Vulnérabilité et adaptation des forêts au changement climatique : vers une approche centrée sur l’eau

Par Nicolas Martin

Habilitation à diriger des recherches, soutenue publiquement le 2 juillet 2025 au campus Saint-Paul de l’INRAE à Avignon.

Les sécheresses extrêmes ont un impact croissant sur les forêts dans le monde, mais les modèles actuels utilisés pour prédire ces effets restent peu fiables et souvent en contradiction avec les observations de terrain. Cela s’explique par une représentation trop simpliste du stress hydrique, fondée sur des approches métaboliques ou corrélatives qui ne capturent pas les mécanismes du fonctionnement hydraulique.

Face à ces limites, nos travaux visent à mieux comprendre et modéliser le fonctionnement hydraulique des arbres sous sécheresse. Nous avons contribué à clarifier la séquence des réactions physiologiques intervenants lors d’une sécheresse. Notamment en développant des méthodes fiables de mesure de la vulnérabilité à l’embolie du système vasculaire des arbres nous avons montré que les processus de régulation stomatique interviennent universellement avant le développement de l’embolie du xylème.

Cela a permis la création de SurEau, un modèle Sol-Plante-Atmosphère qui simule la séquence des réactions des plantes aux sécheresses, y compris au-delà de la fermeture stomatique, lorsque les sécheresses sont extrêmes. Il permet d’évaluer les mécanismes de réponse des arbres, d’explorer le rôle de la variabilité phénotypique face au changement climatique, et d’anticiper les risques de dépérissement ou de vulnérabilité aux incendies. SurEau peut être enrichi par des données de télédétection pour améliorer les prédictions spatiales et opérationnelles.

Nos résultats montrent que l’intégration du fonctionnement hydraulique dans les modèles permet de comprendre certains effets du mélange d’espèces d’arbre sur la réponse aux sécheresses et permet de tester des stratégies de gestion comme la migration assistée ou la sylviculture économe en eau. Ainsi ces approches peuvent guider la gestion adaptative des forêts face au changement climatique. Ce travail s’inscrit dans un mouvement plus large de structuration de la“ plant hydraulic science ”, un champ scientifique interdisciplinaire en plein essor.

Malgré des avancées réelles, de nombreux défis persistent, notamment pour transposer les modèles à grande échelle ou en conditions naturelles. Notre projet propose de remédier à ces défis par trois axes complémentaires : (1) La consolidation des simulations de SurEau à large échelle par une approche d’intégration de données et une évaluation systématique des résultats de statut hydrique et de mortalité grâce à des bases de données régionale ou globale ; (2) L’interfaçage du modèle de fonctionnement hydrauliques SurEau avec des modèles issus d'autres disciplines (modèle de dynamique et gestion forestière, évolution, hydrologie…) ; (3) Le transfert de ces outils vers les acteurs opérationnels via des démarches collaboratives.

Interactions between canopy structure and understory microclimate: implications for forest regeneration

Par Klara Bouwen

Thèse soutenue publiquement le 17 juillet 2025 à l’UMR ISPA, campus de l’INRAE à Villenave d’Ornon.

Directeur de thèse : Jérôme Ogée, Université de Bordeaux.

La canopée forestière joue un rôle essentiel dans la régulation du microclimat du sous-bois, influençant la biodiversité, la régénération des forêts et leur résilience face aux changements climatiques. Les pratiques de gestion forestière modifient la structure et la composition de la canopée, via les éclaircies, le choix des essences, le contrôle du sous-bois ou la fragmentation du couvert, ce qui a un impact direct sur le microclimat. Pourtant, les gestionnaires forestiers ne disposent pas d’outils leur permettant de quantifier ces effets. En combinant des mesures micrométéorologiques, des données LiDAR aéroportées et des simulations du modèle biométéorologique à base physique MuSICA, j’ai étudié comment les variations de structure du couvert influencent le microclimat en sous-bois, avec une attention particulière portée aux extrêmes climatiques estivaux et à leurs effets potentiels sur la survie des semis.

La réalisation d’analyses de sensibilité à l’aide de modèles physiques pose un défi, car ces modèles nécessitent des données météorologiques (température de l’air, humidité, vitesse du vent) au-dessus de la canopée, lesquelles sont elles-mêmes affectées par les changements de structure du couvert. L’utilisation d’un même forçage climatique pour différentes structures de canopée peut ainsi entraîner des biais. Pour répondre à cette difficulté, j’ai utilisé un nouvel algorithme prenant en compte les rétroactions dynamiques entre la structure du couvert végétal et les conditions climatiques juste au-dessus. Cet algorithme s’appuie sur des théories existantes des relations de similarité flux-gradient dans la couche limite atmosphérique de surface, que j’ai testées à l’aide de jeux de données issus de divers écosystèmes forestiers européens. Mes résultats montrent que la rugosité de la canopée végétale influence nettement les profils verticaux de la vitesse du vent et de la température de l’air au-dessus du couvert, tandis que le choix précis du cadre théorique pour représenter ces effets joue un rôle relativement mineur.

En intégrant l’algorithme dans MuSICA, j’ai pu analyser comment la densité et la complexité verticale du couvert affectent le microclimat sous canopée lors des extrêmes estivaux. Des données expérimentales issues de forêts européennes ont permis d’identifier un seuil de densité de canopée en-deçà duquel le microclimat proche du sol devient plus chaud que celui d’une parcelle ouverte voisine, indiquant une amplification, plutôt qu’une atténuation, des extrêmes de température estivaux dans ces configurations de couvert peu dense. Ce seuil a été confirmé par les simulations du modèle, qui ont également permis d’en évaluer les conséquences sur la survie des jeunes semis. Les simulations ont en outre montré que ce seuil est spécifique à chaque site et peut varier d’une année à l’autre pour un site donné. Enfin, les données expérimentales et les simulations ont révélé que la complexité verticale de la canopée exerce un effet limité sur l’atténuation de cette amplification des extrêmes, sauf lorsqu’un sous-bois dense est présent.

En reliant la structure de la canopée au microclimat et à la survie des semis, ces travaux approfondissent notre compréhension des interactions forêt–atmosphère et mettent en évidence le rôle clé que peut jouer la gestion forestière dans l’atténuation ou, au contraire, l’amplification des extrêmes climatiques estivaux. Ces résultats ouvrent la voie au développement d’outils d’aide à la décision permettant aux gestionnaires d’évaluer les conséquences microclimatiques de leurs pratiques sylvicoles et de concevoir des stratégies en faveur de la biodiversité et de la résilience climatique.

Mots clés : Dérèglement climatique, gestion forestière, stress abiotique, surface foliaire, microclimat forestier, modélisation mécaniste