Définition, conception et évaluation d'un système d'information spatial pour le pastoralisme en zones périméditerranéennes françaises

par Urcel Kalenga Tshingomba

Thèse soutenue publiquement le 28 mars 2023 à AgroParisTech, campus de Montpellier

Directrice de thèse : M^me Magali Jouven (Montpellier Sup Agro)

Directrice de thèse : M^me Maguelonne Teisseire (INRAE)

Co-encadrante : M^me Lucile Sautot (AgroParisTech, Montpellier)

Thèse consultable sur : https://pastel.hal.science/tel-04105363

Le pastoralisme est un mode d’élevage très répandu en régions périméditerranéennes françaises, cohérent avec les attentes sociétales et pourvoyeur de multiples services. Sa pérennité dépend notamment de sa capacité à valoriser efficacement et durablement les végétations de parcours. Le comportement alimentaire et spatial des troupeaux est un élément clé à prendre en compte pour ajuster la conduite du pâturage ; aujourd’hui, il peut être documenté et analysé à travers des outils numériques. L’application de l’élevage de précision au pastoralisme est contrainte par l’hétérogénéité des milieux et la diversité des systèmes agro-sylvo-pastoraux. Cependant, on dispose aujourd’hui d’une diversité de données pour documenter le fonctionnement de l’écosystème pastoral. L’intégration et la combinaison de données hétérogènes au sein d’un système d’information (SI) pourrait permettre de proposer une analyse approfondie du comportement des troupeaux sur parcours. Pour y parvenir, ce SI doit être prendre en charge l’hétérogénéité des données et fournir les fonctionnalités d’analyse en vue de produire des indicateurs d’aide à la conduite du pâturage sur parcours.

Le principal objectif de cette thèse était de proposer et tester des approches techniques et méthodologiques permettant de définir un SI qui répond à ces considérations. Pour atteindre cet objectif, nos travaux ont été réalisés en trois étapes : identification des besoins des éleveurs et traduction en caractéristiques techniques et fonctionnelles du SI ; définition des critères de qualité des données spatiales : précision, échelle de représentation et sémantique, granularité temporelle ; exploration de différentes approches d’analyse de données spatiales, et en particulier analyse de séquences fréquentes et extraction de motifs de points. À l’issue de cette thèse, nous retenons le lac de données Hadoop d’Apache comme SI pour ses nombreux avantages pour la gestion des données hétérogènes et l’intégration de modules d’analyse et de diffusion d’information adaptées au contexte. Nous proposons de gérer le stockage distribué et le traitement parallélisé via le système de fichiers HDFS (Hadoop Distributed File System). Les critères de qualité des données spatiales que nous retenons sont : 10 m de résolution spatiale pour bien décrire l’hétérogénéité du milieu, une précision suffisamment élevé des classes d’occupation des sols en vue de mieux caractériser les classes d’intérêt pastoral, et une fréquence d’acquisition de 5 minutes pour les données de localisation des troupeaux afin de faciliter l’extraction de connaissances à différentes échelles temporelles (horaire, journalière, phase de pâturage). Les prétraitements effectués n’ont pas permis d’améliorer la précision d’identification des surfaces de pelouse, lande et bois pâturés par rapport à la base OSO ; nous suggérons plutôt de mobiliser des données complémentaires telles que le NDVI et l’OSAVI pour décrire l’état et la dynamique des végétations. Concernant les traces GPS des troupeaux, les méthodes d’analyse de motifs de points ont permis de produire des indicateurs d’étendue explorée, de dispersion et de densité de présence au sein du parc. Malheureusement, les conditions expérimentales et notamment la taille des parcs (environ 1 ha), n’ont pas favorisé une variabilité des facteurs du milieu et ainsi n’ont pas permis de caractériser leur influence sur le comportement des troupeaux.

Cette thèse apporte une contribution opérationnelle et scientifique pour le pastoralisme en zones méditerranéennes et montagneuses françaises. La contribution opérationnelle concerne la définition et la conception d’un SI en adéquation avec les besoins des éleveurs pastoraux et les enjeux liés aux données hétérogènes, et pouvant accompagner la conduite du pâturage sur parcours. La contribution scientifique concerne la définition des méthodes d’analyse permettant de produire des indicateurs pouvant traduire l’utilisation spatiale et temporelle des milieux pastoraux variés par les troupeaux et de hiérarchiser l’influence des facteurs du milieu sur le comportement des troupeaux.

Multisource Forest Inventory: a Generic and Flexible Tool for Forest Resource Estimation and Mapping at a Fine Scale

par Ankit Sagar

Thèse soutenue publiquement le 21 septembre 2023 à Nancy

Directeur de thèse : M. Cédric Vega (IGN)

Codirecteur de thèse : M. Jean-Pierre Renaud (ONF RDI)

Les méthodes d'inventaire forestier multisource visent à combiner les données d'inventaire de terrain avec des données auxiliaires (c’est-à-dire télédétection, cartes) afin de descendre les estimations en échelle tout en contrôlant la précision. Ces méthodes peuvent être abordées sous différents angles de modélisation et d'estimation. L’objectif principal de cette thèse était de proposer un cadre d’estimation flexible adapté aux données de l’Inventaire forestier national français, pour optimiser les domaines d'estimation. Un objectif secondaire était de développer une méthode pour évaluer la fiabilité des prédictions des modèles au niveau du pixel à des fins de cartographier à haute résolution. Une approche de modélisation de type k-plus proches voisins a été principalement utilisée. Les données auxiliaires incluaient des données 3D lidar (ALS) et de photogrammétrie (DAP), des données optiques à haute résolution spatiale et de cartes forestières.

Au chapitre I, une approche flexible assistée par un modèle multi-échelle a été proposée pour estimer des attributs forestiers au niveau de communes ou groupes de communes. Le cadre de descente d’échelle a été contrôlé par le nombre minimum de placettes IFN par domaine d’estimation et par un seuil d'erreur maximum. L'étude a été menée sur les forêts de Sologne et d'Orléans, représentant 157 communes, pour le volume et la surface terrière. Lorsque l'erreur d'estimation cible était fixée à 10 %, l'approche générait 23 domaines, avec une erreur d'estimation moyenne inférieure à 7,7 % pour les deux attributs. Ce chiffre passait à 80 domaines avec une erreur moyenne de 15,1 % lorsque le seuil était fixé à 50 %. Les résultats offrent aux utilisateurs d'améliorer la précision des estimations tout en conservant une échelle spatiale équilibrée.

Au chapitre II, une méthode basée sur des enveloppes convexes a été utilisée pour identifier l’extrapolation dans les cartes prédictives d’attributs forestiers, et pour analyser l'impact de différents efforts d'échantillonnage sur la précision du modèle et les niveaux d'extrapolation. La méthode a été appliquée aux données d'inventaire de gestion de la forêt de Mouterhouse. Les résultats montraient que la précision du modèle se stabilisait rapidement avec un faible effort d'échantillonnage, mais que le niveau d'extrapolation restait élevé. Le niveau d'extrapolation se stabilisait lorsque l'intensité de l'échantillonnage augmentait. La méthode constitue un outil précieux pour l'élaboration de cartes de précision et permet d'identifier les zones qui nécessitent un effort d'échantillonnage supplémentaire.

Au chapitre III, une approche basée sur un modèle a été développée pour produire des cartes à haute résolution avec une évaluation de la fiabilité au niveau du pixel. Testée sur les forêts de Sologne et d'Orléans, les résultats montraient qu'un minimum de 84 % des prédictions était très fiable. Les performances de l'ALS et de la DAP étaient similaires, ce qui offre la possibilité d'utiliser la DAP, qui est fréquemment mise à jour, à des fins de surveillance. Les cartes avec fiabilité associée peuvent assister l’élaboration de plans de gestion forestière.

Au chapitre IV, une approche basée sur un modèle a été utilisée pour évaluer la ressource affectée par les scolytes dans des forêts des Vosges. La méthode combinait des cartes générées avec la méthode développée dans le chapitre III avec des cartes de foyers d’infestation dérivées de la méthode ForDead. Deux modèles ont été évalués : un modèle général et un spécifique à l'Épicéa et au Sapin. En 2021-2022, ForDead identifiait 1 139 ha de foyers dans ces peuplements. Notre méthode évaluait le volume à 494 213 m³ (± 2,2 %) avec le modèle général et à 505,401 m³ (± 2,7 %) avec celui spécifique. Le volume moyen montrait que les peuplements matures étaient plus affectés. Les recherches futures porteront sur les incertitudes associées à la détection des surfaces et à leur intégration dans les estimateurs.

Assimilation et répartition fonctionnelle du carbone en réponse à une contrainte oxydante

par Antony Gandin

Habilitation à diriger des recherches soutenue publiquement le 29 novembre 2023 à l’Université de Lorraine, Vandœuvre-lès-Nancy

Les changements climatiques actuels et futurs obligent les plantes à faire face à des contraintes environnementales de plus en plus fréquentes et sévères, qui menacent leur croissance et leur survie. Les arbres possèdent néanmoins une riche plasticité métabolique, leur conférant une capacité variable à s'acclimater à ces contraintes. La compréhension des acteurs et des mécanismes sous-jacents de cette acclimatation reste essentielle afin de caractériser les éléments clés pour une meilleure tolérance. Les travaux récents de l’auteur portent sur la réponse des arbres au stress oxydant, très fréquent dans un environnement changeant, induit par l'ozone. Ainsi, une forte variabilité inter- et intra-spécifique a été démontrée en réponse à un stress ozone chronique. Certaines enzymes et certains métabolites du cycle Halliwell-Asada et ainsi que certains acteurs du métabolisme secondaire semblent contribuer à cette variabilité et pourraient être responsables d'une meilleure tolérance au stress oxydant. En outre, les travaux les plus récents ont montré une limitation de l'assimilation photosynthétique sous ozone, principalement due à une altération de la conductance mésophyllienne. Son projet de recherche continuera à élucider les mécanismes permettant aux plantes de répondre au stress oxydant et, plus spécifiquement, les limitations, induites par ce stress, sur la capacité à fixer le carbone, ainsi que le devenir métabolique de ce carbone, assimilé en conditions limitantes, entre croissance et défense.

L'efficience intrinsèque d’utilisation de l’eau du Chêne sessile conditionne-t-elle sa résilience à la sécheresse ?

par Arivoara Rabarijaona

Thèse soutenue publiquement le 5 décembre 2023 à AgroParisTech, campus de Nancy

Directeur de thèse : M. Olivier Brendel (INRAE Grand Est)

Codirecteur de thèse : M. Stéphane Ponton (INRAE Grand Est)

La migration assistée constitue une solution pour adapter les peuplements forestiers face à l’augmentation en intensité et fréquence des sécheresses. Elle nécessite néanmoins l’identification des populations les plus résilientes à la sécheresse, et la caractérisation de leur diversité. L'efficience d'utilisation de l'eau (WUE) est un trait pertinent à évaluer pour ce choix car elle traduit un compromis entre l’assimilation carbonée et la perte d’eau par transpiration. En combinant dendrochronologie et isotopie, cette thèse évalue le rôle de WUE sur les performances de croissance et la résilience à la sécheresse du Chêne sessile (Quercus petraea).

D’abord, WUE a été comparé entre 16 populations dont les individus, issus de graines provenant de sites répartis sur un large gradient pédoclimatique, ont grandi dans la plantation comparative de Sillegny. Des différences significatives de WUE ont été trouvées entre les populations, mais elles n’étaient pas corrélées avec les conditions pédoclimatiques des sites d’origine. Cependant, les populations de provenance à sols sableux montraient de plus fortes augmentations de WUE en réponse à la sécheresse de 2003 par rapport à 2000, comparées aux populations des provenances sur sols limoneux. Par ailleurs, uniquement lors des années humides, les arbres qui ont eu une WUE élevée ont montré une plus forte croissance radiale par rapport aux arbres ayant eu une faible WUE. Quoique ces résultats suggèrent une adaptation du Chêne sessile, reflétée par la plasticité de WUE à la sécheresse, les variabilités de WUE intra-populations étaient plus importantes que celles entre populations.

Ensuite, la variabilité phénotypique de WUE a été étudiée à l’intérieur de deux populations à conditions pédoclimatiques contrastées, à Blois (humide) et La Harth (sec), où tous les arbres de la placette d’étude ont été échantillonnés. Le lien entre WUE et croissance radiale a été particulièrement examiné. Alors que le contrôle stomatique semblait être le facteur clé dans les variations interannuelles de WUE, ses variations inter-individuelles étaient plutôt pilotées par l’assimilation nette de CO₂, fortement impactée par le statut social. Ainsi, les relations entre WUE et croissance apparaissent plus significatives quand le peuplement devient mature, et quand la lumière devient plus limitante que l’eau (c’est-à-dire site humide, à Blois).

Enfin, l’effet de WUE au stade jeune sur la trajectoire de croissance des arbres a été évalué pour les mêmes sites de Blois et la Harth. À la Harth, les arbres avec un WUE plus élevé au stade jeune sont les plus dominants en 2021, suggérant une sélection en faveur d’un fort WUE dans ce milieu. En revanche, ce n’est pas le cas à Blois, où l’effet de WUE au stade jeune sur le statut social des arbres s’arrête après 60 ans. La réponse des arbres à la sécheresse n’était pas affectée par WUE au stade jeune à Blois et seulement durant les premières décennies à La Harth. Par ailleurs, la plasticité de la WUE à la sécheresse semble moins impliquée dans le processus de sélection, à mesure que les arbres vieillissent et sont exposés à des variations environnementales.

WUE est un trait complexe influencé par divers facteurs, notamment la génétique, les conditions micro-environnementales et le développement ontogénétique des arbres. Étant donné que les variations intra-populations sont plus marquées que les différences entre populations, et que le lien entre WUE et la résilience à la sécheresse est relativement faible, le choix des populations de Chêne sessile plus adaptées à la sécheresse ne peut se faire sur la base de WUE uniquement.

Utilisation de la cartographie prédictive pour mieux comprendre l’écologie des espèces et adapter les forêts au changement climatique

par Christian Piedallu

Habilitation à diriger des recherches soutenue publiquement le 7 décembre 2023 à AgroParisTech, campus de Nancy

Face au réchauffement climatique en cours, qui entraîne un déclin des forêts dans différents biomes de la planète, un besoin important de connaissances et d’outils se fait sentir pour adapter les peuplements aux nouvelles conditions environnementales et à leurs évolutions à venir. La cartographie prédictive permet la production d’une grande quantité d’informations, à fine résolution spatiale, et sur de vastes emprises géographiques. Nous détaillerons l’intérêt des cartes prédictives des facteurs du milieu (sol et climat) réalisées à l’échelle nationale ou régionale, qui peuvent être combinées avec des observations de terrain et/ou des données issues d’images satellitales pour progresser dans la connaissance de l’écologie des espèces d’arbres. Nous montrerons également comment ces données peuvent être utilisées pour évaluer et cartographier la vulnérabilité des essences au regard des changements en cours, permettant d’identifier le niveau de risque en fonction du peuplement en place et du contexte environnemental. La dynamique spatiale et temporelle de la quantité d’eau disponible pour les plantes est un facteur essentiel pour évaluer ces risques, dont les effets sont fortement modulés en fonction des caractéristiques des peuplements en place. L’identification des marges de manœuvre avant que les limites écologiques des espèces ne soient atteintes est aujourd’hui un enjeu crucial pour aider les acteurs de la gestion forestière à adapter les différents types de peuplement de nos forêts au changement de climat.

Provenances géographiques des bois de la cathédrale de Notre-Dame de Paris. Compositions élémentaires et isotopiques en Sr et Nd : effet de la carbonisation, référentiels régionaux et applications

par Anna Imbert Stulc

Thèse soutenue publiquement le 7 décembre 2023 au Muséum national d’histoire naturelle, Paris

Directrice de thèse : M^me Thanh Nguyen Tu (Sorbonne Université)

Co-encadrante de thèse : M^me Alexa Dufraisse (CNRS)

Co-encadrante de thèse : M^me Anne Poszwa (Université de Lorraine)

La charpente de la cathédrale de Notre-Dame de Paris a failli disparaître lors de l’incendie qui l’a ravagé dans la journée du 15 avril 2019. Les vestiges des bois calcinés sont certes sans intérêt pour la reconstruction du bâtiment, mais ils recèlent en eux l’histoire d’un chantier qui s’est déroulé il y a plus de 800 ans. L’étude de ces archives archéologiques est ainsi une opportunité extraordinaire d’en apprendre plus sur son déroulement et sur la relation entre la société et la forêt au Moyen Âge Central (XI^e-XIII^e siècles). Une des questions qui permettrait de mieux comprendre la gestion sylvicole et le commerce de bois à cette époque est celle de la provenance des bois. Cette thèse a pour but de préciser l’origine des bois utilisés pour la construction de la charpente avec l’aide des traceurs géochimiques, en particulier la composition multi-élémentaire et les rapports isotopiques du strontium (Sr) et néodyme (Nd) dans le bois. L’intérêt de ces traceurs est de discriminer des sites en fonction des contextes géologiques et pédologiques différents. Au cours de son développement, l’arbre absorbe des nutriments qui sont en partie transférés dans les parois cellulaires du bois. Les teneurs des minéraux et les signatures isotopiques dans le bois reflètent ainsi celle des roches et sols sur lesquels ils poussent. Cette approche est appliquée ici pour la première fois sur le bois archéologique carbonisé. Avant de procéder à l’identification de l’origine des bois de Notre-Dame, la conservation des traceurs géochimiques au cours de la carbonisation a été vérifiée expérimentalement, et un référentiel des signatures multi-élémentaires et isotopiques dans des bois actuels a été réalisé à l’échelle du bassin versant de la Seine. L’exposition à la haute température n’a pas affecté la composition isotopique du Sr et Nd, mais a provoqué une volatilisation et la perte d’une partie des éléments. Des traceurs élémentaires ont été sélectionnés à partir des rapports d’éléments thermostables, c’est-à-dire ceux dont la baisse de concentration a été négligeable (< 20 % à 800 °C). Le référentiel a été constitué à partir de 12 sites forestiers, chacun représentant un type de substrat spécifique, l’ensemble couvrant la diversité géologique et pédologique du bassin versant de la Seine. L’origine des bois actuels a pu être retracée avec une précision d’environ 80 % et la discrimination des sites s’est avérée fortement contrôlée par le rapport isotopique 87Sr/86Sr, et les rapports élémentaires Sr/Ca et Nd/Ca. Des bois archéologiques provenant de la charpente de Notre-Dame ont été caractérisés selon leur phase d’approvisionnement et leurs signatures géochimiques ont été comparées entre elles, et avec celles des forêts sources potentielles, telles que suggérées par les archives. Les signatures géochimiques de la plupart des bois médiévaux sont caractéristiques des peuplements sur des sols limoneux profonds, ce qui est en accord avec l'origine affirmée par des sources historiques, au sud-est de Paris.

Persistance ou adaptation de la flore forestière face aux effets conjugués du réchauffement climatique, de la fragmentation des forêts et du microclimat ?

par Jeremy Borderieux

Thèse soutenue publiquement le 14 décembre 2023 à AgroParisTech, campus de Nancy

Directeur de thèse : M. Jean-Claude Gégout (AgroParisTech Nancy)

Directeur de thèse : M. Josep Maria Serra-Diaz (AgroParisTech Nancy)

Une contradiction réside dans nos prédictions de l’évolution des communautés forestières végétales face au réchauffement climatique du XXI^e siècle. D'un côté, les espèces de climat chaud pourraient coloniser les communautés en replaçant des espèces de climat froid, un processus appelé thermophilisation. De l’autre, la fragmentation des forêts et la protection qu’offrent les microclimats créés par la canopée et la topographie sont supposées empêcher ce changement. Cette thèse vise à quantifier les processus (extinction vs colonisation) à l'origine des tendances récentes de thermophilisation des communautés (2005 -2021) et à identifier des facteurs biophysiques qui peuvent expliquer la persistance locale de communautés. Nous avons d'abord utilisé les placettes de l'Inventaire forestier national (IFN) français (2005-2021) pour créer des paires de placettes équilibrées dans le temps. Nous avons utilisé les 14 167 paires pour étudier les tendances de thermophilisation et d’homogénéisation (augmentation de la similarité entre les communautés) des communautés végétales. Nous avons constaté une thermophilisation des communautés forestières française, expliquée uniquement par la perte d’espèces de climat froid. Nous n'avons pas détecté d'homogénéisation car les extinctions d'espèces de climat froid se sont produites indépendamment de leurs raretés. Ces résultats questionnent l’idée que la thermophilisation est une adaptation des communautés, mais plutôt une altération. Cela illustre la nécessité d'identifier des refuges locaux pour les espèces de climat froid. Pour tester si un couvert forestier important peut abriter des communautés adaptées au froid, nous avons utilisé les placettes IFN pour coupler des parcelles avec différents taux de couvert forestier. Les 2 012 paires ainsi créées ont permis de comparer l'affinité climatique des communautés dans des paysages forestiers et moins forestiers. Nous avons montré que les paysages forestiers abritaient des communautés plus adaptées aux climats froids. Ce “refroidissement” s'explique principalement par des différences de conditions pédologiques, mais nous avons également observé un effet purement lié au paysage qui suggère un refroidissement microclimatique du couvert forestier. Enfin, nous avons effectué des mesures de la température du sous-bois dans une vallée des Vosges afin de séparer l'effet de la canopée et de la topographie sur le microclimat et les communautés. Nous avons montré que la topographie l'emportait sur la canopée pour expliquer le microclimat et la composition des communautés. De plus, les communautés étaient plus riches et comportaient plus d’espèces de climats froids sur les pentes orientées vers le nord et dans les fonds de vallée ombragés que dans le reste de la zone. Nos résultats confirment le déclin de la diversité prédit et le manque d’adaptation des communautés. Cette thermophilisation due à l'extinction est toutefois à nuancer par deux sources importantes de persistance des espèces : la couverture forestière et la topographie. Tirer parti du refroidissement offert par ces deux facteurs sera essentiel pour la conservation et la compréhension des communautés végétales.