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Ecologie du Paysage. Jonathan Lenoir (MCU), jonathan.lenoir@u-picardie.fr Unité ”Écologie et Dynamique des Systèmes Anthropisés” http :// www.u-picardie.fr/edysan/. La naissance de la notion de paysage. Historiquement, la notion de paysage naît du regard de l’artiste (esthétique). - PowerPoint PPT Presentation
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Jonathan Lenoir (MCU), jonathan.lenoir@u-picardie.frUnité ”Écologie et Dynamique des Systèmes Anthropisés” http://www.u-picardie.fr/edysan/
Ecologie du Paysage
La naissance de la notion de paysage
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Historiquement, la notion de paysage naît du regard de l’artiste (esthétique)
Asher Brown Durand (1796-1886) « The First Harvest in the Wilderness »
Source d’inspiration
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Le paysage est également source d’inspiration dans de nombreux courants de la littérature
Jules Verne (1828-1905) « Vingt mille lieues sous les mers »
L’étymologie
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Etymologiquement, le mot « paysage » réfère à l’agencement des traits, des caractères, et de formes d’un « pays » ou portion de l’espace terrestre
Cette définition renvoie à la notion de « géomorphologie » et sera reprise par les géographes à partir de la fin du 19ème siècle
Les définitions du paysage
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Du paysage du géographe au paysage de l’écologue :
Quelque soit l’approche, le paysage est le résultat des actions des hommes s'adaptant à leur environnement naturel au cours de l'histoire
- Pour le géographe, « le paysage est un media entre la nature et la société ayant pour base une portion d’espace matériel qui existe en tant que structure et système écologique, donc indépendamment de la perception » (Bertrand 1975)
- Pour l’écologue, « le paysage est un niveau d’organisation des systèmes écologiques, supérieur à l’écosystème ; il se caractérise essentiellement par son hétérogénéité et par sa dynamique gouvernée pour partie par les activités humaines » (Baudry & Burel 1999)
L’écologie du paysage
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Le paysage en écologie :
- Un niveau d’organisation (composante du vivant)
gène molécule cellule organisme population communauté écosystème paysage …
- Une hétérogénéité d’écosystèmes (composante spatiale)
Forêt
Rivière
Ville
Agriculture
- Une dynamique gouverné par les activités humaines (composante historique)
Le reflet d’une dynamique complexe
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Clim
at
Gé
om
orp
holo
gie
Gé
olo
gie
Milieu physique Ecosystèmes Mosaïque
Act
ions
h
uma
ine
s
Structures spatiales
Théories-mères et concepts associés
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
L’écologie du paysage se base sur tout un corpus théorique :
- Théorie de la hiérarchie (Allen & Starr 1982, O’Neill et al. 1986)
- Théorie biogéographique des îles (Mac Arthur & Wilson 1963)
- Théorie des perturbations (Pickett & White 1985)
- Théorie de la percolation (De Gennes 1990)
- Théorie générale des systèmes (von Bertalanffy, 1968)
De nombreux concepts d’écologie y sont associés :
- Concept de métaclimax (Blondel 1986)
- Concept de métacommunauté (Levins 1969)
- Concept d’écocomplexe (Blandin & Lamotte 1985)
- Concept de métapopulation (Gilpin & Hanski 1991)
Théorie générale des systèmes
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Le paysage est ici représenté comme un système ou « boîte noire » dont on étudie les réactions en fonctions des éléments entrants dans le système ce qui nous fourni un feedback informationnel sur le fonctionnement de ce système
Le paysage est alors perçut comme un système constitué d’un ensemble d’éléments (écosystèmes, communautés, populations) interconnectés de telle manière que :
- Ces éléments dépendent les uns des autres (interactions biotiques)
A
B
C
D
E
F
- Des propriétés nouvelles peuvent émerger (1 + 1 = 3) au sein du système
- Ces relations de dépendances génèrent des fonctions ou services
Théorie de la hiérarchie
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Le paysage est un système hiérarchisé (cf. niveaux d’organisations) qui peut être subdivisé en niveaux inférieurs (écosystèmes, communautés, populations, organismes) et intégré dans une succession de niveaux supérieurs (régions, biomes, continents, biosphères)
Population
organisme
communauté
Ecosystème
paysage
Théorie biogéographique des îles
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
De cette théorie découle de nombreux concepts en écologie qui se basent sur les notions de :
- Connectivité des habitats
- Capacités de migration des espèces
- Isolation spatiale et temporelle
Cette théorie est transposable à de nombreux cas d’étude en écologie du paysage : par exemple, l’étude de fragments forestiers dans une matrice de champs cultivés
C’est une théorie fondamentale en écologie qui se base sur les propriétés de distance et de taille des îlots les uns par rapport aux autres ou bien par rapports a des continents voisins
Théorie biogéographique des îles
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Tau
x d
’ex
tin
cti
on
Tau
x d
’imm
igra
tio
n
Nombre d’espèces
Nb espèces dans île A = équilibre entre immigration de nouvelles espèces depuis le continent et îles environnantes (effet distance) + extinction des espèces présentes sur l’île A (effet surface)
AA
B
BC
C
Théorie des perturbations
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
En écologie, les perturbations sont des phénomènes d’origines naturelles ou anthropiques qui créent de l’hétérogénéité spatiale par effet de fragmentation des écosystèmes dont la mosaïque constitue le paysage
- Tempêtes
- Incendies
- Epidémies
- Eruptions
- Agriculture/Sylviculture
- Urbanisme
- Réseaux routiers
Théorie de la percolation
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
La théorie de la percolation s’intéresse au processus physique de flux d’une « information » à travers un « réseau »
En écologie du paysage, ce sont les phénomènes de migration d’organismes ou de populations à travers le paysage, ce dernier étant comparé à un milieux poreux dans lequel chaque individu circule plus ou moins facilement (cost-distance analyses)
- Description géométrique de la notion de connectivité
- Description du déplacement à partir d’une zone source (invasions biologiques)
Concept d’écocomplexe
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
« Espace porteur d’un ensemble plus ou moins anthropisé d’écosystèmes interactifs » (Blandin & Lamotte 1985)
- Ces interdépendances spatiales pouvant être d’origine physique, chimique, biologique, ou humaine
- Exemple : écocomplexe de bassin-versant avec des dépendances amont-aval entre écosystèmes
- C’est un réseau d’interdépendances spatiales entre écosystèmes qui définit une mosaïque fonctionnelle
Concept de métaclimax
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
La capacité de persistance d’un système écologique comme une forêt dépend de l’existence d’une structure hétérogène, telle que soit assurée en permanence la viabilité de toutes les populations intervenant dans la dynamique du système
Climax
Concept de métacommunauté
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Ensemble de communautés locales, séparées spatialement mais reliées par la dispersion de multiples organismes qui, potentiellement, interagissent entre-eux
Concept de métapopulation
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Groupe de populations d’un même organisme, séparées spatialement et qui interagissent via des échanges génétiques par dispersion
Occupé
Vacant
L’isolement géographique ainsi que la surface des fragments d’habitat favorable influencent la probabilité d’occupation ainsi que la taille de la population qu’il héberge
Habitat favorable
Melitae cinxia
Concept de métapopulation
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Exemple de deux types de métapopulations bien distinctes de par la surface et l’éloignement géographique des fragments d’habitats favorables
Plus de fragments inoccupésPeu de fragments inoccupés
Plejebus argus
Concept de métapopulation
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Concept de métapopulation
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Problématiques actuelles
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Ce corpus théorique et conceptuel constitue la boîte à outils de l’écologue du paysage lui permettant de comprendre le fonctionnement de cette « boîte noire » qui évolue actuellement dans un contexte de :
- Fragmentation des territoires
- Changements d’usages des terres
- Changements climatiques
- Erosion de la biodiversité
- Pressions anthropiques fortes
Les questions posées
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Comment la structure du paysage influence-t-elle les écosystèmes, les communautés, les populations, et les organismes qui le compose?
- La répartition spatiale des habitats influence les écosystèmes et les sociétés, les interactions entre communautés, la dynamique des populations, les relations interspécifiques et, finalement, l’évolution
· Quels sont les causes de la structuration spatiale et spatio-temporelle des paysages?
- Compétition et territorialisation, distribution des ressources et des populations, comportements liés à l’exploitation des ressources, migrations, perturbations naturelles, changements globaux…
· Peut-on déduire les processus écologiques des patrons observés?
- Observer la structure est facile , mais en comprendre les causes et les conséquences l’est moins!!!
Structures en tâches (patches)
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· L’arrangement spatial ou patron paysager peut se décomposer en tâches plus ou moins homogènes
Tâche homogène Mosaïque de tâches
Tâches qui baignent dans une matrice (matrix)
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· La matrice constitue l’ensemble dominant du paysage qui englobe les tâches
Les corridors (corridors)
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Eléments linéaires dont l’ensemble forme un réseau à travers la matrice, permettant ainsi de relier certaines tâches entre elles (fonctions fortes)
Les lisières (edges)
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Zone de contact plus ou moins complexe entre une tâche ou un corridor et la matrice (ou entre 2 tâches/corridors), où se déroulent de très fortes interactions
Zones centrales (cores)
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Par opposition aux lisières, les zones centrales ou milieux intérieurs présentent de faibles interactions avec la matrice ou les autres tâches/corridors
Relation entre lisière, zone centrale, et surface des tâches
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Plus la surface d’une tâche est importante, plus l’effet de lisière tend à diminuer comparativement à l’effet de zone centrale (effet géométrique de bordure)
Illustrations de tâches/corridors dans une matrice paysagère
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Etendues (extents) et grains (grains)
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· L’étendue correspond à la délimitation géographique de la zone étudiée (cf. cadre de l’image numérique)
· Le grain correspond à la résolution spatiale de la zone étudiée (cf. pixel de l’image numérique) : c’est la plus petite unité homogène du paysage
Modèle numérique de terrain (MNT)- Grain (30m2)- Etendue (1km2)
Choix du grain
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Le niveau de résolution du paysage étudié ne doit pas être fixé par des capacités technologiques, mais en fonctions des objectifs poursuivis
Outils d’analyse spatiale : SIG
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Un Système d’Information Géographique (SIG) permet des analyses spatiales poussées en écologie du paysage
- Objets élémentaires de type vecteur : points, polylignes, polygones
- Objets élémentaires de type raster : pixels
Données de type vecteur
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Exemple : réseaux de haies et de bosquets dans une matrice de champs cultivés
- Haies : polylignes
- Bosquets : polygones
- Habitations : points
· Exemple : réseaux de rivières et de mares forestières dans un massif forestier
- Rivières : polylignes
- Mares forestières : polygones
- Maison forestière : points
Données de type raster
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Exemple : fragments forestiers dans une matrice de champs cultivés
0 0 0 0
1 1 0 0 1
1 1 0 0 1 0
1 1 0 0 1 0 0
1 0 0 1 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 1 1
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
1 1 1 0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 1 0 0
0 0 1 1 1 1 1
0 1 1 1 1 1
0 0 0 1 0
1 1 1 0
0 1 0
0 0
Matrice de données = Représentation cartographique+ Géoréférences
(X, Y)
Corine Land Cover
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
European Forest Data Center
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Exemple de fragmentation des forêts à l’échelle paysagère
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
1990 2000
· Illustration locale de l’effet de la fragmentation de l’habitat forestier en plaine entre 1990 et 2000 (Lorraine) sur la mosaïque paysagère
Effet de la fragmentation paysagère des forêts à l’échelle régionale
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Fragmentation des forêts en plaine et en montagne (comparaison forêts de plaine en Lorraine versus forêts du massif des Vosges) entre 1990 et 2000
Perte d’habitat forestier
Gain d’habitat forestier
Stabilité
Structure spatiale de l’écosystème forestier à l’échelle nationale
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· La structure spatiale des fragments forestiers dans le paysage Français est très différente suivant que l’on se situe en plaine ou en montagne
Taille du fragment forestier
Bertrand et al. (2011)
Proximité entre fragments
Bertrand et al. (2011)
Conséquences potentielles de cette fragmentation des forêts en plaine
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Perturbation des flux de migration d’espèces entre les communautés qui composent le tapis végétal forestier (cf. métacommunautés + percolation) : retard entre températures bioindiquées par la flore et températures observées
Bertrand et al. (2011) Bertrand et al. (2011)
Exemple d’effet de lisière entre fragments forestiers et champs cultivés
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Plus on pénètre dans le peuplement forestier en s’éloignant de la lisière, plus la température et la lumière diminuent, tandis que l’humidité ambiante augmente
Espèces de lisières versus espèces de zones centrales
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Quelques indices de mesure de structure spatiale en écologie du paysage
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
- Surface totale des tâches
· Sous SIG, il est possible de calculer plusieurs types d’indices qui nous renseignent sur la structure du paysage :
- Périmètre des tâches
- Nombre totale de tâches
- Ratio surface/périmètre des tâche : mesure l’importance des lisières
- Indices de distance/proximité entre les tâches : mesure la connectivité
- Indices de forme des tâches : fractales
- Indices d’hétérogénéité
Connectivité et connectivité
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Connectivité spatiale : proximité spatiale entre les tâches d’un habitat
· Connectivité fonctionnelle : facilité avec laquelle un organisme peut migrer (percoler) d’une tâche à l’autre (organisme dépendant)
Fractale
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Une fractale désigne des objets dont la structure est invariante par changement d’échelle
- Exemple : courbe de von Koch
- Exemple : flocon de von Koch
Chou romanesco
· A partir d’un certain nombre d’itérations, l’objet est alors composé de répétitions de lui-même à la manière d’un Chou romanesco
· A ce type d’objet fractale, on peut associer une dimension fractale qui correspond à la formule :
)ln(
)ln(
h
nd
n exemplaires du fractale d’origine dont la taille à été réduite d’un facteur h (homothétie)
Autosimilarité
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· La dimension fractale représente donc un indice de l’atteinte de l’invariance d’échelle ou autosimilarité : lorsque toute partie d’un ensemble est un modèle réduit du tout
· Pas de changement de structure dans la forme de l’objet, quelque soit l’échelle
· La plupart des objets ne tendent pas vers l’autosimilarité, mais on peut tout de même calculer un indice d’affinité de l’objet à tendre vers l’autosimilarité, on parle alors de statistique d’autoaffinité
· Méthode des grilles pour le calcul de la dimension fractale
Hétérogénéité
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
Stot = 13 (43%)
Stot = 2 (7%)
Stot = 5 (16%)
Stot = 5 (16%)
Stot = 3 (11%)
Stot = 2 (7%)
· Indice fonction du nombre d’habitats et de la surface cumulée de chaque habitat
H (pi)ln(pi)i1
s
ln(s)
pi = proportion du paysage occupée par le type d’habitats = nombre de types d’habitat dans le paysage
87.0)6ln(
))11.0ln(*11.0)16.0ln(*16.0)16.0ln(*16.0)07.0ln(*07.0)07.0ln(*07.0)43.0ln(*43.0(
H
H varie entre 0 et 1 (H proche de 0 = hétérogénéité ; H proche de 1 = homogénéité)
Propriétés émergentes du système
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Corridor avec effet inducteur de dispersion
Absence de corridors
Présence de corridors
0
50
100
150
200
250
300
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Tim
e to
Ex
tinc
tion
Corridor Induced Emigration Rate
Dispersal Inducement Effect
Corridor
No corridor
L’effet inducteur de dispersion favorise l’émigration de nouveaux individus dans la tâche cible mais cela augmente également le risque d’extinction si la tâche cible constitue un habitat moins favorable
Propriétés émergentes du système
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Corridor avec effet entonnoir
Absence de corridors
Présence de corridors
L’effet entonnoir peut biaiser la direction que prennent des individus migrant s et, donc, diminuer la probabilité qu’ils migrent vers des habitats qui leurs seraient plus favorables autrement, augmentant ainsi la probabilité d’extinction
850
900
950
1000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Tim
e to
Ext
inct
ion
Funnel Effect
Low Emigration
No corridor
Corridor
Propriétés émergentes du système
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Corridor avec effet barrière
Absence de corridors
Présence de corridors
L’effet barrière à pour principe d’intercepter des individus migrant s et de les véhiculer vers des tâches cibles
L’analyse spatiale des paysages comme source de débat en écologie
Notions de paysage | Théories et concepts | Structures spatiales
· Un exemple : débat du Single Large Or Several Small (SLOSS)?
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