Ecologie des cours d’eau : légitimité des systèmes d’observation

dans un contexte de changement intense

Eric Tabacchi eric.tabacchi@univ-tlse3.fr

La logique ZA : un ‘plus’ évident

Groupe « grands fleuves » Seine (ZA Seine) Loire (ZAL) Rhône (ZABR) Moselle (ZAM)

Autres : Bretagne (ZA Armorique, petits cours d’eau) Alpes (ZA Alpes, torrents alpins) Arc Jurassien (ZAAJ) ?

Approche intégrée (bassin versant) Multi- / Inter- disciplinarité Interfaces Sciences-Gestion environnementale et Sciences-Société Adossement à des systèmes d’acquisition de données long terme (SOERE ZA) Réseau propre aux ZA Inclusion dans des dispositifs internationaux (LTER-Eu, ILTER)

Que s’est-il passé depuis 50 ans?

(Whitton, 1975) (Lickens, 2010) (Hynes, 1970)

La rivière ‘de l’ingénieur’ et ‘du promeneur’ : un récipient où l’eau s’écoule?

un paysage agréable?

Mais aussi : une ressource (eau, poissons, sédiments, bois…) une voie de communication et de transport une source de danger (crues) un patrimoine culturel (paysage, récréation)

Le tuyau s’(auto-)organise… Le lien entre l’eau et son contenant

(Gravelius, 1914 ; Jovanovic, 1940 ; Morisawa, 1978)

La dynamique latérale et verticale du conduit et de son support (Hack & Goodlett, 1960 ; Leopold & Langbein, 1962 ; ...)

Les patrons et causes de l’organisation géométrique au sein du réseau (Horton, 1945 ; Schumm, 1956 ; Strahler, 1957 ; Knighton, 1984)

Les rapprochements avec la géographie physique et avec la mécanique des fluides, affirmation de nouvelles disciplines

Hydro-écologie Eco-hydrologie et éco-hydraulique Bio-géomorphologie

Importance des organismes « ingénieurs » et des boucles de rétroaction milieu physique-organismes

La typologie des rivières et des bassins

Hydro-écorégions (macro-variables, bassins-versants, masses d’eau…) (Omernik, 1987 ; Wasson 1994 ; Tabacchi et al. 1995; Wasson et al. 2001 ; Abell et al. 2008)

Zonations « clinales » (organismes) (Myers, 1935 ; Huet, 1949 ; 1954 ; Bertrand, 1954 ; Illies & Botosaneanu, 1963 ; Verneaux 1973)

Un regard élargi et fonctionnel sur la typologie des rivières - organismes divers, compartiments divers

- importance des têtes de bassin

- importance des zones estuariennes et côtières - la biotypologie s’adapte à de nouveaux contextes

Modélisation et gestion régionale - basins versants et masses d’eau (DCE)

- frontières « délocalisées » et « différées » du cours d’eau - nouvelles frontières (ZHs, thermique, territoires)

Outre-Mer?

Continuité des cycles biogéochimiques, zones de régulation externes (Vannote et al. 1980 ; Newbold et al. 1982 ; Ward & Stanford 1983…)

Importance de la connectivité latérale (Hynes, 1975 ; Ginet & Decou, 1977 ; Junk et al. 1989 ; Thorp & Delong 1994…)

Un (dis)continuum fonctionnel à deux (?) dimensions…

Notion d’autotrophie / hétérotrophie (Minshall 1978 ; Vannote et al. 1980…)

Intégration des zones humides et des annexes fluviales Reconnaissance du compartiment souterrain (phréatique, hyporhéique,…)

Reconnaissance du compartiment microbien hétérotrophe Transferts et spécialisation (spéciation) aux interfaces

transferts de nutriments transferts de contaminants transferts d’organismes / de matière organique

Rapports autotrophie/hétérotrophie reconsidérés

Intégration 4D : l’hydrosystème fluvial… Intégration spatio-temporelle, compartiment fonctionnel (Roux 1982, Amoros et al. 1982 ; Décamps, 1985 ; Amoros & Petts, 1993)

Système souterrain, annexes Bassin versant Dynamique fluviale, successions d’espèces et de formes

Concept de « patch » appliqué aux rivières (Pringle et al. 1988 ; Wiens, 1997 ; 2001)

Mosaïque d’habitats Dynamique d’habitats Riverscape

Compartimentation et intégration de l’hydrosystème fluvial Modèles discrets des relations biotes-habitats et bassin -sous-bassins Intégration explicite des contraintes anthropiques Evolutions à moyen/long termes des hydrosystèmes fluviaux

Un éco-SYSTEME … Reconnaissance d’un ensemble complexe de processeurs : • Notion d’unité fonctionnelle fluviale (Juget et al. 1975 ; Gibert 1977 ; Amoros et al. 1982…)

• Modélisation fonctionnelle (Billen et al. 1994 ; Billen & Garnier, 1999)

Billen et Garnier 1994

Billen et al. 2001

Outils intégrés d’aide à la décision Importance de l’identité de chaque hydrosystème Modélisations rétrospective et prédictive Transferts scalaires des processus et de leurs formulations Intégration explicite des forçages anthropiques dans les modèles

Un écosystème malade de l’Homme …

Altération de la qualité de l’eau • eutrophisation, pollutions diffuses • pollutions chroniques • métaux lourds, pesticides

(Berner 1951 ; Streeter & Phelps, 1958 ; Hynes, 1960 ; Nriagu, 1963 ; Coutant 1969 ; Mackenthun & Keup 1971 ; Descy et al. 1971 ;Ciaccio, 1971 ; Szluha 1974 ; Hill 1975 ; Perry, 1979 ; Peterjohn & Correll, 1984 ; Pinay & Labroue, 1986 ; Pinay & Décamps 1988…)

Altération des ressources biologiques (Loftus, 1976 ; Schonbörn 1987 ; Lyons 1988…)

Effets de la régulation hydraulique (Wolff 1978 ; Hauer e& Standford 1982 ; Cambrai 1984…)

Développement d’indicateurs : Fonctionnels, génétiques Intégratifs, macro-structurels De changements lents De changements de régimes de contraintes

Intrants atmosphériques Optimisation des réseaux de surveillance, actualisation et normalisation (ex.: REACH) Ecotoxicologie des « émergents »

• dérivés pharmaceutiques, perturbateurs endocriniens • « nouveaux » pesticides • nanoparticules, éléments trace, radioéléments •…

Ecotoxicologie des mélanges et des produits de métabolisation

Intensification des liens gestion-recherche

Bio-indication… Bioindicateurs spécifiques – listes indicatrices

• Végétaux supérieurs (Kirschman & Lambinon, 1973 ; Kohler, 1976)

• Micro-organismes autotrophes (Kamova, 1971 ; Mitchell, 1972 ; Stockes et al. 1973 ; Sirenko, 1980)

• Micro-organismes hétérotrophes (Rawls, 1965 ; Hart & Puller, 1974 ; Stewart & Marks 1978)

• Macroinvertébrés (Whilm, 1967 ; Cutter 1972 ; Godfrey 1978 ;; Anderson & Seddell 1979 ; Winner et al. 1980…)

• Poissons (Karr, 1981 ; …)

Indices saprobiotiques (Kolkwitz & Marsson 1908 ; Liebmann, 1951, Patrick 1950 ; Wurtz 1955, Gross 1976 …)

Indices biotiques intégrés (Beck, 1954 ; Woodiwiss, 1960 ; Beak, 1965 ; Verneau & Tuffery 1967 ; Caims et al. 1970 ; Hilsenhoff, 1987 …)

Bioindicateurs fonctionnels (Rodgers et al. 1979 ; Short, 1980 ; Sirenko, 1980 ; Harwell, 1989 ; Holdway 1996…)

Bio-indication fonctionnelle : • nouveaux indicateurs mono-fonction (dégradation, respiration…) • traçages (isotopes stables, AGIs…) • sondes intégratrices (inertes ou biologiques) • ADN environnemental (actuel ou fossile)

Indicateurs de trajectoire :

• stabilité et variabilité • sensibilité aux changements lents • seuils et irréversibilité

Optimisation des mesures et des protocoles (micropolluants)

• optimisation statistique

• optimisation budgétaire • optimisation règlementaire

Préservation, reconstruction …

Conservation (Carlson, 1968 ; Fisher & LaVoy 1972 ; Vaillant, 1973 ; Valk & Davis, 1975, Heitling et al. 1979 )

Restauration, landscaping (DeLorme & Wood, 1972 ; Becker 1973 ; Lickens et al. 1978 ; Wolff 1978 ; Gore 1985)

Ingénierie écologique appliquée aux cours d’eau (Carlfield & Hoyer, 1989 ; Wienhold & Valk, 1989 ; Correll 1998…)

Stratégies de conservation : • sensibilisation du public / partenariats • suivi de la structure génétique des populations • importance de la continuité écologique (fonctionnelles) • groupes/ biocœnoses « orphelins »

Restauration :

• bio-ingénierie, éco-ingénierie, bio-dépollution

• définition/prédiction de trajectoires • définition d’états alternatifs acceptables • évaluation du succès

Compensation? Recolonisation assistée?

De la fonction au service…

Distinction de fonctions du cours d’eau utiles à la société (Kras, 1973 ; Golladay & al. 1974 ; Barnard et al. 1985; Jackson & Nitze, 1986…)

Evaluation monétaire (Quirui, 1989 ; Postel & Carpenter, 1997 ; Wilson & Carpenter, 1999 ;…) Evaluation non-monétaire (Emerton, 1992 ; Perrings 2000) Globalisation (Postel & Richter, 20013 ; Millenium Ecosystem Assessment, Aylward, 2005)

Analyse des processus : • la biodiversité, un service? • valeurs seuils, conditions limites pour l’existence des services • évaluation écologique versus évaluation économique

Services locaux et externalisés

• distribution des biens • externalisation des usages

Continuité écologique et durabilité des services

• continuité physique, continuité fonctionnelle et disponibilité des services • durabilité et investissements

Socio-écosystémique… L’Homme et la rivière, une longue histoire…

L’écosystème lotique vu au travers : des services qu’il rend des risques de sa vulnérabilité face aux activités humaines des images qu’il véhicule

L’intégration des processus socio-économiques comme des fonctions de l’écosystème Grundy, 1971 ; Krass 1976 ; Benedick 1979 ; Lauenroth et al. 1983 ; Ulanowicz, 1986 ;

Manhard, 1998…)

Modélisation intégrée SHS-Sciences de la Nature biens, valeurs, risques et préjudices comme variables d’ajustement

perception, communication et décision contrôles naturels versus gouvernance territoriale

Les leçons des chroniques à long terme l’histoire comme source de connaissances

l’histoire comme support de sensibilisation

Une gestion (encore) plus scientifique? des outils scientifiques générés par des questions

de gestion environnementale

Changement global…

Lien entre changement climatique et écologie des cours d’eau (Barton, 1956 ; Williams, 1970)

Inclusion du Changement Global (Allen et al. 1992 ; Holling & Meffe 1995; Cairns & Eckman 1996) Modification des aires de distribution des espèces (Pulliam et al. 1995) Adaptation et gestion (Juday et al. 1998)

Dynamique sociétaleGestion des ressourcesEconomieXéno-intrantsDynamique territoriale

Cycles bio-géo-chimiquesRégimes hydrologiquesCycles biogènesDynamique géomorphologique

Dynamique de la biodiversitéEvolution(s) des populationsSuccessions et interactions biotiques

Changement global

Préservation, adaptation de l’existant gestion des ressources physiques

gestion des populations vulnérables évaluation de la résilience et de la vulnérabilité changements de régime hydrologique et risques

Des cours d’eau « émergents »? un nouveau jeu de contraintes et de ressources

un réarrangement des espèces autochtones avec ou sans espèces introduites?

Un regard (une dette?) vers les générations futures

Grenouillet et aL. 2011

Conclusions Implication forte des ZAs (et des PIRENs) dans l’émergence d’avancées fondamentales

de l’écologie fluviale • intégration multidisciplinaire et scalaire • développements méthodologiques (mesures, modélisation…) • suivi, analyse et modélisation à moyen-long termes

L’Homme (enfin) intégré dans l’écosystème fluvial (l’Homme modificateur des écosystèmes) les mécanismes sociaux comme contrôles et récipients des processus écologiques

Une interface nécessaire entre Sciences et Société • sensibilisation du public • transferts de connaissances vers les gestionnaires et les décideurs • développements collaboratifs en accompagnement des changements récents