Modélisation du développement architectural, de l'acclimatation au vent dominant et de l'ancrage du système racinaire du pin maritime

Abstract

Plus de la moitié des pertes de bois dans les forêts européennes sont dues aux tempêtes. Une connaissance des mécanismes impliqués dans la stabilité mécanique des arbres est alors capitale. L’ancrage de l’arbre dans le sol constitue l’une des composantes principales du maintien mécanique de l’arbre. Il est principalement déterminé par l’architecture du système racinaire et son interaction mécanique avec le sol. Au cours de son développement, l’arbre modifie ses dimensions et se complexifie. Plus particulièrement, le système racinaire semble s’acclimater (ex : croissance en diamètre plus importante) aux déformations engendrées par le vent. L’ensemble de ces modifications conduit à une évolution des mécanismes à l’origine de l’ancrage au cours du développement de l’arbre. L’étude expérimentale de cette fonction est compliquée car les racines sont difficilement mesurables en continu dans le sol. Nous avons alors mis au point une approche numérique pour décrire la croissance du système racinaire et la distribution des déformations dues au vent. Une grande base de données structurée en chronoséquence de systèmes racinaires numérisés (Pinus pinaster) a été mobilisée. Comme l’étude de la structure et des fonctions des racines est plus efficiente quand la différentiation entre racines est prise en compte, nous avons d’abord formalisé les types racinaires du système racinaire du pin maritime à partir d’une technique de classification (« k-means clustering ») réalisée avec quatre variables. La classification des racines latérales du pin maritime nous a permis d’identifier 5 types racinaires au cours du développement du pin maritime. Ce regroupement explique 70% de la variabilité de notre base de données. Chaque système racinaire est caractérisé par trois grosses racines horizontales émises par la souche. Les racines montrent une forte différentiation pour leur tropisme, avec une direction de croissance soit horizontale soit verticale. La structure de la partie centrale du système racinaire est pratiquement complète dès l'âge de 4 ans. Sur la base des types racinaires identifiés, nous avons calibré un modèle architectural (RootTyp ; Pagès et al. 2004) pour le pin maritime. Treize paramètres pour chaque type racinaire ont été estimés par l’intermédiaire de la base de données, d’informations issues de la littérature et d’une procédure d'optimisation. Une modélisation réaliste du système racinaire jusqu'à 50 ans n’a pu être obtenue qu'en implémentant au modèle RootTyp de nouveaux processus biologiques : la diminution de la ramification avec la croissance de la racine et la diminution de la vigueur des racines avec l'ordre de ramification. Malgré ces améliorations, les systèmes racinaires de la base de données présentent des diamètres plus importants à proximité de la souche par rapport aux systèmes racinaires simulés. Ce biais systématique est principalement attribué à l’acclimatation des racines au vent dominant. Les altérations de croissance dues aux contraintes pédologiques ont également été implémentées grâce à l’amélioration du module de sol du modèle architectural.Enfin, pour comprendre les mécanismes à l’origine de l’acclimatation des racines nous avons combiné plusieurs modèles pour prédire la distribution spatiale des déformations dans des maquettes simplifiées de systèmes racinaires à 4, 6 et 13 ans, pour trois régimes de vent spécifiques à la région étudiée. D’après les simulations, les déformations des racines sous l'effet du vent diminuent avec l’âge, en raison de l’augmentation de la rigidité des racines. Cela suggère une plus forte réponse thigmomorphogénétique aux stades jeunes. Les modifications structurelles et anatomiques du système racinaire par acclimatation au vent s’expliquent principalement par les distributions des déformations et des contraintes dans les racines.