Modélisation de la biomasse et de la minéralomasse

Programme Bioénergies Edition 2008

Saint-André L., Genet A., Jonard M., Wernsdorfer H., Franoux L., Conil S., Santenoise Ph., Legout A., Ranger J., Bouvet A., Nys C., Turpault MP., Calvaruso C., Vallet P., Longuetaud F., Meredieu C., Augusto L. Berthelot. A., Bastien J-C., Ponette Q., Hounzandji P-

I., Deleuze C.

Modélisation de la biomasse

et de la minéralomasse

Biomasse / Minéralomasse - Protocoles formalisés et partagés

Protocoles testés puis

améliorés lors des campagnes

Publication de référence

(Editeur FAO et Cirad) sur la

Mesures de biomasse-minéralomasses centralisées, données partagées

(C, N, P, K, Ca, Mg, S, Na, Mn, Al) MIRS Anciennes données BEF

Résineux 176 échantillons

EMERGE Campagne 2009 32 hêtres, 23 érables sycomore, 1 tilleul, 8 bouleaux, 5 réserves chêne, 5 réserves hêtre, 10 charmes, 7 trembles, 9 érables champêtres

704

échantillons 2010 2010 2010-2011

tous été 2010 + tous été 2012

(NIRS-MIRS) EMERGE Campagne 2010

21 chênes, 8 chênes pubescents, 16 aulnes, 18 eucalyptus, 8 robinier, 24 chênes verts, 8 pin d’Alep, 8 bouleaux, 8 frênes, 8 Tilleuls

1118

échantillons 2011 392/1118 (sept

2012) 392/1118 (oct 2012)

392/1118 (sept 2012), tous finis

dec 2012 EMERGE Découpage Perche Trappe

Chronoséquence Chênes Sessile et Pédonculé (distribution aubier/bois de cœur, densité et éléments minéraux dans les tiges)

5250

échantillons 2012 20 à 30% (1ier

trimestre 2013) 20 à 30% (1ier trimestre 2013) tous (1ier trimestre 2013)

SYLVABIOM– Campagne 2010 Douglas, essai provenance (2 à 3 arbres par provenance)

510

échantillons 2011 Fait 144/510 Fait 144/510

144/510 (juil 2012), tous finis

dec 2012 SYLVABIOM– Campagne 2011 a

Cupressocyparis, Sequoia 190

échantillons 2012 Fait 52/190 Fait 52/190

52/190 (juil 2012), tous finis

dec 2012 SYLVABIOM– Campagne 2011 b

Mélèze, Douglas 376

échantillons 2012 Fait 118/376 Fait 118/376

118/376 (juil 2012), tous finis

dec 2012 SYLVABIOM– Campagne 2012 a

Mélèze 145

échantillons 2012 20 à 30% (4ième

trimestre 2012) 20 à 30% (4ième trimestre 2012) tous finis dec 2012 SYLVABIOM– Campagne 2012 b

Robinier, Cupressocyparis leylandii, TTCR Peuplier

148

échantillons 2012 20 à 30% (4ième

trimestre 2012) 20 à 30% (4ième trimestre 2012) tous finis dec 2012 15 arbres

27 arbres + 7 peuplements 30 arbres

38 arbres

1367 arbres sur 30 ans 102 arbres

127 arbres

103 arbres

30 arbres

Point en

Octobr

e 2012 Emerge + SylvaBiom = 472 arbres 4 ans

Ensemble des campagnes BEF = 1367 arbres en 30 ans

Apport financier EMERGE, ANDRA, ONF, et

Sylvabiom

Effet levier fort des projets ANR (ex Equipement)

Acquisition NIRS-MIRS par BEF pour démultiplier les mesures minérales

- Montage projet FEDER, janvier 2011, effet levier Projets ANR (68ke pour NIRS-MIRS)

- Acceptation Février 2011

- Lancement du marché Juin 2011 (3 concurrents)

- Essais machines Septembre 2011 sur échantillons EMERGE (2 concurrents) - Sélection et achat Septembre 2011

- Livraison fin novembre 2011

-0.5 0 0.5 1 1.5 2

2100 2600 3100 3600 4100 4600 5100 5600

NIR- Passage 1 NIR- Passage 2 NIR- Passage 3 MIR-Passage 1 MIR-Passage 2 MIR-Passage 3 Echantillon B2 (SYLVABIOM_DARNEY_109) -R&A - rep 1

Modélisation de la biomasse et de la concentration en éléments minéraux

Méthode de travail innovante

Progression par ateliers d’une semaine

(visioconférence le matin, tâches effectuées l’après midi)

8 à 10 chercheurs qui travaillent au même moment sur la même problématique, partage des tâches

Forte progression sur les cadres conceptuels d’analyse Travaux en simultané sur différentes essences ciblées par ACP

Résineux dryades : sapin, épicéa, séquoïa et douglas Résineux peu

tolérants à l'ombrage : pins, cèdre, mélèze

Feuillus à pores diffus : peuplier, saule, hêtre

Feuillus

sympodiaux : acacia, tilleul, orme

Autres bois très denses

Feuillus ZIP denses : chêne, châtaignier;

érable

DOUGLAS (142), PEUPLIER (105),

PIN MARITIME (207), EUCALYPTUS (188),

HETRE (238), CHENE (114)

Un enjeu majeur: la généricité pour

traiter les essences « orphelines »

Modélisation de la biomasse et de la concentration en éléments minéraux

Exemples de Résultats – cadre mathématique générique pour la biomasse

D2H = proportionnel au volume de l’arbre(=Vol * FacteurForme)

Et biomasse = volume

* densité du bois

D2H est donc très bien corrélé à la biomasse d’un arbre

β englobe la densité du bois et le paramètre de forme; il donne la proportionnalité entre le volume et la biomasse

α donne la biomasse de l’arbre juste avant qu’il

atteigne la hauteur de découpe

γ donne la proportionnalité entre les

incréments relatifs en volume et en biomasse si α=0, β et γ invariant en fonction du temps

Modélisation de la biomasse et de la concentration en éléments minéraux

Exemples de Résultats – cadre mathématique générique pour la biomasse

Utilisation de l’équation de base et de sa dérivée par rapport au temps pour étudier les valeurs des paramètres α, β et γ obtenues sur les différentes essences et leurs variations avec le temps (ajustements peuplement par peuplement) et al sylviculture

Branch

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

-1 0 1 2 3

log(Age) (years)

log(β) (adim)

Bole

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

log(Age) (years)

log(β) (adim)

Foliage

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

-1 0 1 2 3

log(Age) (years)

log(β) (adim)

Foliage

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

log(Age) (years)

log(β) (adim) European beech - France

Eucalyptus - Congo Eucalyptus - Brasil Eucalyptus - Brasil Eucalyptus - Brasil

Ex: Genet et al. 2011 (Forest Ecology and Management)

Hêtre et Eucalyptus présentent des schémas très similaires, voire identiques quant aux variations des paramètres des modèles avec l’âge

Modélisation de la biomasse et de la concentration en éléments minéraux

Exemples de Résultats – cadre mathématique générique pour la biomasse

Pontage avec les travaux sur la forme de la tige (cf exposé C. Deleuze), évolution vers des ajustements conjoints

forme-volume-biomasse

L’idée majeure étant d’ajuster les trois grandeurs avec le maximum de

données à chaque fois tout en

conservant le cadre conceptuel unique

Modélisation de la biomasse et de la concentration en éléments minéraux

Exemples de Résultats – modèle de concentration dans la tige, fort effet de la taille du compartiment

N (g/kg), wood+bark

0 1 2 3 4 5 6

Section diameter (cm) 0 10 20 30 40

Measured Predicted

N (g/kg)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Section diameter (cm) 0 10 20 30 40

Wood measured Bark measured Wood predicted Bark predicted

Conc. bois Conc. écorce Conc. Tot

(bois + écorce)

Ajustement simultané des trois équations avec

contraintes d’additivité (cf Parresol 2000, Saint-André et al. 2005, Genet et al. 2011)

Prise en compte d’un effet site nécessaire pour tous les éléments

H Wernsdörfer et al., article en cours de préparation

Exploration fine sur le Hêtre (données émerge)……

…… confirmée sur les échantillons sylvabiom

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Espèce Douglas - K (%)

Branches Tronc

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Espèce Douglas - Ca (%)

Branches Tronc

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

Espèce Douglas - Mg (%)

Branches Tronc

0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2

Espèce Douglas - Mn (%)

Branches Tronc

Modélisation de la biomasse et de la concentration en éléments minéraux

Colloque Bioénergies – 9 et 10 octobre 2012

Exemples de Résultats – modèle de concentration dans la tige, effet site à taille de compartiment fixée

Genet et al., article en cours de préparation

Exploration fine sur le Hêtre (données émerge)……

0.34 0.37 0.31 0.31

0.52 0.44 0.59 0.45

0.27 0.27 0.29 0.24

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5

0.05 0.04 0.07 0.05

0.17 0.15

0.03 0.05

0.09 0.11 0.10

0.09

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

2.2 4.3 3.4

3.7

1.9 1.9 2.8 1.9

3.1 3.5 3.0 3.6

0 2 4 6 8 10

0.8 0.8

1.1 0.81.2 1.0 1.1

1.1

1.3 1.4 1.4 1.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

0.25 0.22 0.34 0.25

0.11 0.11

0.140.12 0.140.11 0.11 0.12

0 0.5 1 1.5

0.02 0.02

0.01 0.01 0.01

0.02

0.06 0.09 0.08

0.03

0.06 0.06

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

2.6 2.8 2.7 2.7

15.9 21.0 33.6 40.2

7.1 5.0 6.0 6.8

0 10 20 30 40 50

0.42 0.48 0.44 0.34

0.47 0.47 0.45 0.44

0.58 0.53 0.68 0.62

0 0.5 1 1.5

0.09 0.09 0.09 0.07

0.09 0.16

0.38 0.39

0.07 0.09

0.06 0.05

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

455 457 458 456

400 420 440 460 480 500

457 461 459 433

400 420 440 460 480 500

459 459 458 460

400 420 440 460 480 500

g/kgg/kgg/kgg/kg

R R-C Bol A R R-C Bol A R R-C Bol A Tronc 4-7 (B+E)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Rendsol Rendisol- Calcisol

BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg Mg

P S

Tronc 4-7 (B+E)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Rendsol Rendisol- Calcisol

BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg Al

Mn Na Tronc 4-7 (B+E)

0 1 2 3 4 5 6

Rendsol Rendisol-Calcisol BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg Ca

K N Tronc 7-4cm (BE)

440 445 450 455 460 465 470

Rendsol Rendisol-Calcisol BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg

C

Tronc 4-7 (B+E)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Rendsol Rendisol- Calcisol

BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg Mg

P S

Tronc 4-7 (B+E)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Rendsol Rendisol- Calcisol

BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg Al

Mn Na Tronc 4-7 (B+E)

0 1 2 3 4 5 6

Rendsol Rendisol-Calcisol BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg Ca

K N Tronc 7-4cm (BE)

440 445 450 455 460 465 470

Rendsol Rendisol-Calcisol BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg

C

Tronc 4-7 (B+E)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Rendsol Rendisol- Calcisol

BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg Mg

P S

Tronc 4-7 (B+E)

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

g/kg Al

Mn Na

Tronc 4-7 (B+E)

0 1 2 3 4 5 6

Rendsol Rendisol-Calcisol BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg Ca

K N

Tronc 7-4cm (BE)

440 445 450 455 460 465 470

Rendsol Rendisol-Calcisol BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg

C

Tronc 4-7 (B+E)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Rendsol Rendisol-

Calcisol

BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg Mg

P S

Tronc 4-7 (B+E)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Rendsol Rendisol- Calcisol

BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg Al

Mn Na

Tronc 4-7 (B+E)

0 1 2 3 4 5 6

Rendsol Rendisol-Calcisol BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg Ca

K N

Tronc 7-4cm (BE)

440 445 450 455 460 465 470

Rendsol Rendisol-Calcisol BrunisolOligosat Alocrisol

g/kg

C

Stem d4-7cm (wood+bark) Stem d>7cm (wood) Stem d>7cm (bark)

Pédoséquence de Montiers. Seuls Ca et Mn diffèrent entre les différents type de sol:

Ca accumule dans l’écorce (alocrisol vers rendosol), Mn

accumule dans l’écorce ET dans le bois (rendosol vers alocrisol)

Modélisation de la biomasse et de la concentration en éléments minéraux

Exemples de Résultats – modèle de concentration dans la tige, effet site à taille de compartiment fixée

Mise en perspective avec les données « sol » prometteuse pour les éléments peu mobiles dans les arbres (Ca, Mn)

Ca, wood + bark

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10

Concentration in tree (g/kg)

Mn, wood + bark

0 0.1 0.2 0.3 0.4

0.01 0.02 0.03 0.04

Ca, wood

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

0 2 4 6 8 10

Concentration in tree (g/kg)

Mn, wood

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

0.01 0.02 0.03 0.04

Ca, bark

0 10 20 30 40 50 60

0 2 4 6 8 10

Exchangeable concentration in soil (g/kg) Concentration in tree (g/kg)

Mn, bark

0 0.2 0.4 0.6 0.8

0.01 0.02 0.03 0.04

Exchangeable concentartion in soil (g/kg) Ca, wood + bark

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10

Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg) Br04BE

Br47BE Tr47BE Linéaire (Br04BE) Linéaire (Br47BE) Linéaire (Tr47BE) Ca, wood + bark

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10

Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg) Br04BE

Br47BE Tr47BE Linéaire (Br04BE) Linéaire (Br47BE) Linéaire (Tr47BE) Ca, wood + bark

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10

Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg) Br04BE

Br47BE Tr47BE Linéaire (Br04BE) Linéaire (Br47BE) Linéaire (Tr47BE) Ca, wood + bark

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10

Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg) Br04BE

Br47BE Tr47BE Linéaire (Br04BE) Linéaire (Br47BE) Linéaire (Tr47BE) Ca, wood + bark

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10

Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg) Br04BE

Br47BE Tr47BE Linéaire (Br04BE) Linéaire (Br47BE) Linéaire (Tr47BE) Ca, wood + bark

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10

Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg) Br04BE

Br47BE Tr47BE Linéaire (Br04BE) Linéaire (Br47BE) Linéaire (Tr47BE) Small branch Stem (d4-7cm) Medium branch

Mn, wood

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg) Br>7 Tr>7 Linéaire (Tr>7) Linéaire (Br>7) Mn, wood

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg) Br>7

Tr>7 Linéaire (Tr>7) Linéaire (Br>7) Mn, wood

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg) Br>7 Tr>7 Linéaire (Tr>7) Linéaire (Br>7) Ca, wood + bark

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10

Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg)

Br04BE Br47BE Tr47BE Linéaire (Br04BE) Linéaire (Br47BE) Linéaire (Tr47BE) Stem (d>7cm) Coarse branch

Mn, bark

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg)

Br>7 Tr>7 Linéaire (Br>7) Linéaire (Tr>7) Mn, wood

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg)

Br>7 Tr>7 Linéaire (Tr>7) Linéaire (Br>7) Ca, wood + bark

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10

Exchangeable nutrient in soil (g/kg)

Concentration in tree (g/kg) Br04BE

Br47BE Tr47BE Linéaire (Br04BE) Linéaire (Br47BE) Linéaire (Tr47BE) Stem (d>7cm) Branch d>7cm

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Espèce Sequoia - Effet Site - Ca (%)

Bel Air Tarascon 0

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

Espèce Sequoia - Effet Site - Mn (%)

Bel Air Tarascon

Modélisation de la biomasse et de la concentration en éléments minéraux

CONCLUSION

1 - Les deux projets ont permis de faire un saut considérable dans la compréhension de la variabilité des volumes, de la biomasse et de la concentration en éléments minéraux dans les arbres

2 - Les bases de données constituées sont attractives à

l’échelle européenne et sources de collaborations très actives (UCL Belgique, TUM Allemagne, FAO Rome,….)

3 - la communauté de modélisateurs, créée et soudée

(données récoltées très riches, le travail se poursuivra au-delà

de la fin des deux projets)