent à la base d’observation pour comprendre la physiologie des écosystèmes et les cycles biogéochimiques (carbone et azote). Ces stations ont été organisées en réseaux afin d’harmoniser leurs pratiques et de valoriser les données par l’intercomparabilité.

Le Jardin du Lautaret, au cours des dernières décennies, est passé d’un jardin botanique à une véritable station de recherche écologique, et participe désormais à plusieurs de ces réseaux (ICOS-ETC pour les gaz à effet de serre, et eLTER- pour les socio-écosystèmes).

Dans ce contexte, la tour à flux située au Lautaret fournit des informations importantes sur les échanges de CO2 et de vapeur d’eau entre la surface et l’atmosphère. Ces flux sont étroitement couplés par la physiologie des plantes et la biogéochimie des sols (photosynthèse, respiration et évapotranspiration), qui sont fortement conditionnés par le climat local (température et humidité de l’air et du sol), caractérisé par la présence de neige pendant 5 mois de l’année.

De nombreuses questions se posent face aux changements observés et attendus dans ces écosystèmes : comment ces flux et les bilans annuels de carbone de ces écosystèmes dépendent-ils de la neige ? Comment cela pourrait-il changer avec un raccourcissement de la saison neigeuse, entraînant une période de croissance plus longue pour la végétation, mais potentiellement des sols plus secs en été ? Comment ces changements impacteront-ils le bilan annuel précipitations / évapotranspiration, et donc les débits d’étiage ?

Nous tentons de répondre à ces questions en utilisant une combinaison de modélisation hydro-écologique détaillée et de surveillance intensive des flux de carbone et d’eau dans le micro-bassin versant des charmasses (0,2 km²), où est installée la tour ICOS, complétée par des expériences dédiées en laboratoire et sur le terrain.

Le stage proposé vise à mieux comprendre l’influence du climat des sols (température et humidité) sur les flux de respiration de l’écosystème et d’évapotranspiration.

Mission :

• contribuer au contrôle qualité des données de flux d’échanges (CO2 et H2O) et des données météorologiques pour l’année en cours, et produire les bilans annuels de carbone et d’eau, en utilisant la méthodologie ICOS standard pour les trois dernières années
• utiliser les sorties déjà produites du modèle hydrologique concernant l’humidité et les températures du sol, ainsi que des paramétrisations simples de la respiration du sol (thèse de doctorat de N. Bonfanti) pour produire des cartes intégrées des flux de respiration du sol
• analyser les flux de respiration du sol en termes de variabilité spatio-temporelle à l’échelle du bassin versant, et comparer les flux intégrés à ceux mesurés par la tour
• selon les intérêts et le temps disponible, il sera possible de comparer les flux d’eau observés à une modélisation éco-hydrologique détaillée du même bassin versant, et/ou à une méthode alternative d’analyse des flux (eddy-covariance basée sur une analyse en ondelettes) récemment testée avec succès sur des sites forestiers et agricoles

Context : Long Term Ecological Research stations are set up to routinely monitor diverse environmental parameters such as meteorological and soil physical parameters together exchanges fluxes between the surface and the atmosphere in well characterized ecosystems. These long time series contribute the observational basis for understanding ecosystems physiology and biogeochemical cycles (carbon and nitrogen). These stations have been organizing in networks in order to harmonize their practices and add value to the data through intercomparability.
The Jardin du Lautaret turned from a botanical garden to a full fledged ecological research station in the last decades, and is now involved in several such networks (ICOS-ETC for greenhouse gases, and eLTER for socio-ecosystems)

In this context, the flux tower at the Lautaret provides very important informations on CO2 and water vapor exchanges between the surface and the atmosphere. These fluxes are tightly coupled through plant physiology and soil biogeochemistry (photosynthesis, respiration and evapotranspiration), which are strongly conditioned by the local climate (air and soil temperature and humidity), characterized by the presence of snow for 5 months a year.

Numerous questions arise from the observed and expected changes in such ecosystems : how do these fluxes and the annual carbon budgets of these ecosystems depend on snow ? how might this change when the snow season gets shorter, resulting in longer growth period for the vegetation, but potentially dryer soil in the summer ? how will those changes impact the precipitation / evapotranspiration annual balance, and therefore the low-water flows ?

We try to answer those questions using a combination of detailed hydro-ecological modeling and intensive monitoring of carbon and water fluxes in the charmasses micro-catchment (0.2 km2) where the ICOS tower is installed, complemented by dedicated lab and field experiments.

The proposed internship aims at comparing understanding the influence of soil climate (tempreature and humidity) on ecosystem respiration and evapotranspiration fluxes

mission :

– contribute to the quality control of the exchange flux (CO2 and H2O) and weather data for the current year, and produce annual carbon and water budgets, using standard ICOS methodology for the past 3 years
– use already produced hydrological model outputs of soil humidity and temperatures, together with simple parametrizations of soil respiration (N. Bonfanti PhD thesis) to produce integrated soil respiration fluxes maps
– analyse the soil respiration fluxes in terms of space - time variability at the scale of the watershed, and compare the integrated fluxes to those from the tower
– depending on interests and time, it will be possible to also compare the observed water fluxes to detailed eco-hydrological modeling of the same watershed, and/or to alternative flux analysis method (wavelet-based Eddy Covariance) recently tested with success over forested and crop sites