Les terres cultivées ne sont pas seulement essentielles à la subsistance de la population humaine, mais se sont avérées être une unité importante dans le système climatique mondial. Avec l'expansion continue des terres cultivées en réponse à la croissance démographique, des stratégies d'atténuation sont nécessaires pour combattre et s'adapter au changement climatique imminent. De plus, une connaissance quantitative approfondie du bilan énergétique de surface est nécessaire pour prédire l'état futur de la terre et pour améliorer la gestion de l'eau sur les terres cultivées. Dans ces contextes, l'objectif de ma thèse est de contribuer aux connaissances basées sur le fonctionnement des terres cultivées, de comprendre les processus de transport dans la couche limite atmosphérique à travers l'évaluation du bilan énergétique de surface, et l'analyse du bilan énergétique et du bilan carbone.
Dans le cadre de la réalisation de ces objectifs, la première partie de ma thèse a étudié la fermeture du bilan énergétique sur deux sites de culture dans le sud-ouest de la France (Lamasquère (FR-Lam), et Auradé (FR-Aur)). Etant donné que la non-fermeture des mesures de covariance de Foucault (EC) est la norme, plutôt qu'une exception, l'approche adoptée dans cette étude a été d'étudier comment différents types de cultures à différents stades de croissance impactent le bilan énergétique. De plus, la contribution de certaines variables atmosphériques et de l'advection de chaleur sensible sur ce déséquilibre énergétique a été évaluée. Enfin, l'effet que les différentes pratiques de travail du sol ont sur la répartition de l'énergie a été étudié. Les résultats de cette étude ont révélé que le degré de fermeture est principalement dépendant du site, et que pour réduire l'écart énergétique observé, l'advection horizontale de chaleur latente doit être prise en compte.
Le deuxième objectif de ma thèse visait à évaluer et à comparer deux modèles de surface terrestre (Interaction entre le sol, la biosphère et l'atmosphère (ISBA) et Multi-Energy Balance (MEB)) dans l'estimation des flux d'énergie et d'eau sur FR-Lam. Ces modèles à source unique (ISBA) et multi-source (MEB) ont été validés sur 11 années (blé et maïs) de mesures de covariance de Foucault, et la capacité de partitionnement de l'évapotranspiration de ces modèles a été évaluée avec des mesures de flux de sève. Les résultats de cette étude ont permis de comprendre comment cette ressource en eau de plus en plus rare est allouée à la productivité des plantes, et quelle quantité est perdue par évaporation du sol. De même, étant donné qu'il s'agit de l'une des premières études d'évaluation du modèle MEB sur un site de culture, les résultats de notre analyse ont prouvé la nécessité de représenter explicitement le budget du sol et de la végétation tel qu'il est proposé par le modèle MEB, même sur une parcelle supposée homogène.
Enfin, en utilisant le modèle ISBA forcé avec des variables atmosphériques in-situ, les flux de carbone sur FR-Lam ont été estimés. La performance du modèle a été évaluée avec les observations du système de covariance des tourbillons et de l'algorithme de partitionnement de Reichstein. En outre, une étude comparative a été réalisée entre trois systèmes de respiration du sol. D'après les résultats de notre analyse, nous avons conclu que la capacité de séquestration de ce site peut être améliorée en plantant fréquemment des cultures de couverture, et que le labourage profond devrait être découragé. Dans l'ensemble, pour une meilleure estimation des flux de carbone, les pratiques de gestion agricole, la possibilité de développement des mauvaises herbes et d'autres pratiques culturales clés devraient être intégrées dans les modèles de surface du sol. |
Croplands are not only essential for the sustenance of the human population but have proven to be an important unit in the global climate system. With the continuous expansion of croplands in response to the growing population, mitigation strategies are required to combat and adapt to the impending change of climate. Also, in-depth quantitative knowledge of the surface energy balance is required for the prediction of the future state of the earth, and for improved water management over croplands. Within these contexts, the aim of my thesis work is to contribute to the knowledge based on the functioning of croplands, understand the transport processes within the atmospheric boundary layer through the assessment of the surface energy balance, and the analysis of the energy and carbon budget.
Within the fulfillment of these objectives, the first part of my thesis studied the energy balance closure over two crop sites in the southwest of France (Lamasquère (FR-Lam), and Auradé (FR-Aur)). Given that the non-closure of the eddy covariance (EC) measurements is the norm, rather than an exception, the approach this study adopted was to investigate how different crop types at different stages of growth impact the energy balance. Furthermore, the contribution of certain atmospheric variables and the sensible heat advection on this energy imbalance was assessed. Finally, the effect that the different tillage practices have on energy partitioning was studied. The outcome of this study revealed that the degree of closure is majorly site-dependent, and in order to narrow the observed energy gap, the horizontal latent heat advection must be considered.
The second objective of my thesis was aimed at evaluating and comparing two land surface models (Interaction between Soil-Biosphere-Atmosphere (ISBA) and Multi-Energy Balance (MEB)) in the estimation of energy and water fluxes over FR-Lam. This single-source (ISBA) and multi-source (MEB) models were validated over 11 years (wheat and maize) of eddy covariance measurements, and the evapotranspiration partitioning ability of these models was assessed with some sap flow measurements. The outcome of this study provided insights into how this increasingly scarce water resource is being allocated for plants productivity, and how much is lost through soil evaporation. Similarly, because this is one of the pioneering evaluation studies of the MEB model over a crop site, the outcome of our analysis proved the need to explicitly represent the soil and vegetation budget as offered by the MEB model even over the assumably homogeneous plot.
Finally, using the ISBA model forced with in-situ atmospheric variables, the carbon fluxes over FR-Lam were estimated. The performance of the model was assessed with both the observations from the eddy covariance system, and from the Reichstein partitioning algorithm. Furthermore, a comparative study was carried out between three soil respiration systems. From the result of our analysis, we concluded that the sequestering capacity of this site can be improved by frequent planting of cover crops, and deep tilling should be discouraged. Overall, for an improved estimation of the carbon fluxes, farm management practices, the possibility of weed development, and other key cropping practices should be integrated within land surface models. |