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Enjeux climatiques

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10 Dynamics and migration of banded végétation Systems 95

11.4 Enjeux climatiques

Les préoccupations à propos de la sécheresse ^ qui touche toute la ceinture sahélienne depuis la fin des années 60 [131,160,186] ainsi que les preuves géologiques d’une aridification brutale du Sahara occidental en l’espace de quelques siècles ou même décennies, à l’holocène moyen (environ 5500 ans BP) ( [36,52,162,213], mais voir [135,145,197] pour l’Est du Sahara) ont motivé d’intenses recherches sur le climat et les changements de végétation en Afrique du Nord.

1. Sécheresse est utilisée ici pour indiquer une accumulation des pluies saisonnières si­ gnificativement inférieur à la moyenne calculée à long terme, soit sur 30 ans minimum.

Il est actuellement largement reconnu que l’aridification brutale qui s’est produite à l’holocène moyen a été déclenchée par un lent changement de l’or­ bite terrestre [148] qui a eu pour conséquence un retrait vers le sud de la mous­ son africaine. La température de surface des océans semble aussi jouer un rôle de forçage, dont l’importance varie selon les auteurs (voir par ex. [98,147]). Cependant, la rapidité et l’amplitude des changements passés et présents ne peuvent être correctement modélisés mathématiquement qu’à condition d’in­ tégrer des processus de rétroaction biogéophysiques positifs entre la surface et l’atmosphère afin d’amplifier la réponse de la circulation atmosphérique aux forçages extérieurs. Les facteurs clés des interactions surface-atmosphère incluent l’évapotranspiration, l’albédo^, et la rugosité de la surface [28]. Bien que ces facteurs soient reliés entre eux, l’amplification des fluctuations par l’albédo, qui fut proposée par Charney et par Otterman au milieu des années 70 [48,196], est souvent considérée comme dominante dans l’impact climatique sur les milieux arides.

Les valeurs d’albédo des surfaces végétalisées et totalement dénudées peuvent être remarquablement différentes, avec des valeurs annuelles moyennes excé­ dant parfois 0,5 pour certains sols désertiques [248] et de seulement 0,1 pour les forêts ombrophiles [205]. Un couvert végétal plus important absorbe donc plus d’énergie solaire, réchauffe la colonne d’air au dessus des continents et provoque un contraste thermique plus élevé entre les terres et les océans. Ce contraste mène à une intensification de la circulation atmosphérique régionale et donc à des précipitations accrues. En résumé, lorsque les précipitations diminuent pour des raisons extérieures au système (forçage océanique, chan­ gement de l’orbite terrestre, etc.), la réduction de la couverture végétale qui en découle est susceptible d’amplifier le changement climatique initial.

Les simulations cherchant à reproduire les fluctuations climatiques récentes [141,239,279-281] ainsi que les fluctuations paléoclimatiques [35,52,53,140] ont démontré que l’implication de l’albédo dans les modèles améliore consi­ dérablement la correspondance des résultats avec les mesures climatiques. Cependant, les mesures satellitaires d’albédo dont nous disposons seulement depuis les années ’80 n’ont pas pu confirmer le changement permanent et progressif d’albédo qui sert de base à ces simulations. Au contraire, il est dé­ montré que sa valeur fluctue avec les variations annuelles de précipitations sans tendance à l’augmentation [187].

Malheureusement ces mesures satellitaires ont été effectuées pendant une période relativement sèche. Une augmentation en albédo à large échelle entre la période humide qui a prévalu durablement jusque dans les années ’50 et les trois décennies de sécheresse qui ont suivi ne peut donc pas être rejetée. Les caractéristiques générales de la végétation ne changent pas en l’espace de quelques années, mais nous avons des preuves qu’elles ont changé à l’échelle des décennies sur de vastes surfaces sahéliennes (chapitre 8, [16]). De plus.

l’augmentation totale de l’albédo à laquelle on peut s’attendre en cas de dé­ sertification est non seulement due à la disparition du couvert végétal et à l’exposition du sol nu sous-jacent, généralement plus réfléchissant, mais aussi à certains processus de formation et de dégradation des sols qui opèrent à très long terme [140],

La compréhension de la réponse de la couverture végétale aux variations des précipitations à la transition entre le désert saharien et la savane sou­ danaise requiert une meilleure compréhension des changements de végétation à long terme dans cette région. Les preuves d’une réponse non linéaire de la végétation des milieux arides aux changements climatiques s’accumulent non seulement pour ce qui est des végétations périodiques mais aussi pour les végétations auto-organisées en général [136,216].

La perspective climatique donne une échelle d’intégration supplémentaire à ces systèmes. Jusqu’ici, nous avons considéré que les végétations constituent des systèmes ouverts parce qu’elles échangent de l’eau avec l’extérieur (l’at­ mosphère). En faisant dépendre le flux de ressources hydriques à la densité de végétation, nous imbriquons le système végétal dans une boucle de rétro­ action opérant à une échelle supérieure. En ce sens, Dekker et al. [76] ont montré que le couplage de ces non-linéarités augmente encore l’amplification des fluctuations climatiques par la végétation.

Dans les milieux arides, où le volume des précipitations annuelles ne peut soutenir un couvert continu de végétation pérenne, les plantes voisines rentrent fortement en compétition pour l’accès à l’eau. Cependant, elles modifient favo­ rablement le stock hydrique du sol sous leurs pieds et facilitent de cette façon la croissance d’autres plantes. Le couplage de ces processus antagonistes que sont la facilitation et la compétition fut particulièrement bien étudié dans le cas des structures périodiques de végétation connues depuis les années ’50 sous le nom de brousses tigrées.

Plus récemment, un pas en avant dans la compréhension de ces végéta­ tions périodiques fut accompli grâce au développement de modèles mécanistes spatialement explicites de la dynamique de la phytomasse et des ressources, émanant du cadre théorique de l’auto-organisation des structures dissipatives. Ces modèles se rejoignent sur un ensemble de prédictions robustes et véri­ fiables concernant la formation, le maintien et la modulation des structures macroscopiques par l’environnement. Durant le même laps de temps, notre ni­ veau d’analyse a connu une expansion sans précédent, à la fois dans le temps et dans l’espace, grâce au développement de l’imagerie satellitaire et des ou­ tils d’analyse spatiale dédiés. Le présent travail s’articule en quatre études, chacune traitant une des prédictions issues des théories d’auto-organisation.

Nous pouvons de notre travail en conclure que les structures de végéta­ tion périodiques apparaissent comme une réponse générale à des intervalles environnementaux déterminés d’aridité, de saisonnalité, de texture de sol et de pente (hypothèse I vérifiée). Leur distribution géographique, restreinte aux pourtours de tous les déserts tropicaux, est remarquablement zonale. Ainsi, la structuration horizontale de la végétation est indépendante de son identité taxonomique et parait donc constituer une véritable formation végétale.

A une échelle régionale, nous avons observé que la forme et l’échelle (lon­ gueur d’onde) des structures sont modulées par l’aridité et l’intensité de la pente du terrain (hypothèse II vérifiée). Le long d’un gradient d’aridité crois­ sant, nous avons observé la séquence de morphologies suivantes : trous, laby­ rinthes, îlots. La longueur d’onde des structures était une fonction croissante monotone de l’aridité. Enfin, la présence d’une pente substantielle (> 0,25%) induit la transition vers une structure en bandes parallèles.

Nous avons observé que l’orientation de ces mêmes bandes parallèles est déterminée par la direction des anisotropies de l’environnement (hypothèse III vérifiée). Les bandes s’allongent de façon perpendiculaire à la direction de la pente et, dans une moindre mesure, à celle des vents dominants.

Enfin, nous rapportons ici l’existence de deux types de systèmes en bandes orientées de façon perpendiculaire à la pente ; les systèmes statiques et ceux migrant vers l’amont. Les migrations s’effectuent par épisodes discrets et le mouvement des bords opposés (amonts et avals) est asynchrone. Enfin la vi­ tesse du déplacement des bandes est directement proportionnelle à leur

lon-gueur d’onde. Ces résultats ne vérifient que partiellement les prédictions des modèles, c’est à dire un mouvement systématique vers l’amont qui se produit de façon continue, synchrone et dont la vitesse est une fonction croissante de la longueur d’onde.

Nos résultats confirment la valeur prédictive des modèles d’auto-organisation parus à ce jour tout en pointant plusieurs aspects peu réalistes. Les résultats que nous avons produits et les méthodes que nous avons développées per­ mettent non seulement de tester les résultats de ces modélisation prédictive (ou simulation) mais ils constituent également un premier pas vers une ten­ tative de modélisation inverse. Contrairement à la modélisation prédictive, dans laquelle on effectue des prédictions à partir de paramètres et de condi­ tions initiales définies à priori, le but poursuivi par la modélisation inverse est de raffiner les valeurs des paramètres en cherchant à reproduire l’état du sys­ tème à un ou plusieurs instants donnés à partir des valeurs correspondantes de paramètres environnementaux . Cette méthode reçoit actuellement un intérêt croissant dans les sciences physiques et biologiques [61,95,219] et constituera sans aucun doute, dans les années qui viennent, une source de progrès dans l’estimation des paramètres qui sont difficilement mesurables à l’échelle du système.

La reconnaissance de la nature intrinsèquement endogène et dynamique des structures périodiques de végétation devrait stimuler l’expérimentation et le suivi temporel. L’expérimentation est plus que jamais nécessaire pour éluci­ der la nature et l’importance relative des processus locaux, responsables de la facilitation et de la compétition. Le suivi temporel in situ devrait être encou­ ragé afin de détailler l’effet de ces processus sur la dynamique des populations en termes de taux de mortalité, de production et de reproduction.

Annexes

Bibliographie 147

Liste des abréviations 167

Liste des figures 170

Liste des tableaux 171

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