E16 Transport de masse et d'énergie dans l'écosystème

Topique

L'écosystème terrestre échange continuellement du carbone, de l'eau et de l'énergie avec l'atmosphère. Le bilan net de ces échanges résulte, à tout instant, des flux entre l'écosystème et l'atmosphère.

Concernant le carbone, la productivité primaire brute (PPB) quantifie la quantité de carbone fixée par la végétation grâce à la photosynthèse, tandis que la respiration de l'écosystème quantifie la quantité de carbone rejetée dans l'atmosphère par la respiration des végétaux et des organismes du sol. La différence entre ces deux processus détermine l'échange net de carbone de l'écosystème. Lorsque la PPB est supérieure à la respiration de l'écosystème, le bilan favorise la capture du carbone et l'écosystème agit comme un puits de carbone ; lorsque la respiration est supérieure à la PPB, le bilan favorise le rejet de carbone et l'écosystème agit comme une source de carbone.

Concernant l'eau, l'évapotranspiration quantifie le transfert d'eau de l'écosystème terrestre vers l'atmosphère. Ce processus inclut principalement la transpiration de la végétation et l'évaporation du sol et des surfaces de végétation humides. Ainsi, l'évapotranspiration relie directement l'écosystème au cycle hydrologique : la vapeur d'eau transférée dans l'atmosphère participe à la circulation atmosphérique et peut ensuite retomber à la surface sous forme de précipitations, soit sur le même territoire, soit dans d'autres régions.

Ces échanges peuvent être étudiés à l'échelle de l'écosystème grâce à la technique de covariance des vortex turbulents utilisée dans les tours de flux. Une tour mesure en continu les fluctuations rapides de la vitesse verticale de l'air ainsi que les concentrations de CO₂ et de vapeur d'eau, permettant ainsi de déterminer les flux nets turbulents de carbone et d'eau entre la surface et l'atmosphère. Elle permet également de quantifier les composantes des échanges d'énergie, telles que les flux de chaleur sensible et latente.

Dans le cas du carbone, il est important de distinguer ce que la tour mesure directement de ce qui est déduit a posteriori de ces mesures. La tour détermine l'échange net de CO₂ de l'écosystème, mais cet échange résulte de la combinaison de deux processus opposés : l'absorption de carbone par la photosynthèse et son rejet par la respiration. Par conséquent, la productivité primaire brute et la respiration de l'écosystème ne sont pas mesurées directement et indépendamment par la tour, mais estimées en isolant a posteriori les échanges nets observés à l'aide de procédures de partitionnement. Le principal avantage de la covariance des vortex est qu'elle intègre les échanges se produisant sur une vaste zone autour de la tour, permettant ainsi d'observer le comportement global de l'écosystème sans avoir à mesurer individuellement chaque plante, chaque parcelle de sol, ni chacun des processus contribuant au flux total.

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