BioClimSol: a decision support system integrating future climate and ground conditions

BioClimSol : un système d'aide à la décision intégrant le climat futur et les conditions du sol Authors: Kathrin Böhling, Bavarian State Institute of Forestry (LWF) Benjamin Chapelet, National Center for Private Forest Ownership (CNPF-IDF) Bilal Snoussi, National Center for Private Forest Ownership (CNPF-IDF) Benjamin Cano, National Center for Private Forest Ownership (CNPF-IDF) Les systèmes d'aide à la décision sont à la base de la gestion moderne des forêts dans les pays européens. Avec le changement climatique, les mesures visant à renforcer la résilience des forêts, telles que la diversification des essences et les pratiques sylvicoles adaptatives, pourraient bénéficier des pratiques de gestion en vigueur dans d'autres pays. Le présent article passe en revue le système français d'aide à la décision BioClimSol destiné aux gestionnaires forestiers. Cet outil projette le risque de dépérissement pour 13 espèces d'arbres, considérant qu'un peuplement est dépérissant lorsqu'au moins 20 % des arbres co-dominants ou dominants ont subi une mortalité d'au moins 50 % des branches ou des rameaux. L'article explique la méthodologie, les indices et l'utilisation de BioClimSol et donne un aperçu des forêts et du changement climatique en France afin de faciliter l'apprentissage des praticiens d'autres pays. Les systèmes d'aide à la décision sont à la base de la gestion moderne des forêts dans les pays européens. Ils peuvent aider à équilibrer les objectifs écologiques, économiques et sociaux tout en relevant des défis tels que le changement climatique, la perte de biodiversité et l'utilisation durable des ressources. La recherche de solutions efficaces pour l'adaptation des forêts au changement climatique est un sujet majeur dans la science et la pratique forestières. Il est de plus en plus difficile de prévoir comment les forêts réagiront à l'évolution des températures, des précipitations et des phénomènes Les forêts de France métropolitaine et de Corse couvrent 17,5 millions d'hectares (ha), soit 32 % météorologiques extrêmes, tandis que les mesures visant à renforcer la résilience des forêts, telles que la diversification des espèces d'arbres et les pratiques sylvicoles adaptatives, pourraient s'inspirer des pratiques de gestion en vigueur dans d'autres pays. Des chercheurs de l'Institut forestier de l'État de Bavière (LWF), par exemple, ont calculé des analogues climatiques pour les forêts européennes tempérées dans ce que l'on appelle des « régions jumelles », c'est-àdire des régions où le climat actuel est comparable au climat futur attendu sur un site d'intérêt (Mette et al., 2021). De telles régions jumelles pour les forêts du nord de la Bavière sont situées dans le sud de la France (Vallée du Rhône), dans le nord de l'Italie et dans les pays des Balkans (Brandl et al., 2023). Le système bavarois d'aide à la décision pour la gestion des forêts (BayWis) fournit des informations géographiques et factuelles complètes pour la planification et les analyses, y compris des projections de croissance et des évaluations des risques pour 21 espèces d'arbres. Le présent article vise à éclairer le développement de systèmes d'aide à la décision pour la Bavière et d'autres pays en s'appuyant sur des données françaises. Il explique le système d'aide à la décision intégrant le climat futur et les conditions du sol BioClimSol en examinant sa méthodologie, ses indices et son utilisation. Afin d'esquisser le contexte de BioClimSol, l'article commence par un chapitre sur les forêts et le changement climatique en France. Résumé Introduction Forêts et changement climatique en France du territoire. Depuis près de deux siècles, la surface forestière augmente. En 1908, par exemple, la forêt couvrait près de 10 millions d'hectares. Depuis 1985, le stock de bois vivant est passé de 1,8 à 2,8 milliards de mètres cubes. Aujourd'hui, les feuillus représentent 65 % et les conifères 35 %. Les chênes (sessile, pédonculé, pubescent et vert) sont les essences feuillues les plus représentées sur le territoire (44% du volume des feuillus). L'épicéa commun et le sapin blanc représentent ensemble 40 % du volume des conifères. Cependant, ces dernières années, le volume des conifères a eu tendance à diminuer, en raison de la baisse de la production biologique, ainsi que de l'augmentation de la mortalité et de la récolte (IGN, 2024). Les trois quarts des forêts (13,1 millions d'hectares) sont privées (IGN, 2024), avec plus de 3 millions de propriétaires forestiers. Parmi eux, 2,2 millions (67 %) possèdent moins d'un hectare. Le rythme du réchauffement est variable, avec une augmentation particulièrement marquée depuis les années 1980. En 2019, la température moyenne annuelle de 13,7°C a été supérieure de 1,8°C à la normale (1961-1990), faisant de 2019 la troisième année la plus chaude depuis le début du 20ème siècle, derrière 2018 (+ 2,1°C) et 2014 (+ 1,9°C) (MTECT-SDES, 2021). L'augmentation des températures a allongé la saison de croissance de plusieurs jours par décennie, avec un débourrement plus précoce et une sénescence des feuilles plus tardive. Cela a stimulé la production dans les forêts tempérées. Cependant, cela augmente également les besoins en eau et donc le stress hydrique dans les marges méridionales des espèces. Près de 380 000 d'entre eux (11 %) possèdent plus de 4 ha, ce qui représente 76 % de la surface forestière privée. Il y a 50.000 propriétaires de plus de 25 ha (45% de la surface forestière privée), représentant la majorité des ventes de bois des forêts privées. Très peu de propriétaires possèdent plus de 100 ha. Environ 36 % des forêts privées disposent d'un document de gestion durable (CNPF-IDF, 2021). Les forêts publiques représentent un quart de l'ensemble des forêts, dont les forêts domaniales (1,55 million d'hectares) et les autres forêts publiques (appartenant aux communes, aux autres collectivités locales et aux établissements publics) (2,8 millions d'hectares) (IGN, 2024). Comme à l'échelle mondiale, l'évolution des températures moyennes annuelles en France métropolitaine montre une nette tendance au réchauffement depuis 1900. Tableau 1: Répartition des principales essences en France, © IGN 2024 Le Centre national de la propriété forestière privée (CNPF) a développé l'outil BioClimSol pour aider les forestiers à prendre les bonnes décisions en matière d'adaptation des forêts au changement climatique. Cet outil permet d'évaluer le risque de dépérissement pour 13 espèces d'arbres, en considérant qu'un peuplement est dépérissant lorsqu'au moins 20 % des arbres codominants ou dominants ont subi une mortalité d'au moins 50 % des branches ou des rameaux. Un niveau de vigilance (indice BioClimSol - IBS) pour différentes espèces d'arbres est calculé sur la base : des facteurs biologiques pour la prise en compte des êtres vivants, en l'occurrence une espèce ou un peuplement (Bio) des conditions climatiques actuelles dans la parcelle et des conditions futures selon différents scénarios (Clim) des conditions pédologiques de la parcelle (Sol), qui peuvent compenser ou catalyser les effets de stress de toutes sortes (facteurs climatiques, biotiques, topographiques, sylvicoles) Les espèces d'arbres incluses dans BioClimSol sont: le chêne pédonculé, le chêne sessile, le chêne pubescent, le chêne vert, le chêne-liège, le châtaignier commun dans les plaines océaniques, le châtaignier commun dans les climats continentaux et montagneux, le hêtre, le douglas, l'épicéa commun, l'épicéa de Norvège, le pin sylvestre, le cèdre de l'Atlas, le frêne commun. L'inclusion d'espèces supplémentaires est prevue. Le CNPF a commencé à développer BioClimSol en 2010. Cet outil est né du projet « Chênaies atlantiques » mené conjointement par les Centres régionaux de la propriété forestière (CRPF) de la façade atlantique et l'Institut pour le développement forestier (IDF). En 2008, les CRPF ont été confrontés à un nombre croissant de demandes de coupes sanitaires dans les chênaies (principalement de chêne pédonculé), notamment en Poitou-Charentes et Pays de la Loire. À plus long terme, les hivers doux risquent de perturber la dormance des bourgeons et des graines. Les compétitions entre espèces, ainsi que les cycles des champignons pathogènes et des insectes ravageurs, sont également modifiés, ce qui a des conséquences sur la vulnérabilité des espèces ainsi que sur la composition et le fonctionnement des écosystèmes forestiers. Le réchauffement du climat a réduit la prévisibilité des modèles de croissance forestière existants. Les déterminants affectant le déclin ou la progression des espèces d'arbres, y compris les niveaux de CO2, la concurrence, le parasitisme ainsi que les événements catastrophiques plus fréquents, ne sont pas suffisamment pris en compte. Les taux de dépérissement et de mortalité montrent un fort impact des dernières anomalies climatiques. Ils ont augmenté de 50 % au cours de la dernière décennie. C'est particulièrement vrai pour le pin sylvestre, dont la santé des populations s'est fortement détériorée dans les Alpes du Sud et le centre de la France. Les tendances générales sont cependant claires. L'augmentation des températures permet aux espèces d'arbres de s'installer plus au nord, à l'intérieur des terres ou à des altitudes plus élevées. Par exemple, le chêne vert, actuellement confiné à la zone méditerranéenne et à une mince frange atlantique, s'étend en Nouvelle Aquitaine et dans d'autres régions de l'Ouest grâce à des climats suffisamment doux, tout en déclinant sur la marge sud ou inférieure de son aire de répartition en raison de déficits hydriques croissants. Aide à la décision pour la gestion des espèces d'arbres dans le cadre du changement climatique Dans un premier temps, les limites climatiques de l'espèce sont définies sur la base de son aire de répartition mondiale et des données du modèle CHELSA, [1] de Météo France (AURELHY, SAFRAN), d'AgroParisTech (DIGITALIS) et de l'IGN (MNT - modèle numérique de terrain). Obtenues pour certaines variables par descente d'échelle, les résolutions utilisées sont très fines (de 25 m. à 75 m.) et recherchent la meilleure précision pour une expertise fiable à l'échelle de la parcelle. Les scénarios climatiques futurs sont exprimés en termes de degrés d'augmentation de température par rapport à la normale climatique 1981-2010, et paramétrés selon les tendances du modèle DRIAS de MétéoFrance. Par exemple, dans le cas du chêne pédonculé, un transect climatique est défini par rapport au bilan hydrique climatique (du plus favorable au plus défavorable), et à l'intérieur de ce transect, des placettes de mesure sont sélectionnées aléatoirement sur le terrain. Dans un second temps, différentes données concernant les placettes sont collectées (sol, caractéristiques hydromorphiques, réservoir utilisable, pH, caractéristiques dendrométriques, Des études avaient démontré l'impact d'années répétées de fort déficit hydrique sur la perte de vitalité des peuplements de chênes, notamment de chênes pédonculés. Les cartes existantes de prédiction du dépérissement des essences présentaient de sérieuses limites. La possibilité d'établir des cartes de vigilance climatique est une innovation de l'outil BioClimSol. L'outil soutient l'expertise de terrain des praticiens concernés, qui reste centrale pour évaluer précisément le risque de dépérissement des espèces d'arbres sélectionnées. BioClimSol a été construit avec la participation de partenaires scientifiques et d'organismes de recherche : le Département de la Santé des Forêts, Météo France, INRAE, AgroParisTech et l'IGN. Le Groupe Opérationnel SPNA - Sylviculture de précision en Nouvelle-Aquitaine - a été le « cas d'étude » pour tester le déploiement de l'outil à travers une session de formation spécifiquement organisée dans les peuplements de châtaigniers. Les retours et commentaires des utilisateurs ont permis d'améliorer l'application. [2] CHELSA (Climatologies at high resolution for the earth’s land surface areas). Katso: 222 (last access: 06.12.2024) [1] Katso: https://www.cnpf.fr/nos-actions-nos-outils/outils-et-techniques/bioclimsol (last access: 06.12.2024) Figure 1: Indice de dépérissement BioClimSol (IBS) La méthodologie BioClimSol âge, état sanitaire, etc.). Une méthode statistique élaborée est appliquée pour identifier et pondérer les facteurs explicatifs du dépérissement, et pour mesurer leurs effets d'interaction. Le modèle aboutit à la formulation d'une équation permettant d'évaluer la probabilité de rencontrer un phénomène de dépérissement. Selon cette méthode, un modèle de dépérissement est produit à partir d'un minimum d'une centaine de parcelles de terrain et caractérise un phénomène observé, spécifique à l'espèce et au contexte étudié (y compris temporel). Depuis 2019, 36 études, impliquant près de 5.000 placettes de mesure et 100.000 arbres mesurés selon le même protocole, ont été utilisées pour calibrer le niveau de vigilance. Le protocole de collecte des données est standardisé. Depuis 2019, 36 études, impliquant près de 5.000 placettes de mesure et 100.000 arbres mesurés selon le même protocole, ont été utilisées pour calibrer le niveau de vigilance. Le protocole de collecte des données est standardisé. Par exemple, pour le chêne pédonculé en 2019, 310 placettes ont été utilisées pour établir le modèle et trois études ont été réalisées avec des mesures pour plus de 100 critères, et une analyse statistique à 5% (voir Lemaire et al., 2022 pour le pin sylvestre). Il existe trois niveaux de vigilance : Vigilance modérée (de 1 à 3 sur 10) avec un risque faible de dépérissement (25 % de chance de rencontrer un dépérissement selon les seuils précédences); Vigilance élevée (de 4 à 7 sur 10) avec un risqué de 60 à 90 %; Vigilance maximale (7 à 10) avec un risqué de 60 à 90 %. Le modèle fonctionne avec un climat constant et un climat à +1°C et +2°C d'augmentation moyenne de la température. Il pourrait également fonctionner pour des augmentations de température de +3°C, +4°C et plus. Dans le cadre de BioClimSol, un indice de niche (INB) a été ajouté pour identifier les espèces alternatives à des fins de reboisement. Les projections pour l'indice de niche des espèces d'arbres sont basées sur trois sources de données: climatiques, topographiques et édaphiques. Figure 2: BioClimSol niche index (INB) Modélisation des niches pour des essences alternatives Les seuils de 7 paramètres climatiques sont extraits du modèle climatique global CHELSA (quantile 90% de la gamme des espèces incluses). Ces seuils sont ensuite projetés sur les gradients climatiques de la France (scénarios climatiques actuels et futurs). Le résultat est représenté sous forme de pictogramme selon trois classes de probabilité (<30%, 30 à 70%, >70%). Les facteurs limitants liés à la topographie et au sol sont également exprimés par des pictogrammes basés sur une matrice (catégorielle) des exigences auto-écologiques des espèces, ellemême paramétrée par des travaux bibliographiques et des enquêtes d'experts. Fin 2024, un IBN pour 34 espèces est disponible dans l'outil. 20 nouvelles INB seront intégrées en 2025-2026. Trois modules sont disponibles pour consulter l'expertise de l'outil : la visualisation des données climatiques sur la parcelle, le diagnostic du peuplement et le diagnostic des solutions de renouvellement. Les modèles de dépérissement (IBS) et de niche (INB) sont intégrés dans l'application mobile sous forme d'algorithmes. A l'issue des calculs, BioClimSol apporte son expertise sous forme d'évaluation des risques pour une gamme d'essences dans différents scénarios climatiques, aussi appelés niveaux de vigilance. Ces évaluations calculées du risque de dépérissement des espèces d'arbres et des niches pour les espèces d'arbres alternatives peuvent ensuite être utilisées pour élaborer des recommandations de gestion. Ces recommandations apparaissent comme des conseils de gestion généraux pour la gestion adaptative des forêts dans le contexte du changement climatique, qui peuvent être adaptés au contexte local par une réflexion technique plus approfondie. Lorsqu'un niveau de vigilance est alerté, il est nécessaire de bien identifier les facteurs intervenant dans l'évaluation du risque, notamment en examinant les paramètres qui ont le plus d'influence sur le déclin de l'espèce étudiée. Lors de l'enregistrement des diagnostics sur l'application, les données de terrain (incluant le niveau de dépérissement des peuplements diagnostiqués, ainsi que l'ensemble des variables stationnelles et sylvicoles enregistrées) sont stockées sur les serveurs de l'outil et régulièrement mises à jour par les travaux de recherche et développement (R&D) en cours. L'application mobile BioClimSol permet ainsi un apprentissage continu et une amélioration des performances du modèle. Les cartes BioClimSol sont disponibles pour des usages spécifiques (politiques forestières, travaux de recherche, etc.) et sont soumises à des conditions contractuelles strictes (convention, charte d'utilisation, etc.). De plus, elles sont systématiquement accompagnées de clés d'interprétation qui détaillent les sources de données, les conventions de lecture et les limites d'interprétation et d'utilisation. Une application mobile BioClimSol est disponible pour Android. Elle représente l'interface d'acquisition de données pour un utilisateur sur le terrain, lui permettant de : enregistrer des informations générales sur le diagnostic (lieu, nom du projet), enregistrer les caractéristiques du peuplement (espèces diagnostiquées, caractéristiques dendrométriques), décrire le sol (réservoir d'eau « utilisable », pH, hydromorphie), indiquer la présence de problèmes sanitaires (fréquence et intensité des principaux problèmes), noter le niveau de dépérissement du peuplement (protocoles ARCHI et/ou DEPERIS). Utilisation des applications BioClimSol References Brandl, S.; T. Mette, M. Aubry, B. Bußmann, J. Gaiger, M. Schaller, M. Stapff, S. Taeger, E. Ulrich (2023) Ein Reisebericht aus der Klimazukunft. LWF Aktuell 4 I 2023, S. 4-7. https://www.lwf.bayern.de/bodenklima/umweltmonitoring/333212/index.php CNPF-IDF. (2021). Dossier: "Chiffres clés de la forêt privée" (coordonné par J. Thomas et N. Maréchal). Forêt entreprise, (256), 18 - 52.https://librairie.cnpf.fr/produit/106/978238558 0261/foret-entreprise-n-256 Institut National de l’Information Géographique et Forestière (IGN). (2024). Inventaire forestier : le mémento, édition 2024. https://inventaireforestier.ign.fr/IMG/pdf/memento_2024.pdf. Mette, T.; S. Brandl, C. Kölling (2021) Climate analogues for temperate European forests to raise silvicultural evidence using twin regions. Sustainability 13 (12). https://doi.org/10.3390/su13126522 Lemaire, J.; M. Vennetier, B. Prévosto, M. Cailleret (2022) Interactive Effects of Abiotic Factors and Biotic Agents on Scots Pine Dieback: A Multivariate Modeling Approach in Southeast France. Forest Ecology and Management 526:120543. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2022.120543 FOREST4EU Project FOREST4EU Project [email protected] forest4eu.eu Funded by the European Union (Grant n. 101086216). Views and opinions expressed are however those of the authors only and do not necessarily reflect those of the European Union or REA. Neither the European Union nor the granting authority can be held responsible for them. partners: 12.12.2024 Contacts Further information Kathrin Böhling, [email protected], LWF Benjamin Chapelet, CNPF, [email protected] Bilal Snoussi, CNPF, [email protected] Benjamin Cano, CNPF, [email protected] Further information on BioClimSol