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Determinism of the seasonnal variations in delta13C of the organic matter within deciduous trees in temperate climate, an experimental and modeling approach

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Composition biochimique Thèses et écrits académiques Hêtre tortillard Chêne sessile Modèle mécaniste Discrimination isotopique

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Modélisation.et.étude expérimentale.du.déterminisme des variations intra-annuelles du delta13C de la matière organique au sein d’arbres décidus en climat tempéré

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Modélisation.et.étude expérimentale.du.déterminisme des variations intra-annuelles du delta13C de la matière organique au sein d’arbres décidus en climat tempéré

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A l’échelle de l’arbre (de la feuille à la plante entière), le δ13C de la matière organique est généralement considéré à différentes échelles temporelles (de l’instantané à la saison de croissance) comme un intégrateur des processus physiologiques et des conditions environnementales prévalant lors de l’assimilation du CO2 (Ehleringer et al. 1988 ; Guehl et al. 1993). En particulier, les cernes de croissance constituent potentiellement une archive physiologique et climatique facilement datable au pas de temps annuel. Il est maintenant considéré que ces informations pourraient être obtenues à une résolution temporelle infra-annuelle par l’étude des variations du δ13C au sein même du cerne. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier le déterminisme de ces variations intra-annuelles et de préciser quelles sont les informations physiologiques et environnementales qu’il est possible d’extraire du signal isotopique saisonnier au sein du cerne. Notre approche a tout d’abord consisté à étudier expérimentalement une partie des processus pouvant influencer, lors de la croissance, les variations de composition isotopique de la matière organique des feuilles, des tiges et du cerne de l’année en se focalisant sur la composition biochimique et la discrimination lors de la respiration. Les modèles d’étude étaient des espèces décidues de climat tempéré (Q. petraea et F. sylvatica). Dans un second temps, les connaissances issues de ces expérimentations ainsi que celles de la littérature ont été utilisées pour élaborer un modèle mécaniste simulant le bilan isotopique du carbone à l’échelle de l’arbre. Ce modèle a été couplé à CASTANEA, un modèle simulant le bilan carboné, hydrique et énergétique à l’échelle d’un peuplement forestier, puis calibré et validé sur des mesures de variations intra-annuelles de δ13C au sein de cernes de chênes prélevés en forêt de Barbeau (site ECOFOR et CARBOEUROPE-IP). Notre étude a montré (1) que les variations saisonnières du δ13C de la matière organique des feuilles, des tiges et du cerne sont peu influencées par les variations de composition biochimique (teneurs en lignine et holocellulose en particulier) et sont liées principalement à la dynamique de mobilisation des réserves en début de croissance et à l’influence des conditions environnementales sur la discrimination photosynthétique pendant le reste de la croissance, (2) que la corrélation entre signature isotopique de la matière organique du cerne dans le bois d’été et conditions climatiques (ici, principalement l’humidité relative et le VPD) pouvait être expliquée physiologiquement à l’échelle intra-saisonnière et (3) que le signal isotopique dans le cerne relatif aux changements intra-saisonniers des conditions climatiques est fortement atténué relativement à celui au niveau des feuilles. At tree-scale, organic matter δ13C is generally considered as an integrator of physiological processes and environmental conditions prevailing during CO2 assimilation process (Ehleringer and al. 1988; Guehl and al. 1993). In particular, tree rings constitute a physiological and climatic archive easily datable at a yearly timestep. It is now considered that this information could be extracted at an intra-annual resolution from the intra-ring δ13C variations. The main objective of this thesis was to study the determinism of these intra-seasonal variations and to specify what are the physiological and environmental information that it is possible to extract from the δ13C signal within rings. Our approach consisted first in studying experimentally a part of the processes likely to influence, during growth, the variations of the bulk matter δ13C in leaves, stems and current-year ring by focusing on the biochemical composition and the respiratory discrimination. The studied species were deciduous trees: european beech (F. sylvatica L.) and sessile oak (Q. petraea Matt.(Liebl.)). In a second step, data from these experiments as well as literature data have been used to elaborate a mechanistic model simulating the carbon isotopic balance at tree-scale. This model has been coupled with CASTANEA, a model simulating the carbon, water and energy balances at stand-scale, then calibrated and validated on measurements of intra-annual variations of δ13C within oak rings, sampled in the Barbeau forest (ECOFOR and CARBOEUROPE-IP site). Our study has shown (1) that the intra-annual variations of the δ13C of the organic matter of leaves, stems and ring are little influenced by variations in biochemical composition (in particular, lignin and holocellulose contents) and are mainly related to the mobilization of carbon reserves at the beginning of growth and to the influence of environmental conditions on the photosynthetic discrimination during the rest of the growth, (2) that the correlation between the bulk matter δ13C of the latewood and climatic conditions (mainly relative humidity and VPD) can be physiologically explained at intra-seasonal scale and (3) that there is a strong attenuation of the carbon isotopic signal in relation to the changes in climatic conditions from the leaf to the ring.

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Text

n19:P1001

n20:T1009

rdaw:P10219

2008

rdau:P60049

n22:1020