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1 
Réseau Mixte Technologique, Réseau AFORCE 
Séminaire de fin de projet 
12 décembre 2012 
Présentation du projet : 
Cartographie de la contrainte hydrique des 
sols forestiers, et exemple d’utilisation dans 
le cadre des catalogues de stations 
forestières. 
C. Piedallu, J.B. Richard, T. Villiers, F.Lebourgeois, V. Perez, JC Gégout 
LERFOB - AgroParisTech-ENGREF –– Nancy 
S. Gaudin, L. Carnnot-Milard, A. Madesclaire 
CRPF Champagne Ardenne et Lorraine Alsace 
M. Legay 
Office National des Forêts
Introduction 
• Disponibilité en eau est un élément essentiel pour 
la croissance et la survie des plantes. 
2 
• Choix des essences : 
catalogues de stations forestières MAIS : 
- climat pris en compte de façon indirecte 
- peu adapté à la prise en compte du 
changement climatique 
modèles de distribution des essences MAIS : 
- peu de données eau du sol , utilise souvent 
des « proxies » climatiques : P, BHc
= pas de cartes permettant d’évaluer assez 
finement la distribution spatiale de l’eau du sol sur la 
France 
Objectifs du projet : 
-Aspect méthodologique : détermination de la 
méthode optimale au regard des données 
disponibles 
- Aspect pratique : evaluation de la pertinence de 
l’approche au regard des données stationnelles (à 
l’échelle des forêts des plateaux calcaires de 
Lorraine et de Bourgogne) 
⇒ Financements AFORCE, GIP ECOFOR, région 
Lorraine et DRAF 
3 
Introduction
4 
Méthode 
1) Comparaison de méthodes de calcul de bilan en 
eau : Palmer (Palmer, 1965) et Thornthwaite 
(Thornthwaite and Mather, 1955) 
2) Comparaison d’indices issus du calcul de bilan en 
eau (bibliographie) 
3) Calcul à différentes résolutions spatiales et 
validation de l’indice retenu à différentes échelles 
4) Evaluation de la pertinence des indices de bilan 
hydrique édaphique au regard des indices climatiques 
(P, BHc) /distribution de 37 espèces 
5) Comparaison avec les données stationnelles
Principe général de calcul (mensuel) 
5 
Pi = Pluie 
incidente 
Ecoulement à travers 
les houppiers 
Pu = Pluie utile 
In = 
Interception 
nette 
Apports Départs 
RUM = Réserve 
utile maximale 
en eau 
Tr = Transpiration des 
arbres 
et du couvert herbacé 
Evc = Evaporation 
surface couvert végétal 
Evs = Evaporation 
surface du sol 
ETP 
ETR 
Evapotransp 
iration 
(Turc, 1955 : 
T°C et Rg ) 
RU(m) = RU (m -1) + Pu(m) – 
ETP(m) + Apports (m) – Départs 
(m) – percolation (m) 
Percolation
Indices écologiques spatialisés: 
-Carte des RUM élaborée sur la France au pas de 1 km à partir de + 
100000 placettes IFN (Piedallu et al, 2011, Geoderma) 
-Modèles climatiques 1961-1990 basés sur la topographie (Rg, P, T, 
(Piedallu et al, 2007 AFS, 2008, AFM, Bertrand et al, 2012, Nature) 
Bases utilisées pour la validation : 
- Renecofor (Ulrich, 1995) : 25 placettes météo avec T°C et P et 7 
avec Rg, IFN nouvelle méthode (32544 relevés) 
- Données de terrain de Bois l’évêque/Villiers le sec : 175 relevés sur 
3 densités de maillages avec RUM 
- 50 relevés de RUM le long de 3 transects sur plateaux calcaires 
- 13460 relevés stationnels ONF sur plateaux calcaires 
Relevés écologiques pour tests capacité prédictive: 
- 32544 placettes IFN nouvelle méthode 
6 
Données utilisées
2 méthodes : Palmer/Thornthwaite 
7 indices : quantité d’eau dans le sol (RU, REW), sécheresse 
édaphique (IA, SDW), stress physiologique des plantes (DE, 
ETR, SI) (Granier et al., 1999 ; Stephenson, 1998 ; Fitzpatrick, 
1969) 
Comparaison des 14 indices selon leur capacité à 
prédire la distribution de 40 espèces sur la France 
⇒peu de différences entre Palmer/Thornthwaite (léger +) 
⇒2 indices meilleur capacité prédictive : RU et DE 
⇒Carte de contrainte hydrique : indice DE estival (7 
ETP 
– ETR) 
Résultats : 
Comparaison de la pertinence 
biologique des indices
8 
Calculs des déficits d’évaporation 
estivaux (période 1961-1990) 0 - 10 
10 - 20 
20 - 30 
30 - 40 
40 - 50 
50 - 60 
60 - 70 
70 - 80 
80 - 90 
90 - 100 
RUM au pas de 500 m (France) 
RUM au pas de 50 mètres (nord-est)
Calculs des déficits d’évaporation 
(période 1961-1990) 
• Clairvaux • Clairvaux 
0 1,25 2,5 5 
Kilomètres 
0 1,25 2,5 5 
Kilomètres 
maxi : 123 
mini : 0 
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DE (RUM 500 m) DE (RUM 50 m)
10 
Résultats : 
Validation à différentes échelles 
France 
(RENECOFOR) 
Echelle régionale 
(IFN) Forêts (500 ha) 
(Relevés terrain, maillage 250 m) 
Parcelles (40 et 10 ha) 
(relevés de terrain, maillage 
100 et 50 m) 
Seule la RUM est indépendante
R² = 0.79 
RMSE 7.5 mm 
Echantillon faible 
11 
Résultats : 
Validation nationale avec les mesures 
RENECOFOR 
deth.SIG aout 
juillet 
juin 
0 20 40 60 80 
de.renec 
80 
60 
40 
20 
0 
DE SIG 
DE RENECOFOR 
Validation des données nationales pour juin juillet et août avec les données de 25 placettes 
RENECOFOR sur la France
12 
Résultats : 
Validations locales avec comparaison 
des cartes 500 m et 50 m 
90% 
80% 
70% 
60% 
50% 
40% 
30% 
20% 
10% 
0% 
DE (RUM 500 m) 
DE (RUM 50 m) 
Lorraine 250 m (500 ha) 100 m (40 ha) 50 m (10 ha) 
% de la variance expliquée (R²) 
maillage et échelle de validation 
Validation partielle, résultats variables selon la variabilité locale
13 
Résultats : 
Comparaison climatiques/édaphiques 
Augmentation d’AUC modèles de distribution avec T min d’hivers, GDD5°C + indice + efficace 
parmi précipitations , bilans ou déficits hydriques climatiques, ou le bilan en eau des sols ( 
réserve utile ou le déficit d’évaporation) (n = 37 espèces). gain d’AUC moyen avec indice 
hydrique climatique =0.041 contre 0.060 quand l’eau du sol est prise en compte.
14 
Résultats : 
Comparaison carte DE et codages 
stationnels 
Comparaison des caractéristiques hydriques des unités stationnelles des catalogues des 
stations des plateaux calcaires et la carte des DE. Les barres blanches représentant la gamme 
de valeurs pour lesquelles 80% de l’US est présente, la barre noire représentant l’optimum. Les 
unités stationnelles dont le nom est souligné peuvent présenter un engorgement temporaire 
hivernal (US 13 à 15) ou permanent (US16).
Conclusions 
Malgré difficulté estimation RUM, possible de 
calculer et cartographier des indices hydriques qui 
aient du sens y compris à des échelles locales 
 Les calculs à résolution plus grossière (1 km) 
donnent de moins bons résultats 
 Des différences importantes ont été mises en 
évidence par rapport aux données purement 
climatiques 
 Les informations des codages stationnels 
concordent peu avec la carte principalement du fait 
de la non prise en compte des variations climatiques 
Mais des difficultés pour valider ces données : 
manque de relevés, hétérogénéité spatiale
Conclusions 
Carte prédit une valeur moyenne par pixel 
Différent d’un relevé qui permet une estimation 
locale de la RUM (variations de profondeur 
prospectable) 
10*5 relevés réalisés dans pixel 50 m montrent des 
variations intra pixel allant du simple au double sur 
plateaux calcaires 
Problème de cohérence spatiale, 1 relevé n’est pas 
forcément représentatif 
16 
relevés 
Pixel (ex : L = 50m) 
47 mm 
98 mm 31 mm
Valorisation - Perspectives 
Valorisation du travail dans 3 publications (forêt-entreprise, 
nature, global ecology and biogeography) 
17 
 1 article RFF en correction 
Prise en compte des apports latéraux de surface et 
subsurface en cours 
Calculs interrannuels 
Améliorer la validation locale et globale 
Donnée pouvant permettre de caractériser de façon 
dynamique dans le temps la réserve en eau 
disponible pour les plantes 
Peut servir d’intrants pour expliquer la distribution, 
la croissance, le dépérissement … des arbres à 
large échelle
Conclusion, perspectives 
Un outil potentiellement complémentaire aux outils 
existants : 
 détermination de zones homogènes 
 aide au choix des essences 
 aide à la réalisation des inventaires de terrain (pré-cartographie), 
Merci de votre attention … 
Une donnée pouvant permettre d’améliorer les 
modèles de distribution/productivité des essences, 
Des perspectives : 
 cartographier l’évolution du stock d’eau du sol en 
contexte de changement climatique, 
 en étudier Projet l’impact sur AFORCE la 2010-2011: 
ressource, 
 faire des simulations à + ou – long terme. 
Cartographie de la contrainte hydrique des sols forestiers, et exemple 
d’utilisation dans le cadre des catalogues de stations forestières.

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  • 1. 1 Réseau Mixte Technologique, Réseau AFORCE Séminaire de fin de projet 12 décembre 2012 Présentation du projet : Cartographie de la contrainte hydrique des sols forestiers, et exemple d’utilisation dans le cadre des catalogues de stations forestières. C. Piedallu, J.B. Richard, T. Villiers, F.Lebourgeois, V. Perez, JC Gégout LERFOB - AgroParisTech-ENGREF –– Nancy S. Gaudin, L. Carnnot-Milard, A. Madesclaire CRPF Champagne Ardenne et Lorraine Alsace M. Legay Office National des Forêts
  • 2. Introduction • Disponibilité en eau est un élément essentiel pour la croissance et la survie des plantes. 2 • Choix des essences : catalogues de stations forestières MAIS : - climat pris en compte de façon indirecte - peu adapté à la prise en compte du changement climatique modèles de distribution des essences MAIS : - peu de données eau du sol , utilise souvent des « proxies » climatiques : P, BHc
  • 3. = pas de cartes permettant d’évaluer assez finement la distribution spatiale de l’eau du sol sur la France Objectifs du projet : -Aspect méthodologique : détermination de la méthode optimale au regard des données disponibles - Aspect pratique : evaluation de la pertinence de l’approche au regard des données stationnelles (à l’échelle des forêts des plateaux calcaires de Lorraine et de Bourgogne) ⇒ Financements AFORCE, GIP ECOFOR, région Lorraine et DRAF 3 Introduction
  • 4. 4 Méthode 1) Comparaison de méthodes de calcul de bilan en eau : Palmer (Palmer, 1965) et Thornthwaite (Thornthwaite and Mather, 1955) 2) Comparaison d’indices issus du calcul de bilan en eau (bibliographie) 3) Calcul à différentes résolutions spatiales et validation de l’indice retenu à différentes échelles 4) Evaluation de la pertinence des indices de bilan hydrique édaphique au regard des indices climatiques (P, BHc) /distribution de 37 espèces 5) Comparaison avec les données stationnelles
  • 5. Principe général de calcul (mensuel) 5 Pi = Pluie incidente Ecoulement à travers les houppiers Pu = Pluie utile In = Interception nette Apports Départs RUM = Réserve utile maximale en eau Tr = Transpiration des arbres et du couvert herbacé Evc = Evaporation surface couvert végétal Evs = Evaporation surface du sol ETP ETR Evapotransp iration (Turc, 1955 : T°C et Rg ) RU(m) = RU (m -1) + Pu(m) – ETP(m) + Apports (m) – Départs (m) – percolation (m) Percolation
  • 6. Indices écologiques spatialisés: -Carte des RUM élaborée sur la France au pas de 1 km à partir de + 100000 placettes IFN (Piedallu et al, 2011, Geoderma) -Modèles climatiques 1961-1990 basés sur la topographie (Rg, P, T, (Piedallu et al, 2007 AFS, 2008, AFM, Bertrand et al, 2012, Nature) Bases utilisées pour la validation : - Renecofor (Ulrich, 1995) : 25 placettes météo avec T°C et P et 7 avec Rg, IFN nouvelle méthode (32544 relevés) - Données de terrain de Bois l’évêque/Villiers le sec : 175 relevés sur 3 densités de maillages avec RUM - 50 relevés de RUM le long de 3 transects sur plateaux calcaires - 13460 relevés stationnels ONF sur plateaux calcaires Relevés écologiques pour tests capacité prédictive: - 32544 placettes IFN nouvelle méthode 6 Données utilisées
  • 7. 2 méthodes : Palmer/Thornthwaite 7 indices : quantité d’eau dans le sol (RU, REW), sécheresse édaphique (IA, SDW), stress physiologique des plantes (DE, ETR, SI) (Granier et al., 1999 ; Stephenson, 1998 ; Fitzpatrick, 1969) Comparaison des 14 indices selon leur capacité à prédire la distribution de 40 espèces sur la France ⇒peu de différences entre Palmer/Thornthwaite (léger +) ⇒2 indices meilleur capacité prédictive : RU et DE ⇒Carte de contrainte hydrique : indice DE estival (7 ETP – ETR) Résultats : Comparaison de la pertinence biologique des indices
  • 8. 8 Calculs des déficits d’évaporation estivaux (période 1961-1990) 0 - 10 10 - 20 20 - 30 30 - 40 40 - 50 50 - 60 60 - 70 70 - 80 80 - 90 90 - 100 RUM au pas de 500 m (France) RUM au pas de 50 mètres (nord-est)
  • 9. Calculs des déficits d’évaporation (période 1961-1990) • Clairvaux • Clairvaux 0 1,25 2,5 5 Kilomètres 0 1,25 2,5 5 Kilomètres maxi : 123 mini : 0 maxi : 123 mini : 0 DE (RUM 500 m) DE (RUM 50 m)
  • 10. 10 Résultats : Validation à différentes échelles France (RENECOFOR) Echelle régionale (IFN) Forêts (500 ha) (Relevés terrain, maillage 250 m) Parcelles (40 et 10 ha) (relevés de terrain, maillage 100 et 50 m) Seule la RUM est indépendante
  • 11. R² = 0.79 RMSE 7.5 mm Echantillon faible 11 Résultats : Validation nationale avec les mesures RENECOFOR deth.SIG aout juillet juin 0 20 40 60 80 de.renec 80 60 40 20 0 DE SIG DE RENECOFOR Validation des données nationales pour juin juillet et août avec les données de 25 placettes RENECOFOR sur la France
  • 12. 12 Résultats : Validations locales avec comparaison des cartes 500 m et 50 m 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% DE (RUM 500 m) DE (RUM 50 m) Lorraine 250 m (500 ha) 100 m (40 ha) 50 m (10 ha) % de la variance expliquée (R²) maillage et échelle de validation Validation partielle, résultats variables selon la variabilité locale
  • 13. 13 Résultats : Comparaison climatiques/édaphiques Augmentation d’AUC modèles de distribution avec T min d’hivers, GDD5°C + indice + efficace parmi précipitations , bilans ou déficits hydriques climatiques, ou le bilan en eau des sols ( réserve utile ou le déficit d’évaporation) (n = 37 espèces). gain d’AUC moyen avec indice hydrique climatique =0.041 contre 0.060 quand l’eau du sol est prise en compte.
  • 14. 14 Résultats : Comparaison carte DE et codages stationnels Comparaison des caractéristiques hydriques des unités stationnelles des catalogues des stations des plateaux calcaires et la carte des DE. Les barres blanches représentant la gamme de valeurs pour lesquelles 80% de l’US est présente, la barre noire représentant l’optimum. Les unités stationnelles dont le nom est souligné peuvent présenter un engorgement temporaire hivernal (US 13 à 15) ou permanent (US16).
  • 15. Conclusions Malgré difficulté estimation RUM, possible de calculer et cartographier des indices hydriques qui aient du sens y compris à des échelles locales Les calculs à résolution plus grossière (1 km) donnent de moins bons résultats Des différences importantes ont été mises en évidence par rapport aux données purement climatiques Les informations des codages stationnels concordent peu avec la carte principalement du fait de la non prise en compte des variations climatiques Mais des difficultés pour valider ces données : manque de relevés, hétérogénéité spatiale
  • 16. Conclusions Carte prédit une valeur moyenne par pixel Différent d’un relevé qui permet une estimation locale de la RUM (variations de profondeur prospectable) 10*5 relevés réalisés dans pixel 50 m montrent des variations intra pixel allant du simple au double sur plateaux calcaires Problème de cohérence spatiale, 1 relevé n’est pas forcément représentatif 16 relevés Pixel (ex : L = 50m) 47 mm 98 mm 31 mm
  • 17. Valorisation - Perspectives Valorisation du travail dans 3 publications (forêt-entreprise, nature, global ecology and biogeography) 17 1 article RFF en correction Prise en compte des apports latéraux de surface et subsurface en cours Calculs interrannuels Améliorer la validation locale et globale Donnée pouvant permettre de caractériser de façon dynamique dans le temps la réserve en eau disponible pour les plantes Peut servir d’intrants pour expliquer la distribution, la croissance, le dépérissement … des arbres à large échelle
  • 18. Conclusion, perspectives Un outil potentiellement complémentaire aux outils existants : détermination de zones homogènes aide au choix des essences aide à la réalisation des inventaires de terrain (pré-cartographie), Merci de votre attention … Une donnée pouvant permettre d’améliorer les modèles de distribution/productivité des essences, Des perspectives : cartographier l’évolution du stock d’eau du sol en contexte de changement climatique, en étudier Projet l’impact sur AFORCE la 2010-2011: ressource, faire des simulations à + ou – long terme. Cartographie de la contrainte hydrique des sols forestiers, et exemple d’utilisation dans le cadre des catalogues de stations forestières.