Diapositive 1 Concepts d’écologie fondamentale

appliquée aux tourbières

Pierre GOUBET1

1 Laboratoire GEOLAB – UMR-CNRS 6042, Université Blaise Pascal, 4 rue Ledru, 63 057 Clermont-Ferrand cedex (Membre associé)1 Cabinet Pierre Goubet, 2, rue des Compoints, 03 800 Jenzat, pierre.goubet@sphagnum.fr

Diapositive 2 Cadre et plan

Plan

1. Du conceptuel à l’opérationnel, l’importance du cadre conceptuel dans

l’appréhension des objets d’étude

2. L’approche systémique comme principe de base des sciences de la nature -

Organisation des systèmes complexes, notions de systèmes écologiques, de

hiérarchisation, de propriété émergente

3. Trilogie conceptuelle : composition, structure, processus

4. Notions de champ de contraintes et de déterminisme

5. Notions de non-linéarité, d’états, de seuils et de boucles de rétroaction

Objectif

Il s’agit de présenter les notions d’écologie qui servent de socle aux études actuelles

en écologie des écosystèmes et en particulier à l’étude des tourbières

2

Diapositive 3

C’est quoi pour vous?

3

Diapositive 4

Flux, transferts, écoulement (eau)

Plantes, eau, sol, faune,

fonge, bactérie, etc.4

Flux,

transferts,

écoulement

(eau)

SE

Pour moi :

• Un système écologique complexe, unité de paysage, homogène du point de vue

de la composition, de la structure et des processus.

• Une unité fonctionnelle d’un système complexe.

Diapositive 5 Pourquoi faut-il un cadre conceptuel?

• La façon dont on conçoit les choses oriente notre regard sur ces choses, autrement dit, on

voit d’abord ce que notre culture scientifique (ou naturaliste) nous indique de voir.

• Le cadre conceptuel est à la fois un outil d’exploration (avantage) et un filtre adapté à une

problématique (impossibilité d’universalité, défaut).

• Il est donc nécessaire qu’il soit clairement explicité, d’une part, et qu’aucune action de

recherche ou opérationnelle n’échappe à sa prise en compte, d’autre part.

• Il faut qu’il soit compris (et pris en compte) à la fois par l’opérateur mais aussi par tout

observateur extérieur, pour faciliter l’échange et la critique.

• Le cadre conceptuel est de fait négligé dans la sphère des gestionnaires et, il faut aussi le

dire, dans celle des chercheurs. Pour les premiers, il peut apparaitre comme trop théorique

(alors qu’il conditionne les pratiques, jusqu’au regard au sens strict), pour les seconds, ?. On

peut, par exemple, noter le nombre de colloques qui n’abordent pas le sujet, en particulier

dans les rencontres entre chercheurs et gestionnaires, là où cela est encore plus nécessaire

pour s’orienter vers un langage commun.

5

Diapositive 6 Approche systémique

• Indissociable de l’écologie des écosystèmes

• Offre une vision structurée et hiérarchisée de

l’univers

• Induit les notions d’échelles (spatiales, temporelles

et fonctionnelles)

• Clarifie la nature de l’objet d’étude et définit ainsi le

paradigme choisi comme référence (à l’échelle du

biosystème, le paradigme est celui de la biologie et

de l’écologie des population, à celle de l’écosystème,

celui de l’écologie des écosystèmes et des paysages)

6

Diapositive 7 Hiérarchie des systèmes

• Systèmes moléculaires- Particules

- Atomes

- Molécules et cristaux

• Biosystèmes- Individus

- Populations

- espèces

• Ecosystèmes

• Systèmes astraux- Corps célestes

- Systèmes planétaires

- Galaxies

Sauts systémiques majeurs

impliquant des lois d’organisation

et de fonctionnement radicalement

différentes (ayant induit

l’émergence de disciplines

scientifiques spécifiques)

Diapositive 8 Biosystèmes-écosystèmes

• Biosystèmes- Individus

- Populations

- (Espèces)

• Ecosystèmes- Traditionnellement deux niveaux

reconnus écosystèmes s.s. et

paysage

- En tourbières, d’autres approches

multi-niveaux ont été

développées

- Contrainte majeure = le

génome

-Le plan d’organisation est

hérité, structurel

-Les limites sont en général

nettes

-Contrainte majeure = les

paramètres physico-

chimiques, biologiques et

historiques du système

-Le plan d’organisation est

induit par les paramètres

externes, conjoncturel

-Les limites sont souvent

floues par nature

Propriétés

émergentes

Diapositive 9 Conséquences en termes de gestion

�Cadre de gestion des écosystèmes par nature

différent de celui des biosystèmes (principes et

méthodes différents de la médecine)

�Forte dépendance au contexte des objets à

gérer

�Possibilité de travailler par unité de gestion (à

une échelle donnée)

Diapositive

10

Les unités fonctionnelles élémentaires

Méthodes

TOURBIERE RETICULEE (Finlande)

10

Exemple d’auto-organisation d’une

tourbière : tourbière réticulée de

Finlande

Diapositive

11

400 m

11

Lieu de la prise de vue de la diapo précédente

même tourbière en vue aérienne; le

processus se développe sur plusieurs

dizaines de km2

Diapositive

12

Les unités fonctionnelles élémentaires

Méthodes12

A l’échelle locale, on constate une aut-

organisation complexe avec au 1er

plan

une mosaïque de buttes et replats; au

2nd

plan la même mosaïque avec une

autre unité en cordons

Diapositive

13

13

Gros plan sur un replat , une butte et à

l’arrière un cordon

Diapositive

14

14

Une butte montrant la végétation

composée de sphaignes rouges,

callune, ronce des tourbières et

andromède

Diapositive

15

15

Replat constité de sphaignes vertes et

scheuchzéries

Diapositive

16

dépressions

buttes et replats

« HAUT-MARAIS » France (RN Machais)

Mosaïque comparable en France,

Diapositive

17

17

Autre système organisé sur tourbières

françaises : Machais [88] (haut à g)

Frasne [25] (haut à dr) et Esclauzette

[63] (Cézallier, France)

Diapositive

18 Auto-organisation

• Principe

Suivant le champ de contraintes appliqué et les

biosystèmes disponibles, un système écologique

s’organise du point de vue structurel et fonctionnel

de manière définie

Conséquence immédiate

Possibilité de modélisation, de prédiction (et donc

de gestion)

Diapositive

19

Les unités fonctionnelles élémentaires

Méthodes19

Sur ce type de tourbière réticulée, des

simulations ont été réalisées à partir

de modèles numériques

Diapositive

20

Modèle numérique avec résultat de la

simulation

Diapositive

21

La trilogie : composition-structure-processus

Cadre conceptuel majeur de nombreuses disciplines

Composition

•Inventaire des éléments

constitutifs du système

Plusieurs échelles – plusieurs

approches

Structure

•Arrangement spatial des

éléments constitutifs

Plusieurs échelles – plusieurs

approches

Processus

•Principalement en lien avec les flux

de matière, d’énergie ou d’information

Plusieurs types – plusieurs échelles

Liste des minéraux

Exemple d’applications: la géologie de terrain

Proportion, taille, orientation des minéraux

Origine de la roche

Modalités d’érosion

Modalités de réaction au métamorphisme

La roche

Liste des couches (roches) Organisation des couches

Modalité de dépôt

Processus diagénétiques

…

L’affleurement (exemple en terrain sédimentaire)

Liste des éléments chimiquesProportion des éléments (formule)

Arrangements cristallins (systèmes)

Origine du minéral

Conditions pression et température d’équilibre

Modalités de transformation

Le minéral

21

La trilogie CSP s’applique à diverses

disciplines scientifiques; p ex pour la

géologie de terrain, à l’échelle de la

roche. EN général la démarche vise à

d’av=bord lister les minéraux présents,

puis d’aborder les proportions, la

taille, les orientation éventuelles des

minéraux pour pouvoir nommer la

roche. Une fois nommée, on peut

relier la roche à un ensemble de

processus mis en évidence par des

décennies de recherches sur le terrain

ou en laboratoire. DE ce fait,

composition et structure permettent

de prédire divers comportements de la

roche vis-à-vis de contraintes ou

d’usages. Ce qui est vrai à l’échelle de

la roche l’est aussi à l’échelle du

minéral et à celle de l’affleurement.

Diapositive

22

Echelle de la roche

22

Diapositive

23

23Echelle de l’affleurement

Diapositive

24

24

Composition et structure constituent

les bases de la caractérisation des

minéraux à travers la formule

chimique et le système cristallin.

Diapositive

25

25

Diapositive

26 Et aussi les sols…

26

…avec une lacune de conceptualisation de la trilogie composition, structure, processus

Ce qui est valable pour la géologie l’est

aussi pour la pédologie (et pour

l’écologie des écosystèmes). Mais

parfois le vocabulaire utilisé n’est pas

explicite.

Diapositive

27 Principe important pour le diagnostic, la gestion et

le suivi

27

-La composition est « simple et rapide » à définir;-La structure est plus complexe, elle nécessite plus de temps, donc

de moyens;-Les processus sont le plus souvent variables dans l’espace et le

temps, donc complexes et longs à caractériser.

On a donc tout intérêt à exploiter au maximum les données de composition et de structure pour diminuer les coûts.

Les données de composition et de structures sont aussi de bons éléments permettant de faciliter, d’optimiser les protocoles de

caractérisation des processus.

Diapositive

28

13 16 34 129 23 17 27 20 21 26 25 29 22 24 28 30 31 32 33 35 36 37 38 39 40 41

Nom du site

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Localisation

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Numéro de relevé 1-5-

7-20

02

3-1

8-6

-200

2

5-1

1-7

-200

2

6-1

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2

6-1

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02

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2

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7-20

02

4-5-

7-20

02

Surface en m2

40

50

20

12

150

40

150

15

50

100

50

80

15

50

10

100

100

20

1005

liné

air

40

60

40

20

15

70

Pente en % 2 à

5

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10 2 1 15 0 1

1 à

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10 1 à

5

1 à

3

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1 à

3

3

1 à

3

2 à

3

1 à

3

1 à

2

1 à

2

Profondeur de tourbe en cm

65 90

70-8

0

40 55 40 40

> 1

20

20

>120

> 1

20

35 35

Recouvrement total 97 100

100

100

90 98 90 100

95 100

90 98 100

80 90 95 98 95 90 100

100

90 90 90 90 100

Recouvrement arborescent

Recouvrement arbustif 30 2 5 2 3 60 1

Recouvrement herbacé 70 70 75 80 90 60 95 30 65 100

80 95 50 80 90 95 75 30 90 95 100

60 90 80 90 100

Recouvrement muscinal 54 20 70 80 50 80 95 60 20 20 80 20 2 3 5 85 35 40 3 40 40 10 15 2

Nombre d'espèces 11 7 7 6 9 11 5 13 12 7 9 11 12 11 5 14 9 8 11 14 5 12 11 8 9 10

Calypogeia fissa + +

Calypogeia muelleriana

Lophocolea heterophyl la + + + + + +Lophocolea bidentata + + + + +

Melampyrum arvense + +Molinia caerulea 22 23 12 12 33 12 55 23 32 55 33 44 12 44 55 54 + 22 22 22 12 43

Juncus acutiflorus 22 12 22 22 33 32 11 23 22 12 33 33 12 23 22 + 22 55 12 22 +Aulacomnium palustre + + + + + 12 + + + + 22

Sphagnum denticulatum 12 23

Juncus effusus i + 44 12 + 22 12 12 23 12

Polytrichum commune + 12 + + + 44 + 22 23

Carex rostrata 12 33 12 + 33 12Sphagnum palustre + 23 12 44 12 24 +

Sphagnum flexuosum 33 12 12 22 55 33 55 23Holcus mollis + 12 12

Narcissus pseudonarcissus 11 + + 11 11 + 11 + + +Sphagnum fallax 44 55 + 23 32 33 13

Polygonum bistorta 12 22 + 22 22 + 22 12 22 12Galium saxatilis + + 12 12 + + 21 + 12 12 + + i 12 12

Caltha palustris

Angelica sylvestris + + + 11 12 + + +

Brachytecium rutabulum 12 + + + 23 12 + 22 22 12 +

Viola palustris + 12 12 11 + 22 12 11 12 12Dactylorhyza maculata subsp. maculata + + + + + + + + + + + + + +

Luzula multiflora + + i + 12 12 + 12 12Potentil la erecta 11 + 12 12 11 + 22 + + + + + 23 + + + + 12 12 11 + + 12

Succisa pratensis 22 12 22 12 12 + 12 + + + 22 + 22 22 + 12

28

Composition Structure

Pour ceux pratiquant la

phytosociologie, il est connu que lister

les plantes présentes est relativement

simple par rapport à la pondération du

recouvrement de chaque espèce. Dans

un tableau phytosociologique, la

composition est représentée par la

liste des espèces en ordonnées tandis

que la structure est représentée par

un code dans le corps du tableau.

Diapositive

29 Déterminisme et champ de contraintes

• Découle du principe d’auto-organisation

Suivant le champ de contraintes appliqué et les

biosystèmes disponibles, un système écologique

s’organise du point de vue structurel et fonctionnel

de manière définie

Conséquence immédiate

Possibilité de modélisation, de prédiction (et donc

de gestion)

Diapositive

30 Déterminisme

• Principe de la niche appliqué aux systèmes

écologiques

• L’état d’un système écologique est en équilibre avec

le champ de contrainte qui lui est appliqué

Diapositive

31 Le déterminisme de la structure

Analogie avec les biosystèmes

• Le champ de contraintes lié à la locomotion aquatique entraine des convergences évolutives (convergence de la structure anatomique)

Source photos à : http://fr.wikipedia.org/wiki/Convergence_évolutive

• La structure du système écologique répond à un champ de contraintes

• La structure révèle le champ de contrainte (structuralisme) d’où l’intérêt de la décrire

• Description rendue possible grâce aux progrès récents de la technologie (nouveaux champs d’application)

Diapositive

32 Notion de cybernétique des systèmes complexes

• Principe

Les processus s’exerçant au sein des systèmes

écologiques ne sont pas linéaires (ce qui n’exclut pas

une certaine linéarité de certains processus)

Il existe donc des modalités de fonctionnement

dépendantes de seuils et de boucles de rétroaction

Concepts fondamentaux en gestion

(il faut connaitre l’état du système par rapport aux

seuils et agir en favorisant certaines boucles et en

en stoppant d’autres

Diapositive

33 Quelques exemples de seuils

H2O

CO2

N...

Installation des

sphaignes

sur tourbe nue

Installation de

Sphagnum magellanicum

sur tremblants

Bascule

d’avantage

compétitif

valeurs de succion inférieure à

100 cm

Price & Whitehead, 2001

Smolders et al., 2001

Lamers et al., 2000

Norbakken et al., 2003

Bragazza et al., 2004

Van der Heijden

et al., 2000

Berendse et al., 2001

200 µmol/l de CO2

Précipitations

1-1,5 g/m2/an

Sphaignes

15-20 mg/g

Diapositive

34

Quelles conséquences logiques, globales

pour le diagnostic, la gestion et le suivi?

34

Composition (1), structure hiérarchisée (2) ou composition et structure ensemble (3) dépendent des processus, et par

là même renseignent ces processus.Sur la base de l’établissement de modèles de

fonctionnement, on peut donc connaître les processus ayant lieu sans avoir à les caractériser de manière propre,

simplement en caractérisant composition et structure.

Diapositive

35

Exemple en géologie

35

Présence de certains éléments de composition (minéraux) au cours

de la transformation d’une roche métamorphique en fonction de

Pression et Température (indicateurs du type de processus

métamorphique ayant eu lieu)

Diapositive

36

Exemple en géologie : approche expérimentale

36

Présence de certains éléments de composition

(minéraux) au cours de la transformation d’une

roche métamorphique en fonction de Pression et

Température (processus)

http://www.incertae-sedis.fr/gl/docut328_44.htm

Diapositive

37

Exemple en géologie : modèles interprétatifs spécifiques

37

http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/objets/Images/objets/Images/adakites/adakites-fig13.jpg