HypEddy (projet CNES-TOSCA 2019-2021)

HypEddy : Cartographie de la Production Primaire du microphytobenthos des vasières intertidales par Télédétection Hyperspectrale : couplage Réflectance / Eddy Covariance atmosphérique (projet CNES-TOSCA 2019-2021)

Contexte de l’Etude

Les vasières littorales présentes sur toute la surface du globe sont souvent négligées dans les bilans globaux de carbone, alors que ces écosystèmes sont de plus en plus reconnus comme étant aussi productifs que les forêts tropicales avec 1 kg de matière sèche.m-2.an-1 (calculé d’après Mateo et al. 2006). La production primaire de ces vasières est essentiellement soutenue par la production microphytobenthique (Underwood and Kromkamp 1999) avec par exemple pour les Pertuis Charentais 372 gC m-2an-1 versus 185 gC m-2an-1 pour le phytoplancton (Struski and Bacher 2006). On désigne sous le terme de microphytobenthos (MPB) l’ensemble des algues unicellulaires eucaryotes ainsi que les cyanobactéries qui se développent dans les premiers millimètres des sédiments (MacIntyre et al. 1996). Formant un biofilm sur le sédiment lors des marées basses, le MPB héberge une biodiversité importante, regroupant des formes de vie différentes, caractérisés par des traits éco-physiologiques également différents (Barnett et al. 2015), mais permettant à ces peuplements de faire face aux fluctuations environnementales extrêmes caractérisant les vasières littorales. La forte production du MPB et sa biodiversité vont donc structurer l’ensemble des services écosystémiques rendus par les vasières intertidales : réseaux trophiques, piégeage (et stockage) de carbone, stabilisation du sédiment, ressources génétiques (biodiversité), ainsi que les activités économiques associées, telle que la conchyliculture. Afin de prévenir un dysfonctionnement de ces vasières et de maintenir leur forte production, un enjeu à l’échelle planétaire est d’estimer la production primaire de ces écosystèmes. Il sera alors possible de l’intégrer dans les bilans de Carbone et ceci dans un contexte de changement global.

 

Principaux Objectifs

L’objectif du projet HypEddy, porté par l’Université de Nantes (laboratoire MMS) en collaboration avec l’Ifremer (LER-PC), l’INRAe (ME) et l’Université de La Rochelle (BIOFEEL), est de développer de nouveaux algorithmes afin d’estimer la production primaire du MPB et de sa biodiversité sur la base de signatures spectrales dans le domaine du VIS-PIR (400-1000 nm). L’originalité de ce projet est de coupler radiométrie/biodiversité/production primaire par 1/ une approche expérimentale en laboratoire associée à une validation de terrain ; 2/ le couplage de l’imagerie hyperspectrale à des mesures de flux verticaux de CO2  à l’interface air-sédiment par Eddy Covariance (EC) atmosphérique (Polsenaere et al. 2012). La méthodologie utilisée a pour objectif de lever les verrous scientifiques concernant les changements d’échelles spatiales et temporelles. En effet, les biofilms ont une biodiversité variable dans le temps et l’espace (Méléder et al. 2005). De plus leur répartition spatiale est hétérogène (en tâches) depuis la micro-échelle jusqu’à la macro-échelle (Saburova et al. 1995). Enfin, leurs réponses à un changement environnemental peuvent être de l’ordre de la seconde à plusieurs heures, à l’instar du phytoplancton (Brunet et al. 2011). Ces variations impactent la forme de la signature spectrale des biofilms, ce qui ne peut être appréhendées que par de l’hyperspectrale. Lever ces verrous en comprenant mieux ces variations de signature spectrale en fonction de la biodiversité des biofilms et des conditions environnementales sera une réelle avancée dans l’utilisation de l’imagerie hyperspectrale pour l’estimation de la production primaire du MPB en particulier, mais également pour d’autres organismes photosynthétiques présentant les mêmes particularités, notamment les herbiers de zostères, le phytoplancton et les récifs coralliens.

Dans le cadre de ce projet, il est spécifiquement proposé :

  • d'établir en laboratoire des lois de production primaire (flux de CO2 en μmol.m−2.s−1) en fonction des changements de réflectance de biofilms de biodiversités différentes (mono- et plurispécifique) en conditions contrôlées de lumière, de température et d’apports nutritifs.
  • de valider ces lois de production primaire sur le terrain en couplant les mesures d’EC (flux de CO2 en μmol.m−2.s−1) et les mesures de réflectance obtenues par imagerie hyperspectrale à différentes échelles spatiales et temporelle (in situ/drone/aéroportée).
  • de cartographier les flux de CO2 de la micro- à la macro-échelle.

Ces différents axes sont actuellement étudiés par Meng Zhang dans le cadre de son doctorat (2019-2023) financé par le projet HypEddy, le China Scholarship Council et co-encadré par l’Université de Nantes et l’Ifremer.

Site d’étude et approches méthodologiques

Afin de répondre à l’objectif 2 (validation des lois de production primaire sur le terrain par couplage des mesures d’Eddy Covariance atmosphérique), des campagnes de terrain sont programmées en 2020 et 2021 afin de coupler les mesures de GPP dérivant des flux de CO2 mesurés par Eddy Covariance atmosphérique (EC) et images hyperspectrales. Les algorithmes obtenus en laboratoire seront alors comparés/validés avec ceux obtenus lors de ces campagnes. Le choix de la station de terrain où seront déployés les différents équipements et où se feront les mesures de terrain doit répondre à des contraintes qui ont été établies par les partenaires du projet HypEddy au cours de la réunion de lancement du projet qui s’est tenue à Nantes les 18 et 19 mars 2019 et rediscutées concrètement lors des sorties sur le terrain pour le choix du site en 2019. La station finalement retenue se situe sur la vasière de Brouage, à proximité des parcs ostréicoles de l’Estrée (voir Figure).

Vue de la station sélectionnée en arrière des parcs de l’Estrée. Vue générale (à gauche) et zoom (à droite) de la vasière entre Brouage et Port des Barques au Nord. L’étoile rouge indique la position de la station d’Eddy Covariance qui sera installée sur site en 2020-2021.

 

La technique originale et innovante d’Eddy Covariance (EC) atmosphérique est une technique micrométéorologique largement utilisée dans les écosystèmes terrestres, et particulièrement appropriée dans la mesure des flux verticaux de CO2 dans des systèmes aquatiques hétérogènes et variables comme les systèmes littoraux de type marais salés, lagunes intertidales (Kathilankal et al. 2008, Artigas et al. 2015, Polsenaere et al. 2012). Cette technique permet d’obtenir à très haute fréquence des chroniques temporelles de flux de CO2 en continu aux deux interfaces (sédiment-air et eau-air), de manière non intrusive et à l’échelle de l’écosystème (Aubinet et al. 2000, Baldocchi 2003). Cette méthode nécessite par ailleurs un travail important lors des déploiements in situ (i.e. en zone tidale) mais aussi dans l’analyse quantitative et qualitative (tests statistiques, analyses (co)spectrales, corrections fréquence) des données brutes mesurées. Spatialement intégrative, la méthode d’EC fournit le flux net de la surface totale vue par le système d’EC (« footprint ») à un moment donné. De 10 minutes (pas de temps de calcul des flux d’EC en zone intertidale) à l’autre, ce footprint va varier en fonction de la direction des vents, mais aussi en distance en fonction de leur vitesse et de la stabilité atmosphérique, le ratio de 100 entre hauteur de mesure et fetch étant un ordre de grandeur communément admis pour guider le choix des sites expérimentaux (voir Figure). Si la surface du footprint est homogène (i.e. seule espèce), nous pourrons décomposer les flux nets de cette espèce en ses composantes brutes (respiration et photosynthèse pour le flux de CO2, transpiration et évaporation directe pour le flux de vapeur d’eau, etc ...). Si la surface est composite, il sera nécessaire de prendre en compte la proportion des différentes espèces présentes dans le footprint (dans le cas présent, habitats différents avec MPB et huîtres sauvages) pour déconvoluer les données de flux observées à notre station. Par exemple, le secteur Est (45°-125°) correspond à une zone de vasière homogène (voir Figure). Les données issues de ces directions de vent nous permettront donc de caractériser le fonctionnement de cet écosystème, notamment en dissociant respiration et photosynthèse grâce à l’analyse des données de NEE nocturnes et diurnes. Les secteurs Nord et Sud correspondent eux à des surfaces composites de vasières à MPB et d’huîtres sauvages, avec des densités d’huîtres différentes dans les 4 secteurs représentés (300°-355°, 355°-45°, 125°-175° et 175°-260°) et une nette dominance des huîtres dans les secteurs Nord-Ouest et Sud-Ouest (voir Figure). Outre l’analyse différenciée des données de NEE nocturnes et diurnes (comme pour le secteur Est), l’étude s’appuiera ici sur la paramétrisation des flux de la vasière (distinguant respiration et photosynthèse) issue de l’analyse du secteur Est, en tenant compte de la fraction occupée par la seule vasière dans chacun de ces 4 secteurs. Le degré de résolution de l’analyse des données d’EC dépendra bien sûr de la diversité des directions de vent que nous observerons durant les campagnes de mesure. Chaque donnée (à 10 minutes) de flux d’EC étant associée à un angle relativement aigu de direction de vent sur une distance quantifiable (en fonction de la vitesse du vent et de la stabilité atmosphérique), il est possible de la relier à une surface précise que l’on peut caractériser en terme de fraction occupée par les espèces d’intérêt.

Zone d’expérimentation autour du mât de mesure des flux par Eddy Covariance (EC). Le cercle d’un rayon de 700 m correspond au ratio classique de 100 entre fetch et hauteur de mesure des flux par EC, que l’on aura à marée basse (capteurs installés à 7 mètres de hauteur au-dessus du sédiment, avec un marnage maximum de 4.35 mètres sur la zone étudiée). La zone est ici subdivisée en 6 secteurs correspondant à des surfaces différentes (vasière seule sur le secteur Est; mélange de vasière et de récifs d’huîtres sauvages en différentes proportions sur les secteurs Nord-Ouest, Nord-Est, Sud-Ouest et Sud-Est ; chenal à l’Ouest).

 

Liens et informations utiles

  • 
V. Meleder, R. Savelli, A. Barnett, P. Polsenaere, P. Gernez, P. Cugier, A. Lerouxel, A. Le Bris, C. Dupuy, V. Le Fouest, J. Lavaud (2020). Mapping the intertidal microphytobenthos Gross Primary Production. Part I: coupling multispectral remote sensing and physical modelling. Submitted to Frontiers in Marine Science, section Marine Ecosystem Ecology, in press.
  • R. Savelli, V. Meleder, P. Cugier, P. Polsenaere, C. Dupuy, J. Lavaud, A. Barnett, V. Le Fouest (2020). Mapping the intertidal microphytobenthos Gross Primary Production. Part II: Merging remote sensing and physical-biological coupled modelling. Sumitted to Frontiers in Marine Science, section Marine Ecosystem Ecology, in press.
  • Zhang M., Jesus B., Giraud M., Launeau P., Lavaud J., Polsenaere P. & Méléder V. Estimation de la production primaire de microphytobenthos par réflectance hyperspectrale: couplage réflectance et flux de carbone. 38ème colloque de l'Association des Diatomistes de Langue Française (ADLaF 2019), 10-12 septembre 2019, Metz, France (Oral Com.)
  • R. Savelli, P. Cugier, P. Polsenaere, V. Méléder, J. Lavaud, A. Barnett, C. Dupuy, V. Le Fouest  (2019). Physical-biological coupled modelling for mapping microphytobenthos primary production on a temperate intertidal mudflat. Aslo meeting, 23 February – 02 March 2019, Puerto Rico, US. (Poster)