Gestion des agrosystèmes À l’échelle du paysage

Sandrine Petit

UMR Agroécologie

INRA Dijon sapetit@dijon.inra.fr

Cours M2 BIPME

Introduction à l’écologie du paysage Le paysage: structure et dynamique

1935: introduction de la notion d’écosystème par Tansley

• Milieux naturels sont stables • Une biocénose homogène dans un environnement homogène • Communautés closes et saturées d’espèces adaptées à leur milieu et ajustées entre elles, essentiellement par des phénomènes de compétition

Jusque dans les années 1970s

Une association ou communauté d'êtres vivants et son environnement géologique, pédologique et atmosphérique.

Ecologie du Paysage: émergence d’une nouvelle discipline

écologie, géographie, agronomie, hydrologie, etc…

Un ensemble d’écosystèmes en interaction. Un paysage a une structure, est dynamique et a des fonctions écologiques. Forman, 1997

L ’écologie du paysage : les questions

Identifier les relations entre structure spatiale des paysages (et leur dynamique) et fonctionnements écologiques Identifier les facteurs contrôlant la dynamique des paysages

Le paysage, un niveau d’organisation des systèmes écologiques qui contrôle des processus écologiques

La représentation de l’espace

Images satellitaires

Photographie aérienne

Données de terrain

Les sources de données

L’échelle de représentation

• Etendue de la surface étudiée (« extent »)

• Finesse de la représentation cartographique (« grain »)

Pourquoi quantifier un paysage ?

(1) Pour comparer objectivement différents

paysages ou différents types d’éléments au sein d’un même paysage

(2) Pour identifier les processus générant les

structures observées

(3) Pour comprendre l’impact du paysage sur les processus écologiques…

Landscape metrics : les indices paysagers

La variété et l’abondance des types de classes

constituant le paysage.

40% feuillus

40% prairies intensives

20% terres arables

Densité de haies

Composition du paysage

La diversité du paysage: nombre de types

d’occupation du sol

Les caractéristiques spatiales et la

distribution des éléments.

Par type d’occupation du sol (feuillus)

Nombre de taches = 25

Taille moyenne des taches = 3.2 ha

Distance moyenne entre taches = 386 m

Structure du paysage

Concept de connectivité structurelle:

continuité spatiale

L’hétérogénéité augmente avec le nombre de types d’éléments

L’hétérogénéité augmente quand l’arrangement spatial se complexifie

Hétérogénéité du paysage

Isolement = baisse de la connectivité structurelle

Reduction de superficie

Fragmentation

Degré de fragmentation d’un habitat

Yellowstone, USA premier parc national 1988 : le grand incendie

Introduction à l'Ecologie du Paysage

Dynamique des paysages: les perturbations

Introduction à l'Ecologie du Paysage

1775

Coniferous woodland

Wet meadow

Bog

Grassland / crop

Heathland

Broadleaved woodland

Mixed woodland

1868 1923 1973

Ex: 200 ans sur une commune dans les Ardennes

Evolution des activités humaines sur un territoire

1847: Fin du

pâturage

collectif 1860: chemin

de fer, chaulage

et mise

en culture

des landes

1890: crise du blé

Début des plantations

forestières

Evolution des activités sur un territoire

Cultures et prairies Lande

Bois decidus Coniferes

Prairies humides

1923 1953 Sur des décennies

1775 1985

Mutation agricole d’après guerre

1960 1980 2000

Introduction à l'Ecologie du Paysage

Exemple des bocages de l’Ouest de l’Europe

Transformation des structures bocagères 1952 -1990

Espace boisé apparu

Haie continue apparue

Haie discontinue apparue

Espace boisé disparu

Haie continue disparue

Haie discontinue disparue

0

50

100

150

200

250

300

350

Côtes

d'Armor

Morbihan

densité de haies (m/ha)

1961

1982

(P. Morant, Costel)

Reconstitution de l’évolution d’un

paysage à Pleine-Fougères

Doc:CNDP/La Cinq

Evolution des paysages agricoles

Globalement…

Spécialisation des productions (espace)

Augmentation de la taille des parcelles (espace)

Simplification des rotations (temps)

Destruction des habitats interstitiels non cultivés

Homogénéisation

1950 2000

Mais aussi l’urbanisation…

Exemple au Sud de l’Europe

1890 1987

Et l’arrêt de l’usage des terres (pâturage)

Ex: fermeture des paysages en moyenne montagne

Effet du paysage sur les communautés et populations

Introduction à l'Ecologie du Paysage

Structure du paysage Matrice / taches / corridors

Matrice : élément dominant

Taches : habitats particuliers

Corridor : structure linéaire

Milieu intérieur

lisière

Introduction à l'Ecologie du Paysage

Espèces de milieu intérieur Espèces multi-habitats

Espèces de lisière

Réponse des espèces au paysage

Introduction à l'Ecologie du Paysage

Théorie de la biogéographie des îles (Mac Arthur et Wilson, 1967)

Introduction à l'Ecologie du Paysage

Une théorie applicable aux îles continentales

Le concept de métapopulation

Une population formée de sous populations qui s'éteignent et

recolonisent localement

Plusieurs modèles de métapopulation

Levins, 1969

t t + 1

Coeur-satellite

Source-puits

La métapopulation existe-t-elle dans la nature?

Population continue Métapopulation

Populations isolées

Fragmentation

Distance de dispersion

Réaction des espèces à la fragmentation

Métapopulation et paysage

Taux d’extinction

Taille du patch (taille de la population)

Qualité de l’habitat (taille et succès de la population)

Isolement (pas d’arrivée de colonisateurs

pour consolider une population)

Taux de colonisation

Distance au patch occupé le plus proche

(accès au patch)

Qualité de l’habitat

Présence de corridors ou stepping stones

Ex: Papillon Hesperia comma (Hanski et al., 1990)

Distance au patch le +

proche

Tail

le d

u p

atc

h

Patchs occupés

Patchs vacants

Réponse des espèces au paysage

Degré de spécialisation à un ou des habitats

Espèces généraliste vs espèces spécialistes

Capacité de dispersion

Espèces plus ou moins mobiles

Aussi échelles de perception de l’espace et du temps ….

Fonctionnements de populations dans un paysage

Diminution de la surface de milieux d’intérieur

Rupture des flux d’individus entre populations locales

Inaccessibilité de la ressource en eau

Passage d'une structure autoroutière

Le maintien des espèces dans un réseau bocager

Déstructuration

Réseau connecté taches /corridor flux importants

Groupes d'éléments isolés habitat source non connecté

Maintien des populations ? Populations continues et grandes métapopulations

Applications de ces concepts et méthodes dans les agrosystèmes

Plantes 50% des espèces en déclin (surtout des annuelles) Des espèces envahissantes Insectes 1/3 des espèces (papillons, carabes , pollinisateurs) Oiseaux : 1/4 des espèces en déclin ( granivores) Mammifères : Déclin de la majorité des espèces Augmentation des espèces communes (lapin, renard)

Une perte de diversité et un déclin général des espèces animales et végétales

Evolution de la biodiversité en milieu agricole

« La conservation de la biodiversité sur ces espaces agricoles est devenue aussi

préoccupante que dans les espaces semi-naturels ou protégés ».

Biodiversité patrimoniale

-Biodiversité agricole ou cultivée

-Biodiversité associée : espèces « rares »

-mais aussi biodiversité « ordinaire »

Perte ou déclin important de la distribution

ou de l’abondance d’espèces

Ex: Indicateur européen ‘Farmland birds’

Biodiversité et services agro-écologiques

-Régulation naturelle des ravageurs de cultures (auxiliaires)

- Pollinisation des cultures

-Fertilité et productivité des sols (bactéries)

- Fonctionnement des cultures (mycorhizes)

La reconnaissance que la biodiversité a des fonctions

qui sont importantes pour l’agriculture et sa durabilité

Quelle perte d’espèces (et identité des espèces) avant

de menacer le bon fonctionnement écologique du système?

Exemple: flore dans 158 champs

de Côte d’Or

(Fried et al. 2009)

Nombre d’espèces par champ années 2000

No

mb

re d

’es

pèc

es p

ar

ch

am

p a

nn

ée

s 1

97

0

Exemple d’évolution de biodiversité:

la flore adventice

Les fonctions de la flore adventice?

Fusariose

Ergot

Rendement

agricole

Hôte alternatifs de

pathogènes de la

culture

Base des

chaines

alimentaire

s

Pollinisateurs

Insectes, oiseaux

Baisse des ressources trophiques dans les

parcelles pour l’avifaune

Non-Outlier MaxNon-Outlier Min

75%25%

Median

Change in richness of birdfood plants 78-90-98

In fields cultivated in every year of survey

Ric

hn

ess o

f b

ird

foo

d p

lan

ts

EZ: 1

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

1978 1990 1998

EZ: 2

1978 1990 1998

Evolution du nombre moyen de plantes utiles à l’avifaune

par parcelle entre 1978, 1990 et 1998

Finalement la biodiversité ….

Maintenir des habitats riches en espèces

Maintenir une espèce patrimoniale

Maintenir des services écologiques

etc ….

1. Flore Adventice

• Végétation spontanée présente dans un champ

• Environ 1200 espèces en France

ANR project ADVHERB

EU project PURE

Ex: les bandes enherbées réglementaires

FESPR

HOLMO

GERRO

LINVU

ARTVU

TRODM

TRFPR

VICSA

ERIFL

SONAR

CLVVT

CATSS

GALMO

RUMOB

MENSU

EPHPL

EUPCA

SENJA

PLAMA

HEEHE

TRFRE

HYPPE

LITAR

FESAR

SILVU

CIRVU

RANRE

MELAL

GALCR

ARREB

ATXPA

PLALA

FESRU

SALPR

DAUCA

POAPR

POLLA

CRXSS

RUBSS

GERDI

CIRAR

LTHTU

PICHI

BROSS

GLEHE

MYOAR

AGRRE

VERPE

VERHE

GALAP

LAPCO

EQUAR

VLLSS

VERPO

EPHHE

ALOMY

GAELA

POLAV

POLCO

SINAR

CAPBP

CHEAL

PAPRH

VIOTR

SONAS

AETCY

EPHSE

MERAN

SENVU

POATR

POLPE

ANGAR

URTDI

VIOAR

DACGL

LAMPU

LOLSS

CONAR

POAAN

STEME

TOIAR

ABGSS

FUMOF

PTLRE

GERCO

ACHMI

MATCH

SCAPV

LEPCA

MEDLU

GCTTO

FICVE

PICEC

FRAVE

PAVSA

PTLAN

GERMO

ERPVE

Sown-grass-strip side Boundary side

Sown-grass-stripside only

Boundary speciesextending their

habitat

Favouredspecies

Arable species

Disfavouredspecies

Boundaryside only

Espèces qui restent dans

la bande enherbée

Espèces de bordures qui entrent la

bande enherbée

Espèces de bordures qui entrent dans la

parcelle

Espèces de champ qui ne colonisent

pas ou sont filtrées par la bande

enherbée

Bordure

Bordure Bande

enherbée

T Transects (13 parcelles)

Cordeau, Petit, Reboud, Chauvel (2012) Agriculture Ecosystems & Environment

La flore modifie sa distribution quand de nouveaux habitats sont créés

Effet des Pratiques agricoles et du paysage

±

0 5 000 10 0002 500Mètres

Légende

MAEt réduction

herbicide

bio

témoin

routes et cheminsLégende

MAEt réduction

herbicide

bio

témoin

routes et chemins

Légende

MAEt réduction

herbicide

bio

témoin

routes et chemins

Légende

MAEt réduction

herbicide

bio

témoin

routes et chemins

130 champs de blé

- PAYSAGE

Taille des parcelles +

diversité du paysage

- PRATIQUES

Pression herbicide +

Fertilisation azotée

Travail du sol

CONV – MAE -BIO

Stage Master 2 AL Grison (S. Petit, N. Munier-Jolain, V. Bretagnolle)

ZA CHIZE

Zone atelier Chizé (79) Un paysage complexe est plus riche en adventices

123 parcelles de blé

Caractéristiques des parcelles Taille, précédent cultural Composition du paysage:

% occupée par les types d’occupation du sol Structure du paysage:

Nombre de parcelles dans le rayon, Diversité des occupations du sol

Rayons 200m à 1km

Gaba, Chauvel, Dessaint, Bretagnolle, Petit (2010) Agriculture Ecosystems & Environment

Champ

22.1 % Composition

14.4 %

Structure

48.9%

% i

nd

ep

en

de

nt

eff

ec

ts

Spatial

14.6 %

Le modèle ‘paysage’ explique 20%

des variations en richesse

dans le blé;

cet effet est essentiellement

du à la structure

Paysage: un filtre pour les espèces adventices

Flore du blé

50% cultures

10% prairies

35m haies/ha

15% cultures

35% prairies

90m haies/ha

Diversité (field) = 6.1

Diversité (landscape) = 41

Diversité (field) = 10.2

Diversité (landscape) = 59

Richesse

Stage Master 2 B. Sauzeau (S. Petit, D. Lecoeur)

Excess* Anémogames

Attributs des espèces

Entomogames

51

ZA Pleine-Fougères

Les acteurs sont divers (oiseaux, petits mammifères, invertébrés Zoom sur les prédateurs coléoptères carabidae

Harpalus insecte.org

Amara aenea home.scarlet.be

Granivores

strict Omnivores Carnivores

Brachynus sclopeta ptolemaeus.canalblog.com

Pterostichus melanarius http://users.skynet.be

Poecilus cupreus kaefer-der-welt.d

Anchomenus dorsalis entomart.be

Régulations biologiques: prédations de graines adventices par les insectes

Un service écosystémique (prélèvement de graines

qui ne retournent pas dans la banque de graines dans le sol)

• Tests de préférence

Qui mange quoi ?

Consommation moyenne par jour et par individu par espèce de carabique et espèce adventice.

Harpalus insecte.org

Amara aenea home.scarlet.be

Poecilus cupreus kaefer-der-welt.d

Etudes en laboratoire

Régulations biologiques: études au champ

Mesure de la prédation et des prédateurs

Cartes de prédation

et cages à exclusion

Pièges à interception

Pour les carabidae

Distribution de la prédation de semences par les

invertébrés au cours de la culture du blé

Pourcentage de graines mangées

0

20

40

60

80 Moisson

Mai 2 juin1 juin2 juil1 juil2 aout1 aout2 sept1 sept2 oct1

Abondance de carabes Taux de prédation

Avril

Juin

Mettre en évidence le lien prédateurs / prédation

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100 120 140

Pré

dati

on

rate

Abundance de carabes consommateurs de graines

Prédation: étude régionale

Stage Master 2 A. Trichard (S. Petit))

ZA Fénay-Bourgogne

Harpalus insecte.org

Granivores Omnivores

Po

ecilus cu

preu

s kaefer-d

er-welt.d

Taux de prédation de graines

d’adventices

Contexte paysager des parcelles

Pratiques dans les parcelles

Trichard, Alignier, Biju-Duval, Petit (soumis) Basic & Applied Ecology

Effet des Pratiques et du paysage sur les prédateurs et le service de régulation

Diversité granivores (44.8%)

PAYSAGE: 27.4% PRATIQUES: 5.9%

Taux prédation (24.2%)

PAYSAGE: 13.2% PRATIQUES: 1.5%

Diversité de granivores (abondance et richesse)

Proportion d’omnivores (/t carnivores)

Harpalus insecte.org

Trichard,,, Petit (soumis) Basic & Applied Ecology

2.Pucerons

ANR project LANDSCAPHID

Aphidius ervi and

Acyrthosiphon pisum

Parasitism rate

rape clover 1 clover 2 wheat triticale total

Test : glm

Le rôle des bords de champ

Plus de parasitisme en bordure de champ que dans la parcelle, quelque soit la culture

Source: Plantegenest et al.

Parasitism

rate

14 April 27 April 11 May 25

May

8 June 22 June

Date

Test : glm

Le parasitisme dans les bordures commence bien plus tôt dans la saison

Source: Plantegenest et al.

Le rôle des bords de champ

3. Carpocapse du pommier

Moins de larves dans les vergers entourés de vergers ‘traités’

Carpocapse, pratiques, paysage

Source: Lavigne, Franck et al.

Moins de larves dans les vergers entourés de haies

Flux de carpocapses dans le paysage

Outils moléculaires pour mesurer l’apparentement entre individus

Source: Lavigne, Franck et al.