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PHÉNOCLIM 
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Le réchauffement climatique dans les Alpes 
Au 
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Les forêts dans les Alpes 
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Résumé 
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Etudier 
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Résumé 
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Comprendre 
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prédire 
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réponse 
des 
écosystèmes 
foresOers 
d'alOtude 
aux 
ch...
Daphné Asse : Doctorante 
Diplômée d’une Master de recherches en écologie – Université Paris Sud - 
et d’un BTS en gestion...
Financements 
½ 
bourse 
Cifre 
financé 
par 
le 
ministère 
de 
l’Enseignement 
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Une thèse Phénoclim, par Daphné Asse

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Présentation du travail de thèse de Daphné Asse, doctorante écologue au CREA, pendant les Rendez-vous du CREA 2014.

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Une thèse Phénoclim, par Daphné Asse

  1. 1. 10 ANS DE DONNÉES PHÉNOCLIM À L’ORIGINE AUJOURD’HUI D’UN TRAVAIL DE THÈSE Les 10 ans de Phénoclim 10 octobre 2014 – Chamonix Mont-Blanc Préparée par Daphné Asse
  2. 2. Découvrez les étapes de réflexion qui ont amené à la construcOon d’un sujet de recherche autour de Phénoclim ! Comprendre et prédire la réponse des écosystèmes foresOers d'alOtude aux changements climaOques. Apports d'un programme de science parOcipaOve.
  3. 3. Une thèse !
  4. 4. Une thèse de doctorat en science c’est quoi ? C’est un travail scienOfique novateur, perme[ant une avancée des connaissances dans une (au moins) des disciplines scienOfiques La préparation d’une thèse se déroule sur une durée de 3 ans (majorité des cas), pour l’obtention finale du doctorat, grade le plus élevé conféré par une université
  5. 5. Une thèse ! Au CREA !
  6. 6. • Analyser les données Phénoclim • Renforcer Les enjeux pour le CREA ? les collabora-ons avec les laboratoires de recherche académiques sous la direcOon d’experts, les valoriser par des publica-on scien-fiques avec un retour pour le grand public par des travaux de vulgarisa-on. • Valoriser le réseau d’observateurs par des études sur les données (qui sont la connexion directe entre doctorant et observateur) • Accroître la dynamique de recherche scien-fique au CREA et la crédibilité scienOfique
  7. 7. A parOr des données Phénoclim
  8. 8. Points Phénoclim est un programme de Contexte forts Valider le projet scien-fique science par-cipa-ve mit en place depuis 10 ans par le CREA, qui invite le grand public (scolaires, parOculiers, gardes d’espace naturel, professionnels) à collecter des données phénologiques (ex : feuillaison, floraison, changement de couleur, chute des feuilles) sur dix espèces d’arbres et de plantes communes sur l’ensemble des Alpes. Ce programme permet d’une part la collecte de données pour la recherche scien-fique mais aussi simultanément la sensibilisa-on du grand public à l’impact du changement clima-que sur la végéta-on.
  9. 9. Contexte scienOfique de Phénoclim Importance de mesurer l’impact du changement climaOque sur la végétaOon de montagne Le réchauffement clima-que dans les Alpes Les écosystèmes foresOers La phénologie
  10. 10. Le réchauffement climatique dans les Alpes Au XXème siècle, l’ouest des Alpes s’est réchauffé q Moins vite que le reste de l’hémisphère Nord ? q Aussi vite que le reste de l’hémisphère Nord ? q Deux fois plus vite que le reste de l’hémisphère Nord ?
  11. 11. Le réchauffement climatique dans les Alpes Au XXème siècle, l’ouest des Alpes s’est réchauffé q Moins vite que le reste de l’hémisphère Nord q Aussi vite que le reste de l’hémisphère Nord q Deux fois plus vite que le reste de l’hémisphère Nord ! Les régions alpines sont par-culièrement sensibles aux changements climaOques en cours de part leur posiOon conOnentale au centre de l’Europe ! Prévision future : réchauffement plus important et plus rapide. Contrastes saisonniers plus marqués.
  12. 12. Contexte scienOfique de Phénoclim Importance de mesurer l’impact du changement climaOque sur la végétaOon de montagne Le réchauffement climaOque dans les Alpes Les écosystèmes fores-ers La phénologie
  13. 13. Les forêts dans les Alpes Dans les Alpes, les forêts occupent : q 1/3 de la surface du territoire q Près de la moiOé de la surface du territoire q 2/3 de la surface du territoire
  14. 14. Les forêts dans les Alpes Dans les Alpes, les forêts occupent : q 1/3 de la surface du territoire q Près de la moi-é de la surface du territoire q 2/3 de la surface du territoire En plus de la surface importante que cet écosystème représente, les forêts sont des fournisseurs importants de services comme le bois de construc-on et de chauffage et la diminuOon de l’érosion des sols. Les arbres sont des espèces longévives (espérance de vie et temps entre généra-ons élevés) : il est important d’évaluer leur réponse aux changements de température ainsi que leurs capacités de d’adapta-on afin d’anOciper leur devenir
  15. 15. Contexte scienOfique de Phénoclim Importance de mesurer l’impact du changement climaOque sur la végétaOon de montagne Le réchauffement climaOque dans les Alpes Les écosystèmes foresOers La phénologie
  16. 16. La phénologie des espèces végétales La phénologie est l’étude de l’appariOon des évènements saisonniers chez les être vivants. Quel paramètre affecte principalement les phases phénologiques des arbres ? q La durée du jour (= photopériode) q La température q Les précipitaOons
  17. 17. La phénologie des espèces végétales La phénologie est l’étude de l’appariOon des évènements saisonniers chez les être vivants. Quel paramètre affecte principalement les phases phénologiques des arbres ? q La durée du jour (= photopériode) q La température q Les précipitaOons Les rythmes saisonniers des arbres sont par conséquent fortement modifiés par le réchauffement climaOque. Ces rythme saisonniers représentent un moyen essen-el d’adapta-on des espèces aux contraintes climaOques et déterminent in fine la distribu-on géographique des espèces.
  18. 18. Points forts Phénoclim est un programme de Contexte Valider le projet scienOfique science par-cipa-ve mit en place depuis 10 ans par le CREA, qui invite le grand public (scolaires, parOculiers, gardes d’espace naturel, professionnels) à collecter des données phénologiques (ex : feuillaison, floraison, changement de couleur, chute des feuilles) sur dix espèces d’arbres et de plantes communes sur l’ensemble des Alpes. Ce programme permet d’une part la collecte de données pour la recherche scien-fique mais aussi simultanément la sensibilisa-on du grand public à l’impact du changement clima-que sur la végéta-on.
  19. 19. Les points forts de Phénoclim (1/3) Son réseau d’observateurs répartis dans les Alpes ! La récolte de données phénologiques est coûteuse en temps et en nombre d’observateurs. Les programme de science parOcipaOve perme[ent d’acquérir de longues séries temporelles sur une très large région, plus rapidement et à ces coûts moindres que dans le cadre d’un programme uniquement scienOfique Phénoclim c’est aujourd’hui + de 25 000 données depuis 10 ans, sur 10 espèces ! à Autant de données n’aurait jamais pu être collectées uniquement par une équipe de chercheurs
  20. 20. Les points forts de Phénoclim (2/3) Des données observées à des altitudes différentes Les données Phénoclim sont récoltées de 500 mètres à plus de 2 000 mètres d’alOtude dans les Alpes! Phenoclim étudie les écosystèmes de montagne car ils offrent la possibilité de comprendre les réac-ons des végétaux, voire d’an-ciper les changements à venir, en subsOtuant la dimension temporelle (réchauffement climaOque en cours) par la dimension spaOale des gradients thermiques al-tudinaux (plus on monte en alOtude, plus la température diminue) Sur une distance géographique réduite, on peut observer le développement d’une même espèce soumise à des conditions de température très contrastées.
  21. 21. Les points forts de Phénoclim (3/3) Son réseau de stations température réparties dans les Alpes ! En montagne les hétérogénéités des températures sont fortes. Les réseaux de staOons météo naOonaux ne sont pas assez denses pour pouvoir caractériser précisément les condiOons de température dans le massif alpin. C’est pourquoi le CREA a développé un réseau de 65 staOons de températures réparOes dans les Alpes à des alOtudes variables et associées pour la plupart à des observa-ons phénologiques.
  22. 22. Points forts Valider le projet Phénoclim est un programme de Contexte scienOfique science par-cipa-ve mit en place depuis 10 ans par le CREA, qui invite le grand public (scolaires, parOculiers, gardes d’espace naturel, professionnels) à collecter des données phénologiques (ex : feuillaison, floraison, changement de couleur, chute des feuilles) sur dix espèces d’arbres et de plantes communes sur l’ensemble des Alpes. Ce programme permet d’une part la collecte de données pour la recherche scien-fique mais aussi simultanément la sensibilisa-on du grand public à l’impact du changement clima-que sur la végéta-on.
  23. 23. Valider le projet PHENOCLIM (1/2) Prouver la qualité des données Phénoclim L’objecOf principal de ce[e thèse est de valoriser les données d’un programme de science par-cipa-ve afin de démontrer qu’une telle iniOaOve, si elle est bien menée, peut permeWre de contribuer à des travaux de recherche de qualité et reconnus par la communauté scien-fique interna-onale ! Cette thèse fait partie des premières en France basées sur des données de science participative ! Des idées ?
  24. 24. • Installées Valider le projet PHENOCLIM sur plusieurs sites Phénoclim, des caméras enregistreront les phases de développement pour toutes les espèces d’arbre étudiées. Les images seront ensuite analysées pour déterminer les dates des phases phénologiques sur images, puis comparées aux dates men-onnées par les observateurs (2/2) Prouver la qualité des données Phénoclim • Double comptage : A réaliser avec des scolaires par exemple où plusieurs groupes seront observateurs des mêmes arbres. Les données seront ensuite comparées. Ou encore des journées d’inter calibra-on entre parOcipants.
  25. 25. 4 thèmes qui axent le sujet de thèse Le cycle annuel de développement des espèces arborées Les modèles phénologiques Croissance radiale et saison de végétaOon Pressions de sélecOon en milieu de montagne
  26. 26. Cycle annuel de développement des espèces arborées Variabilité des phases phénologiques sur 10 ans Concerant les phases phénologiques des espèces arborées, plus on monte en al-tude,… q …plus les phases printanières sont précoces. q …plus les phases automnales sont tardives. q …plus la saison de végétaOon est courte.
  27. 27. Cycle annuel de développement des espèces arborées Variabilité des phases phénologiques sur 10 ans Concernant les phases phénologiques des espèces arborées, plus on monte en al-tude,… q …plus les phases printanières sont précoces. q …plus les phases automnales sont tardives. q …plus la saison de végéta-on est courte. Plus l’alOtude est élevée, plus le débourrement, la feuillaison, la floraison est tardive ; plus la coloraOon des feuilles et leur chute est précoce. C’est directement lié à la température ! Sur une zone d’étude grande comme celle des Alpes, l’alOtude n’est pas le seul paramètre à prendre en compte : la la-tude et la longitude auront sans doute un effet sur les phases phénologiques des espèces. Entre le Nord et le Sud des Alpes le climat varie ; tout comme de l’Ouest au centre des Alpes. QuesOon scienOfique : Quelle est la variabilité interannuelle des événements phénologiques le long des gradients al7tudinaux ?
  28. 28. Cycle annuel de développement des espèces arborées Variabilité des phases phénologiques sur 10 ans Capteur 2 m Capteur 30 cm Capteur 0 cm Capteur -5 cm La température a un rôle majeur dans le cycle annuel de développement des espèces arborées De la cime d’un arbre aux premiers cenOmètres du sol, la température varie de façon importante Le réseau de staOon température Phénoclim, réparO de façon homogène dans les Alpes pourra perme[re de mieux caractériser le climats régional (mésoclimat) et le microclimat et leurs effets sur les phases phénologiques QuesOon scienOfique : Le microclimat est-­‐il plus important que le mésoclimat pour expliquer les varia7ons des dates d’occurrence des stades phénologiques ?
  29. 29. 4 thèmes qui axent le sujet de thèse Le cycle annuel de développement des espèces arborées Les modèles phénologiques Croissance radiale et saison de végétaOon Pressions de sélecOon en milieu de montagne
  30. 30. Les modèles phénologiques La modélisation c’est quoi ? Modéliser c’est décrire et traduire des phénomènes naturels complexes sous forme mathéma-que, l’objecOf est de se rapprocher le plus possible des observaOons, de la réalité. ObservaOons Hypothèses TraducOon en équaOons mathémaOques Modèle Observations Modèle Comparaison du modèle aux données observées Reparamétrisation
  31. 31. Les modèles phénologiques La modélisation ça sert à quoi ? Décrire et traduire au mieux des phénomènes naturels complexes pour pouvoir prédire, an-ciper Modèle PrédicOons futures GesOonnaires Décideurs
  32. 32. Les modèles phénologiques Les apports de Phénoclim dans la modélisation : paramétrer les modèles Les modèles basés sur la phénologie ont encore un grand potenOel d’amélioraOon. QuesOon scienOfique : ObservaOons Alpes du nord ObservaOons Alpes du sud ou ? Peut-­‐on généraliser les prédic7ons des phases phénologiques sur l’ensemble du massif Alpin ? Paramétrisation Paramétrisation Modèle 1 Modèle 1 Modèle 2
  33. 33. Les modèles phénologiques Les apports de Phénoclim dans la modélisation : tester de nouvelles hypothèses Pour prédire la date de débourrement, les modèles se basent sur la température de l’air ambiant. Il faut à l’arbre une certaine quan7té de chaleur pour que le débourrement ait lieu. Parmi les paramètres environnementaux récoltés par Phénoclim, lesquels pourraient expliquer le déterminisme des phases phénologiques printanières ? q La date de fonte de la neige q La hauteur de la neige q La température du sol
  34. 34. Les modèles phénologiques Les apports de Phéénoclim dans la modéélisation : tester de nouvelles hypothèses Parmi les paramètres environnementaux récoltés par Phénoclim, lesquels pourraient expliquer le déterminisme des phases phénologiques printanières ? q La date de fonte de la neige q La hauteur de la neige q La température du sol La neige à une influence sur le bilan hydrique du sol, l’albédo, ou encore protège les racines du gel. La contribuOon de la couverture neigeuse est encore très peu connu, et très peu testé. QuesOon scienOfique : La neige a t-­‐elle un effet sur l’occurrence du débourrement et de la floraison ?
  35. 35. Les modèles phénologiques Les apports de Phéénoclim dans la modéélisation : tester de nouvelles hypothèses Parmi les paramètres environnementaux récoltés par Phénoclim, lesquels pourraient expliquer le déterminisme des phases phénologiques printanières ? q La date de fonte de la neige q La hauteur de la neige q La température du sol La neige à une influence sur le bilan hydrique du sol, l’albédo, ou encore protège les racines du gel. La date de fonte de la neige est un paramètre lié à la hauteur de neige. L’évoluOon de la hauteur de neige pourrait jouer un rôle sur le déterminisme des phases phénologiques printanières. QuesOon scienOfique : La neige a t-­‐elle un effet sur l’occurrence du débourrement et de la floraison ?
  36. 36. Les modèles phénologiques Les apports de Phénoclim dans la modélisation : tester de nouvelles hypothèses Parmi les paramètres environnementaux récoltés par Phénoclim, lesquels pourraient expliquer le déterminisme des phases phénologiques printanières ? q La date de fonte de la neige q La hauteur de la neige q La température du sol La température du sol a un rôle sur la reprise de croissance des bourgeons une fois la dormance levée. Comme pour la couverture neigeuse, on ne connaît pas encore précisément le rôle de la température du sol dans le déterminisme environnemental des événements phénologiques. Classiquement on uOlise dans les modèles la température de l’air. QuesOon scienOfique : La température du sol est-­‐elle un paramètre plus per7nent que la température de l’air pour expliquer l’occurrence de ces événements ?
  37. 37. Les modèles phénologiques Les apports de Phénoclim dans la modélisation : tester de nouvelles hypothèses Améliorer les modèles de sénescence foliaire Les phénomènes de sénescence foliaire QuesOon scienOfique : n’est pas encore bien Quels paramètres environnementaux déterminent la sénescence foliaire ? compris pour de nombreuses espèces d’arbres. La qualité des données est souvent assez mauvaise car basées sur l’appréciaOon visuelle d’un changement de couleur et non de forme. Phénoclim a enregistrer un grand nombre de données qui pourra perme[re de tester de nouvelles hypothèse sur cet événement
  38. 38. 4 thèmes qui axent le sujet de thèse Le cycle annuel de développement des espèces arborées Les modèles phénologiques Croissance radiale et saison de végéta-on Pressions de sélecOon en milieu de montagne
  39. 39. Croissance radiale et saison de végétaOon La saison de végétation ? Selon vous, la saison de végéta-on chez l’arbre est comprise… q …entre le débourrement et la fin de chute des feuilles q …entre la floraison et la décoloraOon des feuilles q …entre le début de feuillaison et la décoloraOon des feuilles
  40. 40. Croissance radiale et saison de végétaOon La saison de végétation ? Selon vous, la saison de végéta-on chez l’arbre est comprise… q …entre le débourrement et la fin de chute des feuilles q …entre la floraison et la décoloraOon des feuilles q …entre le début de feuillaison et la décolora-on des feuilles La saison de végétaOon correspond à la période durant laquelle l’arbre peut faire de la photosynthèse = au niveau des feuilles, de l’énergie est produite sous forme de carbone à parOr de l’énergie lumineuse et du dioxyde de carbone (CO2) absorbé. Du dioxygène (O2) est ensuite libéré. L’arbre a plusieurs choix pour réparOr le carbone assimilé par la photosynthèse : Ø La croissance de ses branches, de son tronc, de ses racines Ø La reproducOon (floraison, frucOficaOon) Ø Le stockage de composés de réserves
  41. 41. Croissance radiale et saison de végétaOon Etablir les relations entre la croissance radiale, le climat et la saison de végétation La croissance radiale en lien direct avec leurs phases phénologiques a été très peu étudiée. ObjecOf : Améliorer les modèles phénologiques + les modèles de croissances QuesOons scienOfiques : Une bonne connaissance de la phénologie est-­‐elle une plus-­‐value pour comprendre la croissance du Mélèze ? A quel moment se met en place la croissance radiale au cours de la saison de végéta7on chez le mélèze ?
  42. 42. Croissance radiale et saison de végétaOon Etablir les relations entre la croissance radiale, le climat et la saison de végétation Mise en place d’un protocole expérimental Méthode : la dendrochronologie (étudie la croissance radiale des arbres) Espèce étudiée : le Mélèze, présent dans tout le massif alpin, sur une large gamme d’alOtudes et présente une phénologie d’espèce décidue Protocole : Caro[age de 200 mélèzes du réseau Phénoclim, pour lesquels nous possédons des observaOons phénologiques. à Analyse des largeurs de cernes, âge de l’arbre et densité du bois Prévu pour 2016 !
  43. 43. Croissance radiale et saison de végétaOon Effet de l’âge de l’arbre dans le phénomène de débourrement Les données récoltées, concernant l’âge de l’arbre, pourront perme[re de tester une autre hypothèse : Pour plusieurs espèces d’arbres , un individu jeune aurait un débourrement plus précoce. QuesOon scienOfique : L’occurrence des dates de débourrement dépend-­‐elle de l’âge de l’arbre ? ObjecOf : Améliorer les modèles phénologiques + les modèles de croissances
  44. 44. 4 thèmes qui axent le sujet de thèse Le cycle annuel de développement des espèces arborées Les modèles phénologiques Croissance radiale et saison de végétaOon Pressions de sélec-on en milieu de montagne
  45. 45. Pressions de sélecOon en milieu de montagne Les pressions de sélection Selon vous, il n’y a plus d’arbre à l’étage alpin parce que… q …les sols sont trop pauvres q …la saison de végétaOon est trop courte q …la capacité à frucOfier est limitée
  46. 46. Pressions de sélecOon en milieu de montagne Les pressions de sélection exercés par le climat Selon vous, il n’y a plus d’arbre à l’étage alpin parce que… q …les sols sont trop pauvres q …la saison de végétaOon est trop courte q …la capacité à frucOfier est limitée à cela réduit les chances de survie de l'arbre, car cela réduit ses réserves à cela réduit les chances de régénéraOon de la populaOon QuesOon scienOfique : Qu’est ce qui explique le mieux la limite supérieure al7tudinale d’une espèce d’arbre : le gel tardif au printemps ou la capacité à fruc7fier ? La probabilité de survie et le succès de reproduc-on dépendent étroitement de la réalisaOon du cycle annuel de développement (la phénologie).
  47. 47. Pressions de sélecOon en milieu de montagne Comprendre et prédire l’aire de répartition actuelle et future du mélèze Nous allons uOlisé le modèle PHENOFIT qui prédit la répar--on des espèces d'arbre en foncOon du climat, de leur phénologie et leur capacité à résister à des stress tels que le gel et la sécheresse. La phénologie et les varia-ons temporelles fines du climat apparaissent comme des composantes incontournable pour prédire précisément les changements de répar--on des espèces Modèles phénologiques pour le mélèze Modèles d’aire de réparOOon pour le mélèze Modèle PHENOFIT paramétré pour le mélèze ProjecOons futures d’aire de réparOOon pour le mélèze
  48. 48. à Résumé du sujet de thèse Etudier les varia-ons du cycle annuel de développement (feuillaison, floraison, sénescence foliaire) de cinq essences fores-ères (mélèze, bouleau, épicéa noiseOer, frêne) au cours des dix dernières années dans les Alpes 1. Cartographier et caractériser le cycle annuel de développement des cinq espèces sur l'ensemble du massif Alpin en foncOon du climat à UOlisaOon des séries de données climaOques addiOonnelles obtenues par le CREA 2. Améliorer les modèles phénologiques existants à l'aide des données Phénoclim, et paramétrer les modèles pour les cinq espèces à IntégraOon de la neige à IntégraOon de la température du sol à Développement de modèles de sénescence (1/2) Comprendre et prédire la réponse des écosystèmes foresOers d'alOtude aux changements climaOques. Apports d'un programme de science parOcipaOve.
  49. 49. Résumé du sujet de thèse (2/2) Comprendre et prédire la réponse des écosystèmes foresOers d'alOtude aux changements climaOques. Apports d'un programme de science parOcipaOve. 3. Comprendre les relaOons entre la croissance radiale et la saison de végétaOon chez le mélèze à Lien entre croissance radiale et date de débourrement très peu étudié 4. Etudier les pressions de sélecOon qui s'exercent sur la date de débourrement le long des gradients alOtudinaux par une approche de modélisaOon à Prédire l'aire de réparOOon future du mélèze en esOmant une probabilité annuelle de survie et un succès annuel de reproducOon, (dépendent étroitement de la réalisaOon du cycle annuel de développement) à Etudier les varia-ons du cycle annuel de développement (feuillaison, floraison, sénescence foliaire) de cinq essences fores-ères (mélèze, bouleau, épicéa noiseOer, frêne) au cours des dix dernières années dans les Alpes
  50. 50. Daphné Asse : Doctorante Diplômée d’une Master de recherches en écologie – Université Paris Sud - et d’un BTS en gestion forestière Isabelle Chuine : Directrice Directrice de recherches – au Centre d’Ecologie Fonctionnelle et Evolutive (CEFE), CNRS Montpellier Directrice de l’Observatoire Des Saisons Christophe Randin : Co-Directeur Chercheur – à l’Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage (WSL) Suisse Conservateur au Musée et jardins botaniques cantonaux de Lausanne Vincent Badeau : Co-encadrant Ingénieur de recherches – à l’unité Ecologie et Ecophysiologie Forestières (EEF), INRA Nancy Anne Delestrade : Co-encadrante Directrice du CREA Chercheur associé au laboratoire d’écologie alpine (LECA) de l’Université de Savoie, Chambéry L’équipe
  51. 51. Financements ½ bourse Cifre financé par le ministère de l’Enseignement supérieur et de la Recherche + complément de salaire par le CREA Calendrier Du 1er septembre 2014 au 31 septembre 2017 Au travail ! C’est par- pour 3 ans !
  52. 52. Un grand merci aux observateurs Phénoclim !

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