Paramètres ¶
Depuis que le WSL a mis en place son expérience d'irrigation à long terme dans le Bois de Finges en 2003, plus de 120 paramètres ont été mesurés à plusieurs niveaux spatiaux et temporels dans le cadre de divers projets de recherche. Les paramètres spécifiques au projet VPDrought sont présentés ci-dessous.
Cliquez sur les balises de texte pour accéder à la définition de chaque paramètre, aux explications sur les méthodes de mesure et à la signification du paramètre pour les pins sylvestres dans l'expérience VPDrought.
Rayonnement solaire ¶
Le rayonnement solaire est l'ensemble des radiations électromagnétiques émises par le soleil. Il comprend un large spectre de longueurs d'onde, y compris la lumière visible, le rayonnement ultraviolet (UV) et le rayonnement infrarouge (IR ; rayonnement thermique).
Le rayonnement actif photosynthétique (en anglais Photosynthesis Active Radiation, PAR; μmol/m/s) comprend la partie du rayonnement solaire qui peut être utilisée par les plantes pour la photosynthèse. Le rayonnement solaire augmente la température des feuilles, ce qui favorise la transpiration par les feuilles ou les aiguilles. Cette évaporation aide la plante à absorber les nutriments du sol et à refroidir le feuillage pour éviter la surchauffe.
Dans l'expérience VPDrought, nous mesurons le PAR sur un échafaudage au-dessus de la cime des arbres.
Température du couvert ¶
Les plantes réfléchissent, absorbent et émettent de l'énergie lumineuse dans différentes longueurs d'onde, en fonction de leur vitalité et des conditions environnementales auxquelles elles sont exposées. En cas de chaleur sèche, lorsque l'eau est rare, la lumière du soleil est souvent la plus forte. Les feuilles ou les aiguilles se trouvent alors dans un état de déséquilibre: elles absorbent plus d'énergie qu'elles n'en ont besoin pour la photosynthèse, car les stomates se ferment afin de réduire la perte d'eau par transpiration (évaporation de l'eau par les feuilles ou les aiguilles). Lorsque la transpiration diminue, l'effet de refroidissement diminue également et les températures dans la couronne de l'arbre augmentent.
Dans l'expérience VPDrought, nous surveillons la température du couvert à l'aide de 16 capteurs infrarouges (IR; °C) placés au-dessus de la canopée. Nous pouvons ainsi déterminer quand les pins sylvestres sont soumis à un stress hydrique.
Dynamique des peuplements ¶
La dynamique des peuplements est influencée de façons multiples par l'humidité de l'air, la température, la disponibilité en eau dans le sol ainsi que d'autres paramètres biotiques et abiotiques. Alors que certains arbres meurent lorsque les conditions deviennent trop sèches, leurs voisins de la canopée et du sous-bois peuvent bénéficier d'une plus grande disponibilité de ressources en raison d'une concurrence réduite pour l'eau et la lumière. Il en résulte des tendances complexes dans les schémas de croissance, les structures et la composition en espèces du peuplement forestier.
Dans le cadre de l'expérience VPDrought, près de 900 pins sylvestres poussent, ainsi que, principalement dans le sous-bois, une centaine d'arbres d'autres espèces, tels que le Chêne pubescent, l’Alisier blanc et le Bouleau pendant. Afin de saisir la dynamique à long terme des processus du peuplement, tels que la croissance en volume par hectare, les taux de mortalité, la composition des espèces de la canopée et du sous-bois ainsi que les changements dans l'architecture des couronnes, nous réalisons des inventaires des caractéristiques morphologiques les plus pertinentes de tous les arbres dont le diamètre est supérieur à 8 cm, au moins tous les cinq ans.
État du houppier ¶
L’état du houppier est l’un des principaux indicateurs de la santé et de la vitalité d’un arbre. Il est recensé individuellement pour chaque arbre à l’aide d’observations visuelles selon des protocoles standardisés (Sanasilva / ICP Forests). La variable principale est la défoliation, estimée comme la perte exprimée en pourcentage de feuilles ou d’aiguilles par rapport à un arbre de référence entièrement feuillu. D’autres observations portent notamment sur les dommages biotiques (par exemple, les infestations d’insectes) et abiotiques (par exemple, les dégâts causés par les tempêtes), la position de l’arbre dans le peuplement (par exemple, la concurrence des arbres voisins), la décoloration des feuilles et des aiguilles, ainsi que la mortalité des arbres.
Les relevés sont effectués chaque année au début de l’été sur des arbres dont le tronc mesure au moins 12 cm de diamètre (mesure prise à 1,3 m de hauteur) au sein des sites expérimentaux et permettent à la fois des analyses au niveau de chaque arbre et des agrégations au niveau du peuplement.
L’évaluation de l’état du houppier fournit un indicateur intégratif de la santé de l’arbre, en reliant des facteurs environnementaux tels que la sécheresse, la pollution atmosphérique ou les infestations de ravageurs aux réactions visibles au niveau de la canopée. Les variations à court terme de l’état du houppier reflètent les effets des facteurs de stress et la récupération ultérieure de l’arbre, tandis que les tendances à long terme indiquent des changements fondamentaux de la vitalité de l’arbre. Ces données facilitent l’interprétation des mesures physiologiques et permettent une comparaison avec les programmes de suivi forestier à long terme.
Précipitations ¶
Les précipitations sont le processus par lequel l'eau de l'atmosphère atteint la surface de la terre. Elles comprennent l'eau sous différentes formes telles que la pluie, la neige, la grêle, le grésil et la rosée.
Les précipitations permettent aux plantes d'absorber les nutriments du sol et de disposer de suffisamment d'eau pour la transpiration (évaporation de l'eau par les feuilles ou les aiguilles). La transpiration refroidit les feuilles et les aiguilles et aide à transporter les nutriments vers les différentes parties de la plante. Les précipitations sont principalement nécessaires pour que les sols soient suffisamment humidifiés et que les processus métaboliques puissent avoir lieu. Elles influencent donc directement la croissance et le développement des plantes par le biais de la disponibilité de l'eau dans le sol.
Dans l'expérience VPDrought, nous mesurons les précipitations à l'aide d'un pluviomètre placé au-dessus de la canopée. De plus, nous déterminons l'interception (rétention des précipitations des arbres et des arbustes) à l'aide de collecteurs de pluie répartis de manière aléatoire sous la canopée.
Température de l'air ¶
La température de l'air (T; °C) est une mesure de l'énergie thermique de l'air. La température de l'air influence de nombreux processus météorologiques et climatiques et constitue un facteur important pour les processus biologiques et écosystémiques.
La température de l'air influence le taux de photosynthèse et d'autres processus métaboliques des plantes et régule leur croissance et leur développement. La transpiration (évaporation de l'eau par les feuilles ou les aiguilles) augmente avec la température. Des températures inférieures au point de congélation peuvent entraîner des dommages dus au gel. Des températures extrêmement élevées peuvent entraîner des brûlures foliaires, des troubles de la croissance et, dans le pire des cas, la mort de la plante.
Dans l'expérience VPDrought, nous mesurons la température de l'air et l'humidité relative à l'aide de 59 capteurs placés à différentes hauteurs, sous, dans et au-dessus de la cime des arbres, sur 16 échafaudages, sur tous les traitements.
Humidité relative ¶
L'humidité relative (RH; %) est une mesure de la teneur en humidité de l'air. Elle indique la quantité de vapeur d'eau que contient l'air par rapport à la quantité maximale qu'il peut retenir à une température donnée. Quand la température augmente, cette quantité augmente de manière exponentielle.
L'humidité relative joue un rôle important dans la transpiration (évaporation de l'eau par les feuilles ou les aiguilles) des plantes. La transpiration permet aux plantes d'absorber l'eau et les nutriments du sol et de refroidir leur feuillage. Lorsque l'air est trop sec, les stomates se ferment pour économiser l'eau, ce qui réduit l'absorption de CO₂ et affecte la performance de la photosynthèse.
En général, l'humidité relative est légèrement plus élevée sous la canopée qu'au-dessus. Dans l'expérience VPDrought, nous mesurons la température de l'air et l'humidité relative à l'aide de 59 capteurs à différentes hauteurs, sous, dans et au-dessus de la canopée, sur 16 échafaudages, pour tous les traitements.
Déficit de pression de vapeur ¶
Le déficit de pression de vapeur (en anglais Vapor Pressure Deficit, VPD; kPa) est une mesure de la différence entre la pression de vapeur réelle de la vapeur d'eau dans l'air (ea) et la pression de vapeur saturante (es) à une température donnée. Le calcul de la VPD est basé sur l'humidité relative (HR) et la température de l'air (T) et est décrit dans l'équation suivante:
En termes simples, VPD exprime la «soif» de l'air et indique combien de vapeur d'eau l'air peut absorber à une certaine température avant d'être saturé.
Le VPD est un facteur déterminant pour la transpiration (évaporation de l'eau par les feuilles ou les aiguilles) et donc pour l'approvisionnement en eau et le refroidissement chez les plantes. La transpiration crée une aspiration dans le système de conduite d'eau de la plante, ce qui permet aux racines d'absorber l'eau et les nutriments dissous dans le sol. Un VPD adéquat favorise une absorption efficace de l'eau. Des valeurs de VPD trop élevées peuvent toutefois entraîner une libération excessive d'eau, ce qui soumet la plante à un stress hydrique. Pour contrer ce phénomène, la plante peut fermer les stomates de ses feuilles ou de ses aiguilles afin d'économiser l'eau. Cela a cependant l'inconvénient de réduire l'absorption de CO₂ et de nuire à la performance de la photosynthèse.
Dans l'expérience VPDrought, nous réduisons le VPD dans les couronnes de 3 à 5 pins sylvestres face à chacun des 6 échafaudages afin d'étudier l'influence du VPD sur les processus métaboliques des arbres.
Température du sol ¶
Paramètres du sol
Le suivi du sol dans l’expérience VPDrought à Pfynwald étudie les interactions entre la disponibilité en eau du sol et la sécheresse atmosphérique, ainsi que leur influence sur la réponse des forêts à la sécheresse. Depuis 2023, un réseau dense de capteurs mesure, sur huit parcelles, le potentiel matriciel du sol, la teneur volumétrique en eau du sol, la température et la conductivité électrique à différentes profondeurs. Ces données à haute résolution complètent les manipulations de VPD au niveau du couvert et permettent de dissocier les effets de la sécheresse du sol et de la sécheresse atmosphérique. Ce suivi fournit ainsi une base essentielle pour comprendre et prévoir les réponses des forêts à l’intensification des sécheresses.
Potentiel matriciel du sol
Le potentiel matriciel du sol (Ψ ; kPa), souvent appelé tension de l’eau du sol ou potentiel hydrique du sol, est une mesure de l’énergie nécessaire pour extraire l’eau du sol.
Il reflète la force d’attraction exercée par le sol sur l’eau, due à la matrice du sol (c’est-à-dire les particules solides et leur structure). Cette force est causée par les forces capillaires et les forces d’adsorption. Un potentiel matriciel faible (valeurs très négatives) signifie que l’eau est fortement liée aux particules du sol et qu’il est plus difficile pour les plantes de l’absorber. Un potentiel matriciel élevé (valeurs moins négatives) indique que l’eau est moins fortement liée et plus facilement disponible pour les racines.
Contrairement à la teneur en eau du sol, le potentiel matriciel du sol est directement lié au stress hydrique des plantes et constitue donc un indicateur central de la disponibilité en eau. Dans l’expérience VPDrought, nous mesurons en continu le potentiel matriciel du sol sur 15 profils de sol et à trois profondeurs différentes (10, 80, 120 cm), sur les parcelles témoins, irriguées et sèches.
Teneur volumétrique en eau du sol
La teneur volumétrique en eau du sol (VWC ; m³ m⁻³), souvent appelée humidité du sol, est une mesure de la proportion d’eau dans le volume total du sol. Elle décrit la quantité d’eau contenue dans les pores du sol et constitue ainsi un indicateur direct du stockage d’eau dans le sol.
Le VWC est déterminé par les précipitations, l’évaporation, l’absorption par les plantes, ainsi que par la structure et la porosité du sol. Des valeurs élevées de VWC indiquent qu’une grande proportion des pores du sol est remplie d’eau, tandis que des valeurs faibles indiquent des conditions sèches.
Contrairement au potentiel matriciel du sol, le VWC ne décrit pas directement la disponibilité de l’eau pour les plantes, car celle-ci dépend fortement de l’énergie de liaison de l’eau dans le sol. Le VWC est une variable clé pour quantifier le bilan hydrique du sol et permet d’analyser l’infiltration, le stockage et la dynamique des flux d’eau dans le sol.
Combiné au potentiel matriciel, il constitue un indicateur important des effets de nos manipulations climatiques.
Dans l’expérience VPDrought, la teneur volumétrique en eau du sol est mesurée en continu à l’aide de capteurs TEROS-12, basés sur des principes de mesure capacitifs. Les capteurs sont installés sur 15 profils de sol et à trois profondeurs (10, 80, 120 cm) sur les parcelles témoins, irriguées et sèches.
Conductivité électrique du sol
La conductivité électrique du sol (EC ; dS m⁻¹) est une mesure de la capacité de l’eau du sol à conduire le courant électrique. Elle est principalement déterminée par la concentration d’ions dissous dans l’eau du sol et sert d’indicateur de la composition chimique de la solution du sol.
Des valeurs élevées de EC indiquent une concentration élevée d’ions dissous, tandis que des valeurs faibles indiquent une faible concentration ionique. La conductivité électrique est influencée par l’humidité du sol, la température, le type de sol, ainsi que les apports et la mobilisation des nutriments.
Comme cette mesure dépend fortement de la teneur en eau, elle doit toujours être interprétée en relation avec le VWC. La EC fournit des informations importantes sur les processus de transport des substances et la dynamique des nutriments dissous dans le sol.
Dans l’expérience VPDrought, la conductivité électrique est mesurée en continu avec des capteurs TEROS-12, qui enregistrent à la fois la teneur en eau volumétrique et la conductivité de l’eau du sol. Les mesures sont réalisées sur 15 profils de sol et à trois profondeurs (10, 80, 120 cm) dans tous les traitements.
Température du sol
La température du sol (T ; °C) est influencée par de nombreux facteurs, notamment la température de l’air, le rayonnement solaire, la couverture du sol, l’humidité du sol et les propriétés du sol. Elle varie au cours de la journée et de l’année et joue un rôle essentiel dans de nombreux processus biologiques et biogéochimiques.
La croissance et le développement des racines dépendent fortement de la température. Des températures élevées du sol favorisent généralement la croissance des racines, tandis que des températures basses ou très élevées peuvent la ralentir. L’activité des micro-organismes du sol, qui jouent un rôle clé dans la décomposition de la matière organique et la libération des nutriments pour les plantes, est également contrôlée par la température. Des températures élevées stimulent l’activité microbienne, tandis que des températures basses la ralentissent.
Dans l’expérience VPDrought, la température du sol est mesurée en continu à l’aide de 45 capteurs, répartis sur 15 profils de sol et à trois profondeurs (10, 80, 120 cm), sur les parcelles témoins, irriguées et sèches.
Variations du rayon du tronc ¶
Les troncs des arbres rétrécissent pendant la journée et se dilatent à nouveau pendant la nuit. Ces fluctuations résultent du niveau de saturation en eau de l'arbre. Celle-ci est déterminée par la transpiration du feuillage (perte d'eau) et l'absorption de l'eau par les racines (absorption d'eau). Les variations quotidiennes du rayon du tronc influencent directement le moment où l'arbre peut former de nouvelles cellules de bois et d'écorce, c'est-à-dire sa croissance. Les mesures continues à long terme du rayon du tronc fournissent donc des informations sur le rythme et le taux de croissance de l'arbre ainsi que sur son bilan hydrique.
Dans l'expérience VPDrought, des dendromètres à pointe mesurent toutes les 10 minutes les variations des rayons du tronc sur 45 arbres à hauteur de poitrine (1,3 m) avec une résolution de l'ordre du micromètre (μm). Entièrement automatisés, ils fournissent un point de mesure toutes les 10 minutes et couvrent tous les traitements. Les points de mesure sont traités sur le serveur TreeNet afin de calculer la croissance et le déficit hydrique des arbres.
Déficit hydrique des arbres ¶
Le déficit en eau des arbres (en anglais Tree Water Deficit, TWD; μm), désigne l'état dans lequel un arbre absorbe moins d'eau qu'il n'en perd par transpiration (évaporation de l'eau par les feuilles ou les aiguilles). Le bilan hydrique négatif qui en résulte fait que l'arbre souffre. Le déficit hydrique des arbres peut être causé par différents facteurs, tels que la sécheresse, des précipitations insuffisantes, des températures élevées, des vents forts ou un sol peu perméable.
Un déficit hydrique accru de l'arbre réduit la photosynthèse, car les stomates se ferment pour minimiser la perte d'eau. Cela limite l'entrée de CO₂ et donc, à moyen terme, la croissance et la production de biomasse de l'arbre. De nombreux arbres réagissent au déficit hydrique en perdant des feuilles ou des aiguilles afin de minimiser la perte d'eau. Cela réduit la surface de photosynthèse et donc la production de sucre, ce qui affaiblit encore la santé et la croissance de l'arbre.
En cas de déficit hydrique important, une défaillance hydraulique peut se produire, les vaisseaux conducteurs d'eau (xylème) étant alors bloquées par des bulles d'air. Ce phénomène appelé cavitation empêche le transport de l'eau des racines vers le feuillage et peut entraîner le dépérissement de certaines parties de la plante, voire de l'arbre entier. Un manque d'eau persistant peut entraîner un stress chronique qui affecte la santé et la survie à long terme de l'arbre. Des périodes répétées de stress hydrique peuvent affaiblir la vitalité de l'arbre et réduire son espérance de vie.
Dans l'expérience VPDrought, le déficit hydrique des arbres est déduit des mesures de variation du rayon du tronc. Ces mesures sont effectuées par des dendromètres à pointe fixés à hauteur de poitrine (1,3 m) sur 45 troncs d'arbres. Entièrement automatiques, ces appareils fournissent un point de mesure toutes les 10 minutes et couvrent tous les traitements. Les points de mesure sont traités sur le serveur de TreeNet afin de calculer la croissance et le déficit hydrique des arbres.
Flux de sève ¶
Le flux de sève (L/h) désigne le mouvement de l'eau et des nutriments dissous à travers le système vasculaire des plantes, en particulier dans les vaisseaux du xylème. Ce processus permet le transport de l'eau et des minéraux des racines vers le feuillage, où ils sont utilisés pour la photosynthèse et d'autres processus vitaux. Les données sur les flux de sève fournissent donc un aperçu du mouvement de l'eau dans le tronc de l'arbre, qui est principalement contrôlé par la transpiration (évaporation de l'eau par les feuilles ou les aiguilles) dans la couronne et l'absorption d'eau par les racines. Grâce à ces données, nous calculons la quantité d'eau utilisée par les arbres et la manière dont ils contrôlent la perte d'eau en fermant leurs stomates.
Dans l'expérience VPDrought, nous appliquons la méthode dite Heat Ratio Method (HRM). Nous insérons deux capteurs de température dans le tronc de la plante, l'un en amont (au-dessus) et l'autre en aval (en dessous) d'un point où se trouve une aiguille chauffante. Celle-ci reçoit à intervalles réguliers une impulsion de chaleur; les capteurs mesurent ensuite la vitesse à laquelle la chaleur se propage. En comparant la différence de température détectée par les sondes avant et après l'application de la chaleur, nous déterminons la vitesse et le volume de la sève qui monte dans l'arbre.
Vitesse et direction du vent ¶
La vitesse (m/s) et la direction du vent sont mesurées à l'aide d'un anémomètre, un appareil qui détecte le mouvement de l'air.
La direction du vent est indiquée en degrés (de 0° à 360°) ou au moyen de points cardinaux (N, NE, E, SE, S, SW, W, NW). Par exemple, une direction de vent de 90° signifie que le vent vient de l'est.
La vitesse du vent influence le taux d'évaporation de l'eau à la surface de la terre et le rejet d'eau dans l'atmosphère par les plantes. Le Bois de Finges, comme toute la vallée principale du Valais, est caractérisé par une circulation des vents de montagne et de vallée. La nuit, l'air s'écoule vers la vallée, tandis que le jour, il s'écoule vers l'amont. Les vitesses de vent les plus élevées sont toujours atteintes en fin d'après-midi.
Dans l'expérience VPDrought, nous mesurons la vitesse et la direction du vent à l'aide de 11 anémomètres installés sur 7 échafaudages à différentes hauteurs, de 2 m au-dessus du sol jusqu'au-dessus de la canopée, ainsi qu'en au moins un point de la canopée de tous les arbres pour lesquels le déficit de pression de vapeur (VPD) est réduit. La vitesse du vent influence la quantité d'eau nécessaire à la réduction du VPD. La direction du vent est déterminante pour que l'air dont le déficit de pression de vapeur a été réduit soit bien transporté vers les cimes des arbres sélectionnés à cet effet.