La dispersion du pollen : mécanismes, modélisation et questions actuelles de recherche

(1)

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La dispersion du pollen : mécanismes, modélisation et questions actuelles de recherche

Yves Brunet

To cite this version:

Yves Brunet. La dispersion du pollen : mécanismes, modélisation et questions actuelles de recherche.

Journée ECCOREV : La modélisation, May 2008, Aix-en-Provence, France. 71 pl. �hal-02824319�

(2)

ECCOREV – Journées de Modélisation

CEREGE, Aix en Provence, 19-21 mai 2008

La dispersion du pollen : mécanismes, modélisation

et questions actuelles de recherche

A L I M E N T A T I O N A G R I C U L T U R E

E N V I R O N N E M E N T

Yves Brunet

UR Ephyse, Inra, Bordeaux

(3)

Introduction

(Aylor et al., 2003)

(4)

émission 1

dépôt 3

viabilité

fécondation

émetteur récepteur

transport 2

Insectes (pollen colza)

Vent (pollen maïs, spores, poussières)

Introduction

(5)

4. La problématique OGM

Dissémination dans l'environnement Règles de coexistence

3. Les pollens allergisants

Prédiction des pics et des zones affectées Influence du changement climatique

2. Ecologie des communautés et populations Colonisation par les espèces

Changements d'aires de répartition 1. Agriculture

Croisement : une nécessité

Problèmes de pollinisation (ex. betterave)

Introduction

(6)

Maïs :

- pollinisation par le vent

- pas d’espèce sauvage apparentée - semences ne survivent pas au champ

Problèmes liés à la coexistence OGM – non OGM : croisements par le biais du pollen

Importance de bien connaître les mécanismes de dispersion

Introduction

(7)

Questions liées à la dispersion : - jusqu’à quelle distance ?

- en quelle quantité ?

- rôle de l’agencement du paysage ? - efficacité des distances d’isolement ? - conditions de respect des taux seuils ? - la coexistence est-elle possible ?

Introduction

(8)

0.01

0.1

1

10

100

1000 (μ)

Aérosols submicroniques ou fins

Aérosols microniques

Grosses particules

Goutelettes,

aérosols de combustion…

Pollen, spores, graines…

Erosion éolienne…

• Pollen : pureté semences, OGM, allergies…

• Spores : épidémiologie…

• Aérosols fins : épandages, partic. radio-actives…

• Grosses particules : poussières, sable…

Introduction

(9)

Transport Viabilité

Sources

Emission Dépôt

Fécondation

Introduction

(10)

0 1,2 2,4 km

Introduction

local

courte distance

longue distance

(11)

1. Introduction

2. Emission, viabilité, sédimentation 3. Dispersion à courte distance

4. Dispersion à longue distance 5. Perspectives et conclusions

Introduction

(12)

• Durée de pollinisation: 10 – 15 jours

• Production totale: 7 10⁶ – 34 10⁶ grains / panicule

• Concentration maximale: 200 – 400 grains m^-3

Emission, viabilité, sédimentation

concentration production

(13)

(Marceau and Huber, 2007)

(14)

Expérimentation Grignon 2006 Parcelle 1

0 20 40 60 80 100

09-juil 11-juil 13-juil 15-juil 17-juil 19-juil 21-juil

temps (jours)

Humidité relative (%)

0 200 400 600 800 1000

concentration (grains/m3)rayonnement global (w/m²)

HR Rg concentration

¾Conditions climatiques favorables :

humidité faible, rayonnement élevé et fortes températures

¾Emission ~ optimale :

¾cycle diurne bimodal

¾enveloppe gaussienne sur la période

(15)

Expérimentation Grignon 2006 Parcelle 2

0 20 40 60 80 100

24-juil 25-juil 26-juil 27-juil 28-juil 29-juil 30-juil 31-juil 01-août 02-août 03-août temps (jours)

Humidité relative (%)

0 200 400 600 800 1000

concentration (grains/m3) rayonnement global (w/m²)

HR Rg concentration

¾Conditions climatiques défavorables :

pluie, humidité forte, nuages, basses températures

¾Emission à cycle diurne perturbé

(16)

2004-P3

jours

concentrations

2004-P3

jours

concentrations

2004-P3

jours concentrations 050100150200

8/9/2004 8/12/2004 8/15/2004 8/18/2004

Concentration journalière maximale observée C_max = f (dynamique de floraison)

Dynamique journalière : fonction sinusoïdale

=> potentiel d’émission P(t)

Ecarts entre potentiel d’émission et observations : f (variables climatiques)

C = C_max × P(t) × f_pluie × f_HR × f_R × f_T

(17)

Grains de pollen

Tour de sédimentation

Fibre optique

caméra

isolant

Chambre noire

Emission, viabilité, sédimentation

(18)

L

Calcul de la vitesse de chute (V_s) :

V_s = L / τ [cm s^-1]

L = distance parcourue [cm]

τ = temps d’ouverture [s]

Photographie de grains en chute libre (air calme)

V_s (cm s^-1)

Pollen humide Pollen sec

(Loubet et al., 2007)

(19)

V

_s ~ ^dp² ρ_p Loi de Stokes

Teneur en eau ≈ 60 % ≈ 10 % Influence de

• la teneur en eau

• la variété

(20)

10 15 20 25 30

0 20 40 60

Teneur en eau (%)

Vs moyen (cm s-1 ) Adonis Bleu

Adonis Banguy DK300 Kalis M521 N62 N69

(Loubet et al., 2007)

(21)

4 m 2 m

Bonne viabilité

Faible viabilité

90 %

60 % 30 %

50 %

Viabilité ↔ Teneur en eau ↔ Poids ↔ Vitesse de chute

Emission, viabilité, sédimentation

(22)

1. Introduction

Plan

(23)

amont

10

0 3 32

Distance aval x(m)

200 400 source

Direction du vent dominant

Concentration continue (Burkard)

Dépôt (pots)

U Rg

Rn

HR, Ta Dir

météo

sonique

U, σ_u, σ_w

Mât bilan de masse

Concentration (rotorods) Vitesse vent (anénomètres à coupelles)

Dispersion à courte distance : mesures

(24)

0.01 0.1 1 10

0.1 1 10 100 1000

x / hc

D/ D(10 m)

Sore 2002 - 2.63 Montargis 2000 - 2.28 Grignon 2001 S0 - 2.16 Grignon 2001 S0 - 2.16 Grignon 2001 S0 - 2.16 hc (m)

D_10m (grains m^-2s^-1) Montargis: 3 - 30 Grignon 1: 1 - 30 Grignon 2: 4 - 70 Landes: 1 - 20

Jarosz et al., 2003

Dispersion à courte distance : mesures

(25)

Equation de convection – diffusion

p j

c t j j

j s

j

j S

x C x

x C x v

C t u

C +

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

∂

= ∂

∂

− ∂

∂ + ∂

∂

σ δ ₃ ν

Variation temporelle de la concentration

turbulente

Transport par advection

Sédimentation

gravitationnelle Transport par diffusion turbulente

Dépôt par sédimentation (a) et par impact (b)

x z

(a)

(b)

C u

a E C

v a E S

S

S _p = _s + _i = _s _h _s + _i _v

Avec :

v_s= vitesse de sédimentation = vitesse limite de chute du grain de pollen en air calme

1 442 et

. 0 1

86 .

où 0 ₁_.₉₆₇ =

= + ₋ _s

i E

E St

a_h(v)= densité de surface foliaire horizontale (verticale) u = vitesse moyenne de l’écoulement

Dispersion à courte distance : modélisation

(26)

– Dépôt au sol physique

C z C

C

d p

s c

t v ⎟⎟ = v

⎠ + ⎞

∂

∂ σ

ν

C z C

C

f H

s c

t ⎟⎟ = −v

⎠ + ⎞

∂

∂ v

σ ν

• Limite inférieure :

• Limite supérieure :

t s

d v v

v = +

(1 LAI)

s

d = v +

v

* s

d = v +0.1u v

(Yao, 1997)

s

d 2 v

v = × (McCartney, 1991)

(Callender et al., 1983)

Structure du couvert

Turbulence (influence l’impact) Taille et forme de la particule – Dépôt au sol apparent

s

d v

v =

(27)

Î Code de mécanique des fluides développé au laboratoire MASTER de l’Université de Bordeaux I.

Î Prise en compte de la végétation par une approche porosité-traînée.

Î La turbulence est modélisée de manière statistique avec un schéma de fermeture de type k-ε.

Î Validation dans de nombreux cas (Foudhil et al., 2005 ; Dupont et Brunet, 2008).

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0 0.5 1 1.5 2 2.5

LAD (m² m^-3)

z (m)

LAD LADx LADz

(28)

(Bainbridge and Stedman, 1979)

N

Vent

source de Lycopodium

mât avec pièges à spores

(m)

z(m)

4 6 8 10 12

1 2 3

4 0.055

0.05 0.045 0.04 0.035 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005

spore m^-3

(29)

(30)

Maize target field a) Montargis

0 3 10 50 x (m) h_m

Δh_t

Maize source plot

Δl

Bare soil

Maize source plot

Wheat b) Grignon (S0)

h_w/s h_m

Δh_t

Δl 0 3 10 x (m)

Maize source plot c) Grignon (S1 and S2)

Stubble h_m

Δh_t

Δl 0 3 10 x (m)

Paramètre de traînée (m^-1) Parcelle émettrice

Bande de sol nu VENT

(Dupont, Brunet and Jarosz, 2006)

(31)

0 3 10 50 x (m) h_m

Δh_t

Maize source plot

Δl

Bare soil

Maize source plot

h_w/s h_m

Δh_t

Δl 0 3 10 x (m)

Stubble h_m

Δh_t

Δl 0 3 10 x (m)

x (m)

z(m)

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

2 4 6 8 10

0.18 0.14 0.1 0.06 0.02 -0.02 -0.06 -0.1

<u₃> (ms^-1) b)

x (m)

z(m)

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

2 4 6 8 10

0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05

E (m²s^-2) c)

x (m)

z(m)

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

2 4 6 8

10 2.7

2.4 2.1 1.8 1.5 1.2 0.9 0.6 0.3 0

<u₁> (ms^-1) a)

Montargis (R6)

x (m)

z(m)

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80

2 4 6 8

10 130

119 108 97 86 75 64 53 42 31 20

<C> (grain m^-3) d)

(32)

0 3 10 50 x (m) h_m

Δh_t

Maize source plot

Δl

Bare soil

Maize source plot

h_w/s h_m

Δh_t

Δl 0 3 10 x (m)

Stubble h_m

Δh_t

Δl 0 3 10 x (m)

Grignon (S0)

Grignon (S1) Montargis

<C>/C_ref(grains m^-3)

z(m)

0 0.5 1

0 2 4 6 8 10

z(m)

0 0.5 1

0 2 4 6 8 10

z(m)

0 0.5 1

0 2 4 6 8 10

z(m)

0 0.5 1

0 2 4 6 8 10

x (m) D(grainsm-2s-1)

-40 -20 0 20 40 60 80

0 20 40 60 80

-40 -20 0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 100

-40 -20 0 20 40 60 80

0 20 40 60 80 100

<u₁>/U_ref(m s^-1)

z(m)

0 0.5 1 1.5 2 0

2 4 6 8 10

<u₁>/U_ref(m s^-1)

z(m)

0 0.5 1 1.5 2 0

2 4 6 8 10

<u₁>/U_ref(m s^-1)

z(m)

0 0.5 1 1.5 2 0

2 4 6 8 10

<u₁>/U_ref(m s^-1)

z(m)

0 0.5 1 1.5 2 0

2 4 6 8 10

Grignon (S2)

-40 -20 0 20 40 60 80

0 50 100 150

(a) (b) (c)

(33)

Champ de concentration (a), dépôt par impact (b) et dépôt par sédimentation (c)

x (m)

z(m)

-50 0 50 100 150

5 10 15 20

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

(^grains^m⁻³)

C

x (m)

z(m)

-50 0 50 100 150

2

4 10 30 50 70 90 110 130 150 170

Dépôt par sédimentation (grains.m^-3s^-1)

x (m)

z(m)

-50 0 50 100 150

2

4 10 30 50 70 90 110 130 150 170

Dépôt par impact (grains.m^-3s^-1)

(a)

(b)

(c)

(34)

x (m)

z(m)

-100 -50 0 50 100 150

5 10 15 20

Pollen

(calculs réalisés à Ephyse)

(35)

100 m

Forested areas

Forested areas destroyed in 99

Outside forested areas

Buildings

(36)

(m)

z(m)

500 600 700 800 900 1000 1100 1200

20 40

60 _0.012

0.0108 0.0096 0.0084 0.0072 0.006 0.0048 0.0036 0.0024 0.0012 0

C_dA_f(m^-1)

18m above the ground

(Dupont and Brunet, 2006)

(37)

http://www.savoirs.essonne.fr/dossiers/la-vie/biologie-genetique/article/type/0/intro/ogm-finalement-quels-risques/

Dupont and Brunet (2007)

Î Approche LES (Large-Eddy Simulation) Î Code ARPS

(38)

0 10 20 30 40 50 60 70 16

14 12 10 8 6 4 2 0

Distance x (m)

Hauteur z(m) Parcelle

émettrice

trajectoires

du = a_udt + b_udξ_u dx = u dt

dw = a_wdt + b_wdξ_w dz = (w -V_s)dt a_u, b_u, a_w, b_w = f(U, W, , , , σ^u² σ²_w u'w' T_L’)

(39)

• Dépôt sur la végétation par sédimentation et impaction

sédimentation impaction

D^v = f(V_s, LAD_x) + f(U, LAD_z, E)

0 100 200 300 400 500

3.7 4.9 6.5 8.5 11.1 14.6 19.2 25.2 33.1 43.4 57.0 74.8 V_s (cm s^-1)

Grains de pollen

• Distributions de V_s

(40)

Concentration en pollen ou

Niveaux de fécondation

Dispersion à courte distance : bilan

1. Décroissance forte en aval de la source

- 95-99% du pollen se dépose dans les 50 premiers mètres - résultats variables d’une expérience à l’autre

Nombreuses

expérimentations

(Wilhelm et al., 2005)

(41)

2. Influence de la direction et de la vitesse du vent Nombreuses

Niveaux de fécondation

(Wilhelm et al., 2005)

(Messéan et al., 2007)

X 2

(42)

3. Influence des « obstacles » (pièges à pollen) Nombreuses

x (m)

z(m)

-100 -50 0 50 100 150

5 10 15

20 Pollen

(calculs réalisés à Ephyse)

(43)

4. Influence de la taille et de l’orientation des parcelles Nombreuses

Forte contamination potentielle

Faible contamination potentielle

(44)

5. La concentration et le dépôt de pollen ne tendent pas vers 0 Nombreuses

x

(Bannert and Stamp, 2007)

Queues de distribution

« épaisses »

(45)

(46)

A. stolonifera, a perennial grass

(Watrud et al., 2004, PNAS)

Mise en évidence de pollinisation à longue distance

(47)

1. Introduction

Plan

(48)

~ 1000-2000 m

~ 10-100 m

Atmosphère libre Couche d’inversion

Couche mélangée

Couche de surface

Dispersion à longue distance

(49)

Dispersion à longue distance : caractérisation

Bilan

24 vols de 2002 à 2005

région

Concentration

Viabilité Prélèvement

(50)

0 500 1000 1500 2000

0 20 40 60 80 100

% Viability

z (m)

0 500 1000 1500 2000

0 50 100 150 200

Nb pollen grains

z (m)

11h00 14h00 17h00 19h30

(51)

0 200 400 600

10 12 14 16 18 20

Temps (h)

Nombre total de grains

0 10 20 30 40 50

Viabilité (%)

(52)

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50

0 1 2 3

C/Cav

z/h

Concentrations moyennes de 0.2 à 1.2 gp/m³ (1 gp/m³~ 10⁷gp/ha)

0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50

0 10 20 30 40 50

% Viability

z/h

(53)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

0 50 100 150 200 250 300

Temps d'exposition en minute

Teneur en eau en %

13°C 11°C 20°C 25°C 30°C 35°C

Grains de pollen de la variété NAUDI soumis à des flux d'air de 11°C, 13°C, 20°C, 25°C, 30°C et 35°C

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0 50 100 150 200 250 300

Temps d'exposition en minute

Viabilité en %

Teneur en eau Viabilité

Dispersion à longue distance : viabilité

(54)

Mesures en chambre

0 60 120 180 240 300 360

0 5 10 15

Déficit de Saturation (g/kg)

Durée de vie (min)

Vol G (16 juillet 2004)

0 500 1000 1500 2000 2500

0 5 10 15 20 25 30

T (°C) et def (g/kg)

z (m)

Température

Déficit de saturation

(55)

Vol G (16 juillet 2004)

0 500 1000 1500 2000 2500

0 1 2 3 4 5

Durée de vie (h)

z (m)

(56)

Observations sur des petites parcelles isolées de maïs à grains blancs

Castré: taux de croisement ≈

0.1%

Observations de fécondations à plusieurs km de distance des plus proches champs de maïs

Non castré: taux de croisement ≈

0.01- 0.04 %

Dispersion à longue distance : fécondation

(57)

1. Mesures aéroportées dans les 2000 premiers mètres

On trouve du pollen dans les 2000 premiers m, avec des évolutions marquées dans le temps et l'espace

et qui montre une bonne viabilité.

2. Mesures en chambre de la viabilité du pollen

La durée de vie dépend du déficit de saturation de l'air.

Les conditions thermodynamiques dans la couche limite augmentent la durée de vie du pollen de plusieurs heures.

3. Observations en petites parcelles isolées de maïs blanc

Mise en évidence de fécondations à plusieurs km des plus proches champs de maïs (~ 0.1% pour du maïs castré, ~ 0.01-0.04% sinon).

(Brunet et al., in prep.)

Dispersion à longue distance : bilan

(58)

x x

Dispersion locale

Couvert végétal

Dispersion courte distance

Couche limite de surface

x

Dispersion longue distance

Couche limite atmosph.

(59)

(60)

Besoin de modélisation à l'échelle régionale

• Etudier la dispersion et le dépôt de pollen viable sur une gamme de conditions atmosphériques et de types d'occupation du sol (résolution ~ 1 km, domaine ~ 300 km)

• L'aménagement paysager peut-il permettre d'augmenter les possibilités de coexistence ?

Dispersion à longue distance : modélisation

(61)

Simulation du transport régional avec Meso-NH

(un modèle méso-échelle 3D non-hydrostatique

développé par Météo-France et le Laboratoire d’Aérologie)

(62)

Equations de conservations pour le pollen vivant et mort - concentration en pollen

δC_al/ δt = adv + turb + gravité – T_a→d (N gr m^-3) - teneur en eau du pollen

δW_al/ δt = adv + turb + gravité – T_a→d – évap (kg m^-3)

gravité α V_s(θ) (Aylor, 2002)

T_a→d α dG(θ) / dt (Aylor, 2003)

évap α A(θ) (h_p(θ) – h_a] (Aylor, 2003)

(63)

Transport Viabilité

Sources

Emission Dépôt

Fécondation

(64)

Images SPOT

Champs de maïs Occupation du sol

Sud-Ouest, France

% maize area

% surface maïs

(65)

Modèle d'émission simple, unimodal

(66)

grains/m³

0 1 2 3

12h UTC

grains/m³

0 1 2 3

16h UTC

grains/m³

0 1 2 3

0 500 1000 1500 2000

obs.

model

z (m)

9h UTC

Concentration en pollen

% viability

0 20 40

16h UTC

% viability

0 20 40

12h UTC

% viability

0 20 40

0 500 1000 1500 2000

obs.

model

z (m)

9h UTC

Viabilité du pollen Transects sur ~ 12 km

à différentes altitudes et différentes heures

de la journée (12 juillet 2003)

(67)

(68)

(69)

Dépôt important sur les zones de maïs

"Bruit de fond"

entre les zones

Décroissance régulière en dehors

de la région

Dépôt de pollen viable cumulé sur la journée

(70)

y (km)

z(m)

100 150 200 250

0 500 1000 1500 2000 2500

1 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

18h UTC

gr/m³

South wind North

Un étude de cas :

simulation de la dispersion et du dépôt en aval

d'un champ isolé (10 juillet 2003)

champ fictif de 12 x 12 km

Distancefromthesource(km) Deposition(gr/m2)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10^-3100 10^-2 10^-1 10⁰ 10¹ 10²

y (km)

z(m)

100 150 200 250

0 500 1000 1500 2000 2500

0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

8h UTC

gr/m³

South wind North

y (km)

z(m)

100 150 200 250

0 500 1000 1500 2000 2500

25 10 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

14h UTC

gr/m³

South wind North

wind

(71)

Perspectives et conclusion

• Un outil reposant sur la modélisation méso-échelle, la télédétection, les Systèmes d'Information Géographique

• Les résultats confirment les données expérimentales et prédisent les mêmes ordres de grandeur pour la dispersion à longue distance

• Suite de l'évaluation : traitement de toutes les journées avec mesures aéroportées

• Besoin d'introduire la pollinisation effective

• Le modèle peut être utilisé pour tester l'influence des conditions atmosphériques, les types d'occupation du sol, les pratiques

d'aménagement du paysage.

(72)

Perspectives et conclusion

• Utilisation possible dans d'autres domaines :

- transport de pollens responsables d'allergies - écologie, paléo

- pathogènes (spores, champignons…) - microbiologie atmosphérique