Observation and simulation of evapotranspiration partitioning under wet and dry canopy conditions in a boreal forest of eastern Canada

La forêt boréale représente environ le tiers des biomes forestiers du monde et occupe la deuxième plus grande superficie de végétation derrière les forêts tropicales. Compte tenu de sa grande répartition géographique, la forêt boréale régule les flux d'eau sur de vastes zones et a donc un impact sur la climatologie et l'hydrologie à l'échelle régionale et mondiale. Il est donc crucial de comprendre les interactions entre cet écosystème et l'atmosphère. De nombreuses études ont porté sur l'évapotranspiration des forêts boréales, mais seule une poignée d'entre elles se sont intéressées à la dynamique du fractionnement de l'évapotranspiration en transpiration du couvert forestier, évaporation de l'eau interceptée et évapotranspiration du sous-étage forestier à une échelle temporelle fine. L'objectif principal de cette thèse est d'analyser la dynamique de l'évapotranspiration, en particulier la transpiration du couvert forestier et l'évaporation de l'eau interceptée, dans une forêt boréale humide de l'est du Canada. L'approche est basée sur des observations in situ originales et des sorties de modèles du Canadian Land Surface Scheme (CLASS, tourné en mode 'standalone'), à la Forêt Montmorency (47°17′18″N ; 71°10′05.4″W) de l'Université Laval, Québec, Canada. Ce site est classé comme une forêt boréale humide avec un indice d'aridité de 0,57 et des précipitations annuelles moyennes de 1583 mm (60% de pluie, 40% de neige). Cette région est sous l'influence d'un climat continental subarctique (classification Köppen Dfc), avec une température annuelle moyenne de 0,5℃ et une saison de croissance s'étendant de juin à octobre. Le dispositif expérimental est composé de deux sites avec des peuplements de sapins baumiers à différents niveaux de maturité (stade juvenile (site 'Juvenile') et stade gaule (site 'Sapling')), tous deux équipés d'une tour à flux. Le peuplement le plus mature du site Juvenile a un indice moyen de surface foliaire plus élevé (3,6) que celui du site Sapling (2,9). L'évapotranspiration des peuplements de sapins baumiers a été mesurée par un système de covariance des tourbillons installé sur la tour à flux, tandis que la transpiration du couvert forestier et son bilan hydrique ont été mesurés à l'intérieur de trois parcelles de 400 m² situées à proximité de chaque tour à flux. L'analyse se concentre sur les saisons de croissance de 2017 et 2018. Cette thèse est divisée en trois objectifs spécifiques. Le premier objectif spécifique est d'analyser la dynamique de la transpiration du couvert forestier dans des conditions transitoires d'humidité de la canopée. La transpiration a été obtenue à partir de mesures de flux de sève à l'aide de la méthode de dissipation thermique sur 12 arbres échantillonnés à chaque site. Les incertitudes liées au processus de passage de l'échelle de l'arbre à celle du peuplement ont été quantifiées, en particulier grâce à l'étalonnage en laboratoire des capteurs de flux de sève réalisé sur des échantillons de sapin baumier. Les résultats ont montré que la transpiration diminue lorsque la couverture de la canopée est en phase d'humidification, et augmente lorsqu'elle est en phase de séchage. Le rayonnement net, le déficit de pression de vapeur et la présence de gouttes de pluie sur les aiguilles des arbres jouent tous un rôle dans la régulation de la transpiration des arbres. À l'échelle saisonnière, la transpiration du couvert forestier a représenté tout au plus 47% de l'évapotranspiration totale. Ces résultats suggèrent que l'évaporation de l'eau interceptée par la canopée est un terme important du bilan hydrique de la canopée. Ainsi, dans la deuxième partie de la thèse, nous avons analysé la dynamique de l'interception de la canopée autour d'événements pluvieux de l'échelle de la demie-heure jusqu'à la saison de croissance dans son ensemble. Afin de mesurer le bilan hydrique de la canopée, des dispositifs de mesure de la précipitation et du débit s'étalant le long des troncs ont été déployés, de même qu'un dispositif mesurant la compression d'un tronc d'arbre en continu. Cette nouvelle technique, qui permet d'associer la compression d'un arbre à l'eau interceptée, n'avait jusqu'alors jamais été testée au cours d'une saison de croissance complète. Outre l'estimation des précipitations interceptées, les résultats du bilan hydrique de la canopée et le système de suivi de la compression d'un tronc d'arbre ont également été utilisés pour estimer le stockage maximal d'eau dans la canopée. Le stockage d'eau maximum de la canopée estimé par la méthode du bilan hydrique de la canopée s'est révelé en moyenne de 1,6 mm (≈ 0, 49 mm par unité d'indice de surface foliaire) et de 2,2 mm en utilisant le système de suivi de la compression d'un tronc d'arbre. Au cours des deux saisons de croissance étudiées, l'évaporation de l'eau interceptée a représenté entre 16% et 27% de l'évapotranspiration totale. Enfin, pour le troisième objectif spécifique de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la capacité du modèle CLASS à reproduire les observations du cheminement vertical de l'eau à travers la canopée forestière. Malgré quelques légères différences entre les observations et les simulations, CLASS s'est avéré capable de simuler avec précision le fractionnement de l'évapotranspiration observée dans des conditions de canopée sèche et humide. Les performances se sont avérées encore meilleures lorsque la capacité de stockage de la canopée dans le modèle a été supposée égale aux observations. Les principaux écarts entre les observations et les sorties du modèle ont principalement été causés par des différences de temps de séchage de la canopée observés vs simulés. Cette thèse fournit un examen détaillé de l'évapotranspiration en forêt boréale humide, en mettant l'accent sur les transitions entre les conditions sèches et humides de la canopée. Les résultats obtenus sont importants pour le développement de modèles hydroclimatiques réalistes et performants au Canada et dans d'autres régions froides du monde.

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