Abstract :
[fr] Certains composés organiques volatils (COV) ont un impact significatif sur le climat et la qualité de l’air. Ils sont majoritairement échangés par les écosystèmes terrestres d’où leur appellation de COV d’origine biogénique (COVB). De nombreuses études ont donc été réalisées en vue de quantifier et de comprendre les échanges de COVB entre ces écosystèmes et l’atmosphère.Cependant, les écosystèmes agricoles ont jusqu’à présent été peu investigués, et ce malgré leur importance à l’échelle mondiale en termes de surface occupée. C’est pourquoi cette thèse est dédiée aux échanges écosystème-atmosphère de COVB pour les deux cultures les plus importantes à l’échelle mondiale, à savoir le blé et le maïs.
Quatre objectifs ont été poursuivis :
- Qualifier,
- Quantifier,
- Comprendre les mécanismes des échanges de COVB de ces cultures et
- Evaluer la capacité des modèles d’up-scaling (actuellement utilisés par les modèles de chimie atmosphérique pour simuler les émissions de COVB par les écosystèmes terrestres) à reproduire les échanges observés dans le cadre de cette thèse.
Pour cela, trois campagnes de mesure ont été menées à l’Observatoire Terrestre de Lonzée (LTO, Belgique) : la première sur un champ de maïs, la deuxième sur un champ de blé et la troisième sur un sol nu. Les flux de COVB ont été mesurés à l’échelle de l’écosystème en utilisant la technique de covariance de turbulence disjointe par scanning des masses, avec un spectromètre de masse pour la mesure des concentrations ambiantes de COVB, pendant l’entièreté (maïs) ou la majorité (blé) de la saison de croissance des plantes. Ces campagnes de mesure sont originales notamment par leur grande résolution temporelle combinée à une excellente couverture temporelle, permettant de caractériser de manière détaillée et in situ tous les stades végétatifs.
Le champ de maïs et le champ de blé ont tous deux principalement échangé du méthanol. Les échanges étaient bidirectionnels, mais les émissions ont dominé les dépositions. Les flux étaient corrélés à la température, au rayonnement et au flux de vapeur d’eau. Ils étaient également influencés par la phénologie des plantes (croissance de biomasse foliaire et aérienne).
De plus, le sol a échangé des quantités significatives de COVB, le méthanol étant le composé majeur. Ce résultat est original puisqu’il contredit le postulat général supposant que les échanges de COVB du sol sont d’un à trois ordres de grandeur plus faible(s) que ceux des plantes. Les échanges de méthanol par le sol étaient régulés par un phénomène physique d’adsorption-désorption couplé à une source qui dépendait de la température de surface. Ils diminuaient ensuite avec le développement de la canopée.
Ensuite, le modèle d’up-scaling testé est parvenu à simuler les échanges de méthanol observés au LTO entre le champ de blé et l’atmosphère lorsque la canopée était bien développée, de sorte que les échanges du sol étaient réduits. Plusieurs paramètres du modèle ont toutefois dû être fortement modifiés lors de l’ajustement du modèle, faute de quoi ce dernier surestimait les échanges d’un facteur trois.
Enfin, les quantités échangées variaient fortement entre cette étude et les autres études menées sur des écosystèmes agricoles. De manière plus générale, nous avons observé de fortes différences d’échanges entre l’ensemble des études pour une même espèce agricole cultivée et pour des conditions de température, de rayonnement et de phénologie similaire.
Grâce à des campagnes de mesures étendues qui ont permis d’analyser les dynamiques temporelles des COVB et leurs relations aux variables météorologiques et à l’écosystème (développement des plantes, sol), cette thèse apporte des valeurs originales de flux, de bilan, et de paramètres du modèle d’up-scaling De plus, elle a permis de mettre en évidence ou de suggérer certains mécanismes d’échanges, et ce pour les deux cultures agricoles les plus importantes à l’échelle mondiale et sous un climat tempéré, avec un sol limoneux et une gestion conventionnelle des cultures.
Ces résultats devraient aider à améliorer la performance des estimations des échanges en Europe du Nord-Ouest, où les conditions pédoclimatiques sont similaires à celles rencontrées au LTO, d’autant plus que les paramètres des modèles d’up-scaling se basent actuellement, pour les écosystèmes agricoles, sur des études réalisées sur des espèces peu importantes en termes de surface cultivée, ou sur des valeurs par défaut (par manque de mesures de flux de COVB).
Les facteurs à l’origine des différences d’échange de COVB pour une même espèce cultivée et des conditions météorologiques et phénologiques similaires devraient néanmoins être mieux contraints. Nous suggérons pour cela de comparer les échanges de COVB de différentes variétés des trois espèces agricoles principales à l’échelle mondiale, à savoir le blé, le maïs et le riz, en les soumettant à des conditions pédoclimatiques et des traitements variés. Les échanges de COVB des plantes devraient de surcroît être distingués de ceux du sol, afin de mieux comprendre les différences observées à l’échelle de l’écosystème.
[en] Some volatile organic compounds (VOC) have a significant effect on climate and air quality. They are mainly or partially exchanged by terrestrial ecosystems, hence they are called BVOC for biogenic VOC. Many studies were conducted in order to quantify and understand BVOC exchanges between these ecosystems and the atmosphere. However, so far croplands have been poorly studied yet, despite their importance in term of land use at the global scale. Therefore, this thesis focused on ecosystem-atmosphere BVOC exchanges for the two most important cultures worldwide, i.e. wheat and maize.
Four objectives were pursued:
- Qualify,
- Quantify,
- Understand the BVOC exchanges mechanisms for both cultures and
- Evaluate the ability of up-scaling models (currently used by atmospheric chemistry models to simulate BVOC emissions from terrestrial ecosystems) to reproduce the BVOC exchanges observed in the framework of this thesis.
For that purpose, three measurement campaigns were carried out at the Lonzée Terrestrial Observatory (LTO, Belgium): the first on a maize field, the second on a winter wheat field and the third on a bare soil. BVOC fluxes were measured at the ecosystem-scale by using the disjunct eddy covariance by mass scanning technique, with a mass spectrometer for BVOC ambient mixing ratio measurements, during the whole (maize) or the most part of the (winter wheat) growing season. These measurement campaigns are original especially because of their broad and high temporal coverage, which enabled to characterize all vegetation stages in situ and in details.
Both the maize and the winter wheat field exchanged mainly methanol. The exchanges were bidirectional but the emissions were much more important than the uptakes. The fluxes were correlated with the temperature, the radiation and the water vapor fluxes. They were also triggered by plant phenology.
In addition, the soil exchanged significant amounts of BVOC, methanol being the main exchanged compound. This result is original because it counteracts with the common assumption that soil BVOC exchanges are one to three orders of magnitude lower than plant BVOC exchanges. The soil methanol exchanges were driven by a physical adsorption-desorption process coupled with a methanol source which depended on soil surface temperature. They decreased along with the development of the canopy (leaf and above-ground biomass).
Then, the tested up-scaling model was able to reproduce the methanol exchanges observed at LTO between the winter wheat field and the atmosphere when the canopy was well established, so that soil exchanges were reduced. Several parameters of the model were nevertheless strongly modified to adjust the model to the data; otherwise the model overestimated the exchanges by a factor of 3.
Lastly, the BVOC exchange rates varied strongly between this study and the other studies conducted on croplands. More generally, we observed strong differences in BVOC exchange rates among all studies, and this even for the same cultivated crop species end under similar temperature, radiation and phenology conditions.
Thanks to the two broad measurement campaigns which enabled the analysis of temporal BVOC flux dynamics as well as their relationships with the meteorological variables and the ecosystem (plant development – soil), this thesis brings original values for the exchanges rates, the BVOC budget and the parameters for up-scaling models. In addition, it highlighted or made possible to suggest some exchange mechanisms and this for the two main crops species worldwide, under a temperate climate, with a silty loam soil and conventional crop management techniques.
These results should therefore help improving the performance of the models when estimating BVOC exchanges for that region, since they currently use parameters based on few representative species (in terms of cultivated surface) or default values (because of a lack of available flux data) for croplands.
The factors causing the differences in BVOC exchanges rates for a same crop species and under similar meteorological and phenological conditions should nevertheless be better constrained. For that purpose we suggest comparing the BVOC exchanges from several wheat, maize and rice varieties, which are the three main crop species in the world, in terms of cultivated area, under various pedoclimatic conditions and crop management practices. Plant and soil BVOC exchanges should furthermore be disentangled, in order to better constrain the exchange rate differences observed at the ecosystem-scale.
