Soutenance mémoire
PLANT SPECIES RICHNESS PROLONGS THE GROWING SEASON OF FREEL
L’être humain sollicite et exploite les processus naturels qui se déroulent dans les écosystèmes pour répondre aux divers besoins des populations humaines. Une des fonctions très sollicitées par ceux-ci est la productivité primaire nette des agroécosystèmes, soit la conversion de l’énergie solaire en biomasse végétale. En effet, la nourriture nécessaire pour répondre aux besoins alimentaires des populations humaines dépend grandement de la productivité de biomasse végétale de ces écosystèmes. Pour répondre à la demande croissante des populations humaines, une manipulation de ces écosystèmes particuliers (ex.: utilisation de fertilisants et d’herbicides, travaux mécaniques des sols, utilisation d’organismes transgéniques) est désormais nécessaire pour augmenter leur productivité de biomasse végétale (Godfray et al., 2010, Beddington, 2011). Ces pratiques agricoles axées sur le productivisme contribuent à la simplification des paysages agricoles à l’échelle de la planète (Benton et al., 2003) et à la diminution de la biodiversité retrouvée dans ces agroécosystèmes (Tilman et al., 2001, Geiger et al., 2010).
Les bandes riveraines sont des écosystèmes qui font partie des paysages agricoles un peu partout à la surface du globe. Au Québec, les bandes riveraines en milieu agricole se définissent comme des zones de végétation permanentes composées d’un mélange d’arbres, d’arbustes et de plantes herbacées et constituent un milieu de transition entre les écosystèmes terrestres (c.-à-d. les champs agricoles) et aquatiques (Tilman et al., 2001 , Gagnon and Gangbazo, 2007). Leur proximité avec les champs agricoles les rend particulièrement vulnérables aux effets néfastes de l’agriculture intensive.
Malgré la faible superficie qu’ elles occupent dans le paysage agricole (Rioux et al., 2009), les bandes riveraines remplissent leur part de services écosystémiques. Ces services écosystémiques se définissent comme des bénéfices retirés par l’être humain suite à l’utilisation et à l’exploitation de certains processus écologiques qui sont indispensables au bon fonctionnement des écosystèmes (Boyd and Banzhaf, 2007, Costanza et al., 1997).
Dans le domaine de l’agriculture, le service écosystémique principalement visé par la préservation de bandes riveraines en bordure des milieux humides est de réduire l’impact des activités agricoles sur les écosystèmes aquatiques. En effet, les bandes de végétation riveraines permettent de réduire le ruissellement des nutriments (Hickey and Doran, 2004), des sédiments (Yuan et al., 2009) et des pesticides (Arora et al., 1996) provenant du milieu agricole vers les milieux aquatiques, favorisant ainsi la conservation de la qualité des écosystèmes aquatiques. Les services écosystémiques rendus par les bandes riveraines ne se résument cependant pas uniquement à la conservation de la qualité des milieux aquatiques. En effet, les bandes riveraines jouent aussi un rôle important dans l’absorption du carbone atmosphérique, dans la régulation de la température des écosystèmes terrestres et aquatiques, servent de refuge pour la faune et la flore et assurent la connectivité et le maintien de la biodiversité dans les paysages agricoles (Naiman et al., 1993, Naiman and Decamps, 1997, Maisonneuve and Rioux, 2001). Les services écosystémiques mentionnés précédemment dépendent en grande partie de la productivité primaire nette (c.-à-d., de l’activité photosynthétique du couvert végétal et de la biomasse végétale produite par unité d’espace et de temps) et de la biodiversité végétale présente dans les bandes riveraines. Ceux-ci sont donc considérés comme des services écosystémiques essentiels au bon fonctionnement des écosystèmes riverains (Zedler, 2003, Mace et al., 2012).
Biodiversité et fonctionnement des écosystèmes
La perte de diversité végétale dans les bandes riveraines attribuée aux pratiques agricoles est très préoccupante. Ces préoccupations proviennent des résultats de nombreuses études effectuées dans les dernières années et qui ont révélé que la diversité végétale était un facteur clé dans la régulation du fonctionnement des écosystèmes et donc des services fournis par ces écosystèmes (Mace et al., 2012). Ainsi, il a été démontré que la diversité végétale présente dans les communautés végétales de prairie avait un effet positif sur le nombre de fonctions écosystémiques réalisé par ces communautés. En effet, selon une méta-analyse réalisée par Isbell et al. (2011), 84 % des 147 espèces de plantes herbacées recensées dans 7 études réalisées dans des communautés de prairie ont joué un rôle clé dans la réalisation d’une fonction au sein de la communauté où elles évoluaient à des moments différents et dans des conditions environnementales différentes. La diminution du nombre d’espèces végétales présente dans les bandes riveraines ne permettrait donc pas de faire face aux variations des conditions environnementales (ex. : fluctuations des niveaux d’eau) ce qui aurait des répercussions sur le nombre de fonctions réalisées par ces écosystèmes particuliers.
Parmi les fonctions sur lesquelles agit la diversité végétale, la productivité primaire des écosystèmes est une des fonctions les plus fréquemment citées. Une relation positive avec la diversité végétale est généralement décrite dans la littérature. En effet, il a été démontré qu’une communauté végétale contenant un plus grand nombre d’espèces avait une productivité interannuelle de biomasse végétale plus élevée que dans les communautés contenant moins d’espèces (Allan et al., 2011). Les études s’intéressant à la relation entre la productivité primaire et la diversité végétale spécifique à l’échelle des communautés suggèrent deux mécanismes sous-jacents à cette relation: i) un effet d’échantillonnage (angl. : « sampling effect » ou « selection probability ») et ii) un effet de complémentarité entre les espèces présentes (Cardinale et al., 2007).
L’augmentation des probabilités de sélectionner une espèce qui performe bien dans certaines conditions ou encore de sélectionner une «super-espèce» dans une communauté contenant plusieurs espèces correspond à l’effet d’échantillonnage. Selon ce concept, une communauté végétale aura une productivité primaire qui sera égale ou moindre à la productivité de l’espèce la plus productive observée dans cette communauté (Cardinale et al., 2006). La productivité primaire des communautés végétale dépend donc de l’identité des espèces présentes.
La phénologie
L’ étude des phases du cycle vital des organismes vivants est désormais considérée comme un domaine particulier de l’écologie qui se nomme la phénologie. Plus précisément, la phénologie est l’ étude de la séquence datée des évènements (phénophases) faisant partie du cycle vital des organismes vivants. Les variations dans l’occurrence temporelle de ces évènements sont expliquées par des combinaisons de facteurs biotiques et abiotiques (Lieth, 1974). Initialement orientées sur l’ étude du développement des organismes vivants, les études phénologiques tentent désormais de comprendre comment la phénologie des organismes vivants influence le fonctionnement des écosystèmes (No ormets et al., 2009).
L’identification des facteurs qui influencent la phénologie de ces organismes est nécessaire pour comprendre comment la phénologie des organismes vivants ‘influence le fonctionnement des écosystèmes. Ainsi, une des grandes tendances actuelles dans le domaine de la phénologie est d’estimer la force des interrelations existantes entre les changements dans les phases phénologiques des organismes vivants et les changements climatiques. Grâce à ces nombreuses études, il est désormais connu que la migration de nombreuses espèces animales, tout comme le développement des espèces animales et végétales, sont grandement influencés par les facteurs climatiques. Ainsi, bon nombre d’espèces animales ont devancé leur période de reproduction et de migration (Parmesan, 2007) tout comme plusieurs espèces végétales ont devancé leur période de floraison (Cleland et al., 2007) en relation avec le réchauffement des températures observées au cours du xxe siècle.
Dans les régions tempérées du globe, l’influence des facteurs climatiques sur le développement des végétaux, notamment sur la floraison (Primack et al., 2009, Ellwood et al., 2013), l’émergence des feuilles (Schwartz et al., 2006) et la période de croissance, a été démontrée à maintes reprises. Par exemple, Myneni et al. (1997) ont démontré que la période de croissance active de la végétation (c.-à-d. la période pendant laquelle la végétation est de couleur verte) au nord du 45e parallèle a été prolongée de 12 ± 4 jours au cours de la décennie des années 1980. Ce prolongement est en grande partie attribuable à un devancement de 8 ± 3 jours du début de la saison de croissance et un retard de 4 ± 2 jours de la fin de cette période. Ce départ hâtif et cette fin tardive de la saison de croissance sont attribués aux réchauffements des températures à ces latitudes au cours de la période étudiée. Des résultats similaires ont été observés en Europe depuis 1960 où un allongement de 10.8 jours a été observé (Menzel and Fabian, 1999) et dans plusieurs autres endroits sur la planète (Linderholm, 2006).
Phénologie et processus écosystémiques
À l’échelle des écosystèmes, les recherches effectuées visent de plus en plus à augmenter notre niveau de connaissance sur la façon dont les facteurs climatiques et l’allongement de la saison de croissance suite à ce réchauffement vont influencer la productivité primaire des écosystèmes. L’étude de Lieth (1975) est l’une des premières à avoir fait mention d’une relation entre la longueur de la saison de croissance et la productivité primaire dans les forêts décidues. Selon cette étude, la quantité de carbone absorbée dans les forêts décidues augmente de 5.2 g C m-2 pour chaque jour qui s’ajoute à la saison de croissance. Des résultats similaires dans le même type d’écosystème forestier ont aussi été obtenus par Baldocchi et al. (2001), où la quantité de carbone atmosphérique absorbée augmente de 5.7 g C m2 pour chaque jour de prolongation de la saison de croissance. Dans les écosystèmes de prairie, caractérisés par de la végétation de type herbacée, la quantité de carbone assimilée augmente de 4 – 5 g C m-2 pour chaque jour ajouté à la saison de croissance (Richardson et al., 2013). Ces études démontrent donc que la phénologie des communautés végétales, qui dans ce cas est représenté par la saison de croissance, peut avoir un impact sur les fonctions réalisées par les écosystèmes tel que la productivité primaire.
Méthodes de suivi de la phénologie à l’échelle des communautés
Traditionnellement, les études phénologiques étaient basées sur des séries temporelles d’observations de phénophases précises effectuées directement sur le terrain (Lechowicz, 1984). Pour effectuer le suivi de la phénologie de la végétation à des échelles plus importantes, l’imagerie numérique est désormais utilisée. Ainsi, pour effectuer les suivis de la phénologie à l’ échelle des communautés, l’utilisation des caméras numériques connaît une popularité grandissante (Richardson et al., 2007, Crimmins and Crimmins, 2008, Richardson et al., 2009).
Objectifs
Objectif général
L’objectif principal de ce projet de recherche était de vérifier l’influence de la richesse végétale herbacée sp’écifique, présente dans les bandes riveraines en milieu agricole, sur la longueur de la saison de croissance des communautés végétales de bandes riveraines.
Objectifs spécifiques
Le premier objectif spécifique de ce projet de maîtrise était d’évaluer l’influence des facteurs environnementaux sur la longueur de la saison de croissance. Les facteurs environnementaux mesurés étaient la température du sol, la hauteur de la nappe phréatique, la biomasse végétale des parties aériennes ainsi que le contenu en argile du sol.
Le second objectif spécifique était de déterminer l’influence d’une perturbation d’origine anthropique sur la longueur de la saison de croissance. Dans ce projet, la perturbation d’origine anthropique était représentée par un retrait de la biomasse végétale des parties aériennes.
Le troisième objectif spécifique était de déterminer l’influence de la richesse spécifique sur la longueur de la saison de croissance.
Le quatrième objectif spécifique était de déterminer le mécanisme sous-jacent à la relation entre la richesse spécifique et la longueur de la saison de croissance, soit un effet de complémentarité fonctionnelle entre les espèces ou un effet de sélection fonctionnelle.
CONCLUSION GÉNÉRALE
L’agriculture intensive à l’échelle mondiale exerce une pression énorme sur les milieux humides. Les bandes riveraines localisées en bordure de ces écosystèmes sont soumisent à cette pression et il en résulte généralement une homogénéisation des espèces végétales présentes, ce qui entraîne une perte nette au niveau de la diversité végétale qui s’y retrouve et des services écosystémiques (Zedler, 2003). Compte tenu du nombre de services écosystémiques qui sont fournis par les bandes riveraines, il est impératif de comprendre comment la diversité végétale influence la phénologie des communautés végétales de milieux humides. Une meilleure compréhension de cette relation permettrait de mettre en lumière les conséquences potentielles de cette relation sur la productivité primaire nette de ces écosystèmes fragiles qui est indispensable à leur bon fonctionnement.
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Table des matières
CHAPITRE 1 RÉSUMÉ SUBST ANTIEL
1.1 Introduction
1.1.1 Mise en contexte
1.1 .2 Biodiversité
1.1 .3 Biodiversité et fonctionnement des écosystèmes
1.1.4 La phénologie
1.1 .5 Phénologie et processus écosystémiques
1.1.6 Méthodes de suivi de la phénologie à l’échelle des communautés
1.2 Problématique
1.3 Objectifs
1.3.1 0 bj ectif généraL
1.3.2 Objectifs spécifiques
CHAPITRE II PLANT SPECIES RICHNESS PROLONGS THE GROWING SEASON OF FREEL Y ASSEMBLED RIPARIAN HERBACEOUS COMMUNITIES UNDER DRY CLIMA TIC CONDITIONS
Abstract
Introduction
Methods
Experimental design
Biotic and abiotic factors
Active photosynthetic period (APPL)
Validation experiment
Statistical analysis
Results
Discussion
Acknowledgements
References
Tables
Figure captions
Appendix
CHAPITRE III CONCLUSION GENERALE
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