Soutenance de thèse de LEGROS Thibaud
Titre de thèse
La litière des forêts méditerranéennes comme source d'émission de Composés Organiques Volatils Biogéniques (COVB) dans un climat plus aride : quelles conséquences atmosphériques à l'échelle régionale ?
The litter of Mediterranean forests as a source of Volatile Organic Compounds (VOC) emission in a drier climate: what are the consequences for air quality on a regional scale?”
Résumé de la thèse
Les émissions de Composés Organiques Volatils Biogéniques (COVB) de la canopée sont caractérisées depuis les années '80 et leur contribution à la formation d'O3 a été quantifiée de l'échelle régionale (région Sud-PACA) à l'échelle globale. Cela contraste avec les émissions de COVB des sols et de leur litière qui restent rarement caractérisées y compris dans la région méditerranéenne alors qu'elle est fortement concernée par la pollution à l'O3 et qu'elle représente un point chaud du changement climatique ce qui pourrait impacter rapidement les flux de COVB. Pour combler ce manque de connaissances, ce travail de thèse présente un double volet. D'une part, le volet expérimental a pour but de caractériser les flux de COVB des sols recouverts de litière dans deux formations forestières typiques de la région méditerranéenne : la forêt décidue de Q. pubescens au sein de la plateforme expérimentale in natura de l'O3HP - où les COVB ont été mesurés en temps réel par PTR-ToF-MS - et la forêt mixte de P. halepensis et Q. ilex au sein du site in natura de Fontblanche où les COVB ont été étudiés via des analyses off-line par GC-MS. Ces flux ont été mesurés à la fin du printemps ou en été respectivement en conditions de stress hydrique naturel (SN) et de stress hydrique amplifié sur le long-terme (SA), via des dispositifs de restriction des précipitations mis en place depuis 10 ou 9 ans respectivement. D'autre part, le volet de modélisation a permis d'évaluer la contribution actuelle des sols (recouverts de litière) des forêts (feuillus et de conifères) de la région Sud-PACA à l'aide de l'algorithme de Tingey. Ces émissions ont ensuite été comparées à la fois avec les émissions de COVB dans un scénario futur plus sec et avec les COVB émis par la canopée modélisée via MEGAN. Enfin, la formation d'O3 a été estimée via le modèle CHIMERE. Le volet expérimental illustre que le sol (couvert de litière) de la forêt mixte se caractérise par un facteur d'émission (émissions à 30°C) de COVB important (184 µgC.m-2.h-1 en moyenne) formé par des monoterpènes et des sesquiterpènes compte tenu principalement de la participation de P. halepensis à ces émissions. La forêt décidue se caractérise en revanche par un facteur d'émission plus faible (22 µgC.m-2.h-1 en moyenne) de composés hautement volatils (acétone et acétaldéhyde). Dans les deux cas, le flux total des COVB des sols diminue très fortement en conditions de SA (84% à Fontblanche et 43% à l'O3HP). En termes de modélisation, les flux de COVB des sols forestiers représentent, à l'échelle de la région Sud-PACA et pendant l'été 2022, 26 tC.jour-1 sous SN et 7 tC.jour-1 sous SA, ce qui induit une augmentation de 4% et 2% (respectivement) de la concentration en O3 à l'échelle de la région.
Mots clés : décomposition de la litière, émissions de COVB du sol, ozone, déficit hydrique amplifié, modélisation, échelle régionale
Thesis resume
Biogenic volatile organic compound (BVOC) emissions from canopy have been characterized since the 1980s, and their contribution to O3 formation has been quantified from the regional scale (South PACA region) to the global scale. This contrasts with BVOC emissions from soils and litter, which remain rarely characterized, even in the Mediterranean region, despite the fact that it is highly concerned by O3 pollution and represents a hotspot for climate change, which could rapidly impact BVOC fluxes. To fill this gap, this thesis work is structured in two parts. On the one hand, the experimental part aims to characterize BVOC fluxes from soil covered by litter in two forests typical of the Mediterranean region: the deciduous forest of Q. pubescens within the O3HP in natura experimental platform, where VOCs were measured in real time by PTR-ToF-MS, and the mixed forest of P. halepensis and Q. ilex within the Fontblanche in natura site, where BVOCs were studied via off-line GC-MS analyses. These fluxes were measured in late spring or summer respectively under conditions of natural drought (ND) and long-term amplified drought (AD), using precipitation restriction devices set up for 10 and 9 years, respectively. On the other hand, the modeling part aimed to assess the current contribution of forests (deciduous and coniferous) of the South-PACA region to soil BVOC emissions under the current and natural drought using the Tingey algorithm. These emissions where then compared to both soil BVOC emissions in a drier future scenario and canopy BVOCs modeled via MEGAN. Eventually, the modeling exercises allowed to assess the participation of forest soil BVOC to O3 formation via the CHIMERE model. The experimental part illustrates that the soil (covered with litter) of the mixed forest is characterized by a significant emission factor (emissions at 30°C) of BVOC (184 µgC.m-2.h-1 on average) formed by monoterpenes and sesquiterpenes, mainly due to the contribution of P. halepensis. The deciduous forest, on the other hand, is characterized by a lower emission factor (22 µgC.m-2.h-1 on average) formed by highly volatile compounds (acetone and acetaldehyde). In both cases, the total BVOC flux from the soil decreases significantly under AD conditions (84% at Fontblanche and 43% at O3HP). In terms of modeling, BVOC fluxes from forest soils represent, at the scale of the South PACA region during the summer of 2022, 26 tC.day-1 under ND and 7 tC.day-1 under AD, which leads to a 4% and 2% increase (respectively) in O3 concentration across the region.
Keywords: litter decomposition, soil BVOC emissions, ozone, amplified drought, modeling, regional scale