Section 6.06 IV.4. Modélisation des flux de
carbone avec le modèle CASS
La possibilité de modéliser les flux de carbone
dans des écosystèmes est un aspect central dans l'étude
des changements climatiques. Le modèle CASS permet de faire de la
simulation des flux de carbone dans les écosystèmes terrestres
majeurs. Les écosystèmes de savane y sont bien
représentés avec une possibilité de définir les
caractéristiques des écosystèmes particuliers ou des
variations subtiles qui se traduisent par une modification du bilan du carbone.
Le modèle prend en compte la litière, la dynamique du carbone
dans le sol, et le carbone restant des produits ligneux récoltés
(fabrication de papier, bois de chauffe, de construction, etc.). Dans ce
modèle, le carbone atmosphérique est fixé à travers
la photosynthèse et redistribué au niveau des feuilles, des
rameaux et des racines, une partie étant restituée sous forme de
respiration autotrophe. Les différentes portions du carbone
absorbé sont progressivement transférées
au sol à partir d'où elles peuvent rejoindre l'atmosphère
à travers la respiration hétérotrophe. La croissance des
plantes est fonction de la quantité de carbone qu'elles peuvent absorber
de l'atmosphère pour effectuer la photosynthèse. Ce taux
d'absorption du CO2 varie en fonction de la quantité de CO2 disponible,
des nutriments, de la température, de l'eau, de l'azote d'origine
atmosphérique, des types de formation, etc. La décomposition suit
une fonction exponentielle simple en relation avec la température et la
disponibilité des ressources en eau. L'effet des perturbations
liées aux feux de brousse et l'exploitation du bois peuvent être
pris en compte dans le modèle de la même façon que les
facteurs de modification du couvert végétal comme les changements
d'utilisation et d'occupation du sol.
(i) Il est très important aussi que les modèles
qui permettent d'établir le bilan de carbone soient basés sur des
processus physiologiques, plutôt que sur une présomption
d'homogénéité des formations végétales. En
effet, durant les prochaines décennies, les arbres seront exposés
à des changements non seulement de la concentration atmosphérique
de CO2 mais aussi peut-être à des variations extrêmes de
température ou de pluviométrie. Bien que des études
à court terme aient statué sur les effets de l'augmentation de
CO2 sur la croissance des formations forestières, il demeure que la
réponse des arbres et des forêts à des concentrations
élevées de CO2 et aux changements climatiques qui y sont
potentiellement associés reste à définir.
(b) IV.4.1. Description du modèle CASS
Le principe du modèle CASS est que les
écosystèmes terrestres peuvent être répartis en gros
dans trois réservoirs séparés : 1) le réservoir de
carbone de la végétation vivante, 2) le réservoir de
carbone de la végétation morte (litière), 3) le
réservoir de carbone du sol. Le modèle prend aussi en compte un
réservoir 4, constitué du carbone dans l'atmosphère, mais
juste pour voir son effet de fertilisation dans le processus de
photosynthèse. Des sousréservoirs peuvent être
définis dans chacun de ces grands groupes (figure 64).
Figure 64. Structure générale
simplifiée du modèle CASS
La principale entrée du modèle est le carbone
atmosphérique fixé par les plantes (PPN, gC/m2/an) et
les principales sorties sont le stock de carbone des différents blocs et
sous-blocs et le CO2 libéré dans l'atmosphère. Les
paramètres (af, ab, ar) sont les portions de carbone réparties
entre les feuilles, les branches et les racines ; af + ab + ar = 1. Le taux
à travers lequel le carbone de la végétation vivante est
transféré à la litière est défini par la
durée moyenne d'existence du carbone au niveau des feuilles, des
branches et des racines (Lf, Lb, Lr). Pour exemple, si Lf est de 5 ans, alors
1/5ième du carbone total des feuilles est perdu pour la
litière foliaire pour le même espace de temps.
Une fois que le carbone se trouve dans la litière, il
peut se produire trois choses : le carbone
Végétation Litière Sol
peut y rester jusqu'à l'année suivante, il peut
se retrouver dans l'humus du sol, la litière peut se décomposer
pour libérer le carbone dans l'atmosphère. L'humus peut subir une
décomposition et libérer le carbone ou le convertir en carbone
stable du sol.
Lf CO2
Flls Litièe fiaie
Les bases mathématiques du modèle combinent 8
équations différentielles simultanées et
af (-Hb)
Hlf
chaque équation décrit une des huit dynamiques
des 8 blocs de carbone. Ces équations
b Lb Llb
N nc p
traduisent la vitesse à laquelle le carbone des
différents blocs change dans le temps. Pour
Hlb Lh Ch
calculer le stock de carbone, ces équations sont
intégrées par le modèle utilisant l'algorithme
1
de 4ième ordre de Runge Kutte avec un
contrôle au pas de simulation.
a Llr
- Au niveau de la végétation
vivante
dC feuille, branche, racine/dt : traduit la vitesse
à laquelle le carbone passe des feuilles, branches, racines à la
litière.
- Au niveau de la litière
C_litière-feuille/L_feuille : traduit le taux
de transformation du carbone de la litière vers le
bloc humus. Le
second terme
`h_litière-feuille*C_litière-feuille/L_litière-feuille'
est la quantité
C C C C C
de carbone de la litière foliaire
décomposée, c'est-à-dire la portion qui retourne dans
? h ? h C ? (1 C
re felle
? lire branche
? litière racine
? hums hums )
L L L L L
l'atmosphère. Il en est de même pour les branches et
les racines.
- Au niveau du sol
Les trois premiers termes de l'équation traduisent les
gains en carbone à partir de trois
b
sources de litière. Le quatrième terme est une
conversion du carbone de l'humus du sol et le dernier exprime la
décomposition du carbone de l'humus du sol.
Le carbone fixé au sol s'exprime comme suit :
Quand une simulation est faite sur une zone avec une faible
végétation qui croît dans le temps, la PPN augmente
à un taux de 1,05 et la courbe prend une forme sigmoïdale (forme de
S) rendue par la formule suivante :
Le terme a contrôle la vitesse de l'augmentation de la
PPN.
Dans ce modèle on peut inclure des modifications de
variables climatiques comme la température, le CO2 atmosphérique,
l'humidité du sol, la fertilisation du sol, le rythme de la
décomposition de la matière organique, etc. Le poids des blocs
est fonction du taux de fixation et de libération du carbone
Le principe de modélisation de la dynamique du carbone
est basé sur le bilan entre la quantité de carbone qui entre dans
le système par le processus de la photosynthèse et celle qui en
sort par la consommation des herbivores, les pertes de feuilles, etc.
Ces équations de base permettent de comptabiliser les
flux de carbone entre les trois réservoirs terrestres que sont la
biomasse vivante, la litière et le carbone du sol. A partir de la
synthèse des plantes qui fixent le CO2, la respiration autotrophe et
hétérotrophe est déduite des quantités de carbone
fixées ; ensuite le modèle prend en compte les perturbations de
différente nature : feux de brousse, coupe, changement d'utilisation des
terres, changement d'occupation des sols, etc. Pour chacun de ces processus, la
modification des stocks et des flux de carbone dépend de la durée
du phénomène et de son ampleur. Les principales composantes du
modèle sont montrées à la figure 65.
Figure 65. Diagramme logique du modèle
CASS (Roxburgh, 2004)
PPG (Productivité Primaire Globale) ; PPN
(Productivité Primaire Nette) ; PNE (Productivité Nette de
l'Ecosystème) ; PNB (Productivité Nette du Biome).
Le modèle CASS permet alors d'observer les grands
processus qui interagissent pour caractériser les trajectoires du
carbone dans les écosystèmes terrestres. Aussi, dans un souci de
transparence et de simplicité, ce modèle accorde une grande
importance à la description simple des processus écologiques.
Cependant ses deux principales limites sont :
- qu'en conditions réelles, les cycles de carbone de l'eau
et des nutriments évoluent en
parallèle et interagissent ; les autres cycles agissant
comme des facteurs extérieurs
(facteurs de modification des scénarios `environmental
modifiers') ;
- et que la croissance y suit le schéma de la
`productivité maximale' spécifiée et modifiée en
fonction des facteurs écologiques.
La prise en compte des différents paramètres est
indiquée à la figure 66, qui détaille l'architecture du
modèle codifié en VBA-Excel (voir reprise des codes à
l'Annexe 4).
Figure 66. Exemple de configuration du
modèle CASS
Perturbation Changement d'occupation du sol
00 CO2
Section 6.07
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