Composition du jury

Jean-Louis Roujean, DR (CNRS), CESBIO/Toulouse – Rapporteur
Jean-Philippe Mevy, MCF (HDR), IMBE/Marseille – Rapporteur
Hélène Chepfer, PR, Sorbonne Université/LMD/Palaiseau – Examinatrice
Valerie le Dantec, MCF (HDR), Université-Toulouse III/CESBIO – Examinatrice
Véronique Bruniquel, Directrice des opérations, ACRI-ST – Invitée
Fabienne Maignan, IGR, LSCE/Gif-sur-Yvette – Invitée
Yves Goulas, IGR (HDR), LMD/Palaiseau – Co-directeur
Kamel Soudani, PR, Université Paris-Saclay/ESE – Co-directeur

Résumé

La Fluorescence chlorophyllienne Induite par le Soleil (SIF) est utilisée comme un proxy pour le suivi de la Productivité Primaire Brute (GPP) du couvert végétal à travers différents écosystèmes. Cependant, l’usage de SIF est entravé par les facteurs confondants (structure tridimensionnelle (3D) du couvert, propriétés biochimiques des feuilles, facteurs abiotiques, etc.).
Dans cette thèse, nous avons proposé d’utiliser des observations et des mesures de SIF, de réflectance, du rendement de la fluorescence active (FyieldLIF) et de GPP aux échelles spatiales large (TROPOMI et MODIS) et à l’échelle du couvert forestier adulte afin de quantifier et de comprendre les variations physiologiques de la végétation en conditions naturelles. Nous avons évalué la nature et la force des relations GPP vs SIF TROPOMI et la synergie SIF et réflectance satellitaire MODIS pour prédire la GPP dans une quarantaine de sites forestiers de mesures de flux de carbone couvrant les principaux biomes. Nous avons ensuite examiné les liens FyieldLIF et SIFy (SIF normalisé par le rayonnement photosynthétiquement actif, PAR) à partir de mesures in situ sur le site forestier ICOS de Fontainebleau-Barbeau en considérant notamment les effets combinés de la structure du couvert et les variations des conditions d’éclairement.
Enfin, nous avons étudié la dynamique saisonnière du SIF en conditions naturelles et sa relation avec la GPP en s’intéressant plus particulièrement aux effets des facteurs abiotiques. On constate que la force et la nature des liens GPP-TROPOMI SIF dépendent du site et du type de végétation, reflétant les effets de l’hétérogénéité spatiale et temporelle de la couverture végétale du pixel TROPOMI. En outre, la SIF et la réflectance issue des observations satellitaires MODIS prédisent plus de 80 % des variations temporelle de la GPP. Ce travail soutient qu’à des échelles spatiales larges, la réflectance pourrait être utilisée pour estimer la GPP et que l’usage de la SIF comme proxy de la GPP soulève la question de savoir si l’information physiologique liée à la photosynthèse issue de SIF pourrait être détectée à cette échelle.
Par ailleurs, à partir de mesures au sol effectuées sur le site de Fontainebleau-Barbeau, on montre que FyieldLIF n’est pas corrélé avec SIFy à l’échelle diurne à cause des effets combinés de la structure et l’angle solaire. On constate aussi que les dynamiques diurnes de SIF et de PAR incident décorrèlent lors des jours de ciel clair, mettant en évidence les effets importants de l’ombre projetée sur la SIF. On montre aussi que la SIF et la réflectance peuvent être utilisées pour prédire FyieldLIF. Le rapport Φk (SIFy/FyieldLIF) (indicateur des effets des facteurs confondants sur la SIF, liés à la structure et aux conditions d’éclairement) est corrélé à la réflectance et aux effets structure-géométrie solaire. On souligne que les liens GPP-SIF et leurs variations dépendent de l’échelle temporelle considérée.
Plus spécifiquement, à l’échelle saisonnière, on observe que les variations de GPP, SIF, SIFy et FyieldLIF répondent au développement structurel et biochimique du couvert végétal, ainsi qu’aux facteurs abiotiques. Pendant les périodes météorologiques de vagues de chaleur et de stress hydrique édaphique, on constate que d’une part SIF-VIs (NDVI, NIRv et mNDI) et d’autres part SIF-PAR ne sont pas corrélés, tandis que GPP, SIF et FyieldLIF diminuent fortement. Ceci indique que SIF et FyieldLIF peuvent être utilisés pour suivre la photosynthèse du couvert en conditions de stress alors que les VIs ne peuvent pas. Cette réponse spécifique de SIF et FyieldLIF comparé aux VIs souligne l’intérêt croissant de l’usage de SIF comme proxy de la GPP dans des conditions climatiques changeantes. Toutefois, à l’échelle diurne, les interactions entre la structure de la canopée et la géométrie du soleil affectent fortement la SIF provoquant une décorrélation ente la SIF et la GPP.

Abstract

Sun-Induced chlorophyll Fluorescence (SIF) is used as a tool to monitor Gross Primary Production (GPP) across different ecosystems. SIF is important to understand the global carbon cycle under changing climate conditions. However, the use of SIF to probe variations in GPP is challenged by confounding factors (canopy biochemical properties, abiotic factors, etc.). In this thesis, we proposed to use multiple scale measurements (spaceborne with the TROPOMI and MODIS sensors, and ground-based) of SIF, reflectance, GPP, and active chlorophyll fluorescence yield (FyieldLIF), useful to observe the physiological variations of the vegetation. In order, first, to evaluate the strength and the nature of the relationship between GP-SIF and to predict GPP using remote sensing metrics; second, to examine the relationship between FyieldLIF and SIFy (SIF normalized by the photosynthetically active radiation, PAR) and the effects of canopy structure and sun-canopy geometry on SIF signal, and third, to explore the influence of canopy structure, light intensity and abiotic factors on SIF and GPP variations and on their links.
We found that the strength and the nature of the links between GPP and TROPOMI SIF, across forty flux sites, depend on sites and vegetation types. Further, combined use of SIF and reflectance from satellite observations predicted over 80% of GPP variations. However, we observed that daily surface reflectance at different bands when taken as a whole outperformed daily TROPOMI SIF in predicting GPP, but the relative importance of variables in the random forest model using SIF and VIs (NDVI, PRI and NIRv) as inputs to predict GPP shows that SIF is the most important variable for predicting GPP. This result indicates that at a broad spatial scale, reflectances could be used to predict GPP and the use of SIF as a proxy of GPP raises the question of whether the physiological information related to photosynthesis contained in SIF could be detected at this scale.
Based on top-of-canopy measurements in Fontainebleau-Barbeau, we show that active FyieldLIF was not correlated with passive SIFy at the diurnal timescale due to sun-canopy geometry effects. We also observed that the diurnal patterns in SIF and PAR did not match under clear sky conditions, underlining the effects of shadows on the measured canopy SIF. We also showed that the SIF and the reflectance can be used to predict FyieldLIF, while Φk =SIFy/FyieldLIF (an indicator of the interaction between canopy structure and irradiance geometry) is strongly correlated with reflectance and sun-canopy geometry. The analyses show that the links between GPP and SIF and their variations, resulting from ground-based measurements, depend on the temporal scale considered. More specifically, at the seasonal scale, we observed that variations in GPP, SIF, SIFy and FyieldLIF respond to the structural and biochemical development of canopies and to variations in abiotic factors, especially during the heatwaves in 2022.
During these extreme weather conditions, we observed that, on one hand, SIF and VIs (NDVI, NIRv and mNDI), and on the other hand, SIF and PAR are not correlated, while GPP, SIF and FyieldLIF strongly decreased. This indicates that SIF and FyieldLIF can be used to monitor impact on photosynthetic activity under stress conditions, while VIs cannot. This specific response of SIF and FyieldLIF compared to VIs highlights the growing interest in the use of SIF as a proxy of GPP under changing climate conditions. However, at the diurnal scale, the interactions between canopy structure and sun geometry, as well as the light intensity control the variations in SIF and GPP and their links. We strongly recommend the use of the synergy between reflectance, SIF and active fluorescence measurements to better understand the dynamics of SIF and its link to GPP in other vegetation types at the canopy scale.