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Variations spatiales et temporelles des communautés adventices des cultures annuelles en France
Guillaume Fried
To cite this version:
Guillaume Fried. Variations spatiales et temporelles des communautés adventices des cultures an- nuelles en France. Sciences du Vivant [q-bio]. Université de Bourgogne, 2007. Français. �tel-02004862�
UNIVERSITÉ DE BOURGOGNE
INSTITUT NATIONAL DE LA RECHERCHE AGRONOMIQUE
THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR EN SCIENCES DE L’UNIVERSITÉ DE BOURGOGNE
Spécialité : Biologie des Populations, Génétique et Ecoéthologie Formation Doctorale : Gènes, Sélection, Adaptation
Ecole Doctorale : Buffon, « Images et Modélisation des Objets Naturels »
Variations spatiales et temporelles des communautés adventices des cultures annuelles en France
Présentée et soutenue publiquement par
Guillaume FRIED
Le 30 novembre 2007
Directeur de thèse : François BRETAGNOLLE JURY
C. LAVIGNE, Chargée de recherche (INRA Avignon) Examinatrice M.-L. NAVAS, Professeur (SupAgro Montpellier) Rapporteur
D. COUVET, Professeur (MNHN Paris) Président
M. DELOS, Ingénieur (Ministère de l’Agriculture et de la Pêche) Invité J.-F. SOUSSANA,Directeur de recherche (INRA Clermont-Ferrand) Rapporteur
X. REBOUD, Directeur de recherche (INRA Dijon) Co-encadrant de thèse
Remerciements
Je tiens à exprimer ma grande reconnaissance à l’égard de toutes les personnes qui m’ont aidé dans la réalisation de cette thèse. Plus particulièrement ces remerciements s’adressent…
A l’équipe qui m’a encadré,
Xavier Reboud, pour la confiance que tu m’as accordé, pour ton indéfectible disponibilité et tes encouragements soutenus. Ton enthousiasme et ton esprit de synthèse ont fait de toi un encadrant de thèse remarquable.
François Bretagnolle, pour tes conseils avisés et ton apport en écologie fondamentale.
Bruno Chauvel, pour ton aide constante tout au long de ces trois années. Je retiendrais particulièrement ton soutien durant les dernières semaines. Je sais que j’ai été un thésard privilégié en partageant le bureau avec un chercheur ayant d’aussi grandes qualités humaines et pédagogiques.
Fabrice Dessaint, un grand merci pour tes recommandations concernant les statistiques, pour les analyses et figures réalisées sous R et pour les réflexions intéressantes que l’on a engagées sur l’analyse des données diachroniques !
Jacques Gasquez, pour votre soutien concernant toutes les actions liées au réseau Biovigilance Flore, en particulier dans la réalisation des formations à la reconnaissance des adventices destinées aux agents SRPV-FREDON.
Sandrine Petit, mille mercis pour les pistes de réflexion sur les articles en cours et pour l’accueil et l’organisation de mon séjour au CEH de Lancaster ! J’en profite aussi pour remercier Lisa Norton, Simon Smart et Lindsay Maskell pour les discussions fructueuses autour du Countryside Surveys.
Aux membres du jury,
Merci à Marie-Laure Navas et Jean-François Soussana d’avoir bien voulu être rapporteur de cette thèse. Je remercie également Denis Couvet et Claire Lavigne d’avoir accepté de faire partie du jury.
Aux membres du comité de thèse,
Merci à Thierry Tatoni et Anne Bonis, pour leur sprécieux conseils.
Aux financeurs et au réseau Biovigilance Flore, Je tiens à remercier la sous-direction de la qualité et de la protection des végétaux de la DGAL pour leur soutien et pour avoir cru à mon projet de thèse.
En particulier, je tiens à exprimer ici ma gratitude à l’égard de Marc Delos son grand professionnalisme et son enthousiasme inaltérable à l’égard du réseau Biovigilance Flore.
Mes plus vifs remerciements vont à l’ensemble des agents de la Protection des Végétaux et des FREDON qui réalisent les relevés de flore et les enquêtes agricoles dans le cadre du réseau Biovigilance Flore. Les données que vous récoltez sont une mine d’or ! Cette thèse vous est dédiée.
Merci à toutes les régions qui nous ont accueillis lors des formations ou réunions Biovigilance.
A Gilbert Barralis,
pour avoir initié l’étude des communautés adventices dans les années 1960. Ce fut un grand honneur pour moi de vous rencontrer et de vous emmener sur le terrain revisiter des parcelles que vous aviez étudiées il y a 30 ans. Ma thèse doit beaucoup à vos premiers travaux ! A qui le tour dans 30 ans ?
A l’ensemble du labo de « Biologie et Gestion des Adventices »,
j’ai pris beaucoup de plaisir à travailler en votre compagnie. Merci en particulier à toutes les personnes qui m’ont aidé sur le terrain lors des campagnes de relevés floristiques et pédologiques en Côte-d’Or et à Fenay, sous la pluie, contre le vent ou à 40°C, vous étiez toujours là pour m’épauler… Louis Assémat, Emilie Cadet, Bruno Chauvel, Arnaud Coffin, Fabrice Dessaint, Jacques Gasquez, Christian Gauvrit, Christophe Girod, Sylvie Granger, Bertrand Jacquemin, Gilles Louviot, Beryl Laitung, Damien Marage, Helmut Meiss, Xavier Reboud et Maurice Trémoy. Un grand merci à Dominique Meunier pour les conseils sur les analyses de terres et l’utilisation du GPS.
Merci à Claudine Chotel et Sandrine Geslain pour leur patience dans le règlement parfois compliqué des affaires administratives…
À tous les agriculteurs de Fénay et de Côte-d’Or qui m’ont surpris sur leur parcelle,
Merci pour votre accueil et votre compréhension Aux collaborateurs extérieurs qui m’ont permis de répandre la bonne parole,
Philippe Royer, pour m’avoir donné l’opportunité d’enseigner plusieurs années de suite la
« Biodiversité des champs cultivés » dans l’option
« Agriculture-Environnement » de l’ENESAD.
Philippe Jauzein, pour les discussions intéressantes sur les messicoles,
Xavier Pinochet (CETIOM) pour son intérêt dans le réseau Biovigilance Flore et la possibilité qu’il m’a offert de présenter mes résultats aux professionnels.
Aux stagiaires que j’ai co-encadrés,
Loïc, Fabien, Aurélie et plus particulièrement Christophe Girod dont l’efficacité me fut d’une aide précieuse pour conduire des centaines de relevés floristiques dans la courte fenêtre du mois d’avril 2006 !
A l’origine de ma thèse sur les communautés adventices, je tiens à remercier Michel Hoff et Jean- Pierre Reduron qui m’ont permis de travailler sur la flore messicole en Alsace.
Je tiens également à remercier ici Jacques Caneill, qui fut mon Professeur d’agronomie à l’ENESAD et dont l’aide a été utile dans l’élaboration du dossier ayant permis de décrocher l’accès à la Formation Complémentaire Par la Recherche.
A mes collègues et amis,
Ces trois ans de dur labeur n’ont été supportables que grâce à des moments de détente autour d’une bonne bière : Bertrand (Euch te beuch 1), Boris, Cécile (Nietzsche & Cioran !), Emilie, Guillaume (Euch te beuch 2 !), Julie, Karel, Seb, Séverine merci pour les superbes soirées passées ensemble.
Que Raph et Renaud soient également remerciés ici. Merci aussi à Virgile pour sa Mandubienne (le choix du site de Fénay n’était pas un hasard !).
Mention spéciale à Emilie qui fut durant ces trois années ma fidèle acolyte dans toutes les sorties botaniques à la découverte de la Côte-d’Or. Ce fut une grande joie de pouvoir partager ma passion avec toi en prospectant à la recherche de quelques messicoles mythiques…
A mes anciennes collègues de l’ENESAD : Véro, Fred & Céline.
Merci à Kalevi & Marti de m’avoir permis de m’évader du champ scientifique en exprimant mes pensées en musique…
A mon amie,
Aude, merci pour ta complicité, ton soutien, en particulier dans les dernières semaines, tu m’as beaucoup facilité la tâche pour finir dans les temps… Te remercier est un bien faible mot au regard de ce que tu as accompli !
A ma famille,
Merci à mes parents et à ma famille qui ont toujours cru en moi.
Et enfin, aux communautés adventices !
J’ai vécu trois ans avec vous, du terrain aux théories en passant par les espaces multivariées…
Vous étudier est véritablement passionnant !
Liste des articles
Article I : Fried G., Norton L.R., Reboud X. Composition and richness of weed species communities do not correlate to the same environmental factors and management practices. En préparation.
Article II : Fried G., Reboud X. 2007. Evolution de la composition des communautés adventices des cultures de colza sous l’influence des systèmes de cultures. Oléagineux, Corps gras, Lipides 14 : 130-138.
Article III : Fried G., Reboud X., Gasquez J. Delos M., 2007. Le réseau « Biovigilance Flore » : Présentation du dispositif et première synthèse des résultats. Vingtième conférence du Columa. Journées internationales sur la
lutte contre les mauvaises herbes. Dijon, France, 11 et 12 Décembre 2007 : 315-325Article IV : Fried G., Bombarde M., Delos M., Gasquez J., Reboud, X. 2005. Les mauvaises herbes du maïs : ce qui a changé en 30 ans. Phytoma-LDV 586: 47-51.
Article V : Fried G., Chauvel B., Reboud X., Chollet D., Bombarde M., Delos M., 2006. Evolution de la flore adventice en 30 ans : quelles caractéristiques semblent favoriser la capacité d’infestation en tournesol ?
Phytoma-LDV 596 : 37-43.Article VI : Fried G., Reboud X., Bibard V., Bombarde M., Delos M. 2006. Mauvaises herbes du maïs. 25 ans d’évolution dans les grandes régions de production. Perspectives Agricoles 320 : 68-74.
Article VII : Fried G., Chauvel B., Reboud X. A functional analysis of large-scale temporal shifts in the sunflower weed assemblages in France between 1970 and 2000. Journal of Vegetation Science. Accepté avec modifications. (ref : JVS5284).
Article VIII : Fried G., Dessaint F., Reboud X. Increased cultivation of oilseed rape and N-fertilization as the main drivers in long-term changes of arable weed flora in Côte-d’Or (France). En préparation.
Article IX : Fried G., Reboud X. Arable weed classification along a specialist/generalist index highlights changes in agricultural land. Oecologia. Soumis. (ref : OEC-KG-2007-0828).
Article X : Fumanal, B., Girod, C., Fried, G., Bretagnolle, F., Chauvel, B. Can the large ecological amplitude of
Ambrosia artemisiifolia explain its invasive success in France? Weed Research. Accepté. (ref : WRE-2007-0034).Article XI : Fried G., Reboud X., 2007. Au-delà du simple constat, comment analyser et prévoir les évolutions de la flore adventice ? Vingtième conférence du Columa. Journées internationales sur la lutte contre les mauvaises
herbes. Dijon, France, 11 et 12 Décembre 2007, 367-376.Article XII : Dessaint, F., Fried, G., Barralis, G., 2007 - Déclin et changements au sein de la flore adventice : quelle évolution en 30 ans ? Vingtième conférence du Columa. Journées internationales sur la lutte contre les
mauvaises herbes. Dijon, France, 11 et 12 Décembre 2007, 417-426.Article XIII : Fried G., Dessaint F., Reboud X. Long term trends in the weed flora of arable fields and crop edges in north eastern France. En préparation.
Article XIV : Fried G., Girod C., Jacquot M., Dessaint F. 2007. Répartition de la flore adventice à l’échelle d’un paysage agricole : analyse de la diversité des pleins champs et des bordures. Vingtième conférence du Columa.
Journées internationales sur la lutte contre les mauvaises herbes. Dijon, France, 11 et 12 Décembre 2007, 346-
355.
Article XV : Fried G., Dessaint F., Reboud X. Diversity in arable fields : losing the common and widespread
weeds lead to species compositional differentiation. En préparation.
Sommaire
Contexte 4
Grille de lecture de la thèse 4
Objectifs de la thèse 4
Partie I : Synthèse des articles 7
Introduction: contexte général et définitions 7
Le poids de l’homme dans la trajectoire des communautés 7
La flore adventice des cultures annuelles comme modèle écologique 9
Le réseau Biovigilance Flore et les autres sources de données 12
Chapitre 1. Règles d’assemblage des communautés adventices 17 1.1. Variations du degré de structuration des communautés adventices
en fonction de l’échelle spatiale et du pool d’espèces 18
1.2. Importance relative des facteurs abiotiques sur la composition
des communautés adventices : vers la définition de règles d’assemblage ? 21 1.2.1. Hiérarchisation des filtres régulant l’assemblage des adventices 21
1.2.2. Influence du pool d’espèces considérés 24
1.2.3. Les mêmes facteurs sont-ils toujours actifs à trente années d’intervalles 24
1.3. Conclusion 24
Chapitre 2. Etat des lieux du statut des espèces adventices
dans les principales cultures et son évolution depuis 1973 26 2.1. Fréquence et abondance des adventices des cultures annuelles 27
2.1.1. Diversité et distribution géographique 27
2.1.2. Fréquence et abondance des espèces adventices 28
2.2. Changements floristiques dans les principales cultures entre 1973 et 2005 30 2.2.1. Variations temporelles de la végétation : le cas de la flore adventice 30 2.2.2. Evolution du statut des principales mauvaises herbes entre 1973 et 2005 31
2.2.3. Intensité du turnover 32
2.2.4. Vers une spécialisation des flores de chaque culture ? 34
2.2.5. Conclusion 35
Chapitre 3. Traits d’histoire de vie, valeurs indicatrices écologiques
et groupes fonctionnels 37
3.1. Introduction 37
3.1.1. Traits fonctionnels 37
3.1.2. Valeurs indicatrices écologiques 39
3.1.3. Groupes fonctionnels 41
3.2. Utilisation des traits pour mettre en évidence les processus sous-jacents
aux variations temporelles des communautés adventices 42
3.2.1. Apports méthodologiques 42
3.2.2. Identification des principaux filtres ayant modelé la flore adventice depuis les années 1970 44
3.3. Conclusion : les communautés adventices offrent un exemple original
de convergence de traits 47
Chapitre 4. Niche écologique et concept d’espèces généralistes/spécialistes 49
4.1. Introduction : le concept de la niche écologique 49
4.2. Le concept d’espèces généralistes/spécialistes 49
4.2.1. Théories 50
4.2.2. Applications à l’agrosystème cultivé 50
4.3. Position dans la niche et prédiction de l’abondance
et de la tendance démographique des espèces 54
4.4. Conclusion 56
Chapitre 5. Déclin de la biodiversité dans les agrosystèmes cultivés 57
5.1. Introduction 57
5.1.1. Statut des espèces messicoles et des espèces communes : quelles différences ? 57
5.1.2. L’homogénéisation biologique 58
5.1.3. Quelles causes sous-jacentes ? 59
5.2. Déclin de la flore adventice des champs de cultivés 59
5.2.1. Statut des adventices : un déclin quasi-général 59
5.2.2. Diversité et turnover à l’échelle locale (diversité α) 62 5.2.3. Evolution de la diversité β : vers une homogénéisation de la flore ? 64 5.2.4. Evolution du partitionnement de la diversité γ à l’échelle régionale 67 5.3. Déterminants de la diversité des communautés adventices 68
5.3.1. Quels facteurs influencent la richesse spécifique ? 68
5.3.2. Effets des herbicides 68
5.3.3. Effet de la taille de la parcelle 69
5.3.4. Conclusion 70
5.4. Variation spatiale de la diversité entre plein champ et bords de champs 70
5.4.1. Patrons de diversité 70
5.4.2. Rôle des bordures dans la conservation des espèces adventices 73
5.5. Conclusion 74
Conclusions générales & perspectives 75
Quels apports méthodologiques ? 75
Qu’a-t-on appris sur le fonctionnement des communautés adventices ? 76 Quelles théories d’Ecologie s’appliquent aux communautés adventices ? 77
Perspectives 79
Références bibliographiques 81
Partie II : Articles 96 NB: les chiffres entre crochets correspondent à la pagination des articles publiés.
Article I. Composition and richness of weed species communities do not correlate
to the same environmental factors and management practices 96 Article II. Evolution de la composition des communautés adventices des cultures
de colza sous l’influence des systèmes de cultures [130-138] 114 Article III. Le réseau « Biovigilance Flore » : Présentation du dispositif
et première synthèse des résultats [315-325] 123
Article IV. Les mauvaises herbes du maïs : ce qui a changé en 30 ans [47-51] 134 Article V. Evolution de la flore adventice en 30 ans : quelles caractéristiques
semblent favoriser la capacité d’infestation en tournesol ? [37-43] 139 Article VI. Mauvaises herbes du maïs. 25 ans d’évolution
dans les grandes régions de production [68-74] 146
Article VII. A functional analysis of large-scale temporal shifts
in the sunflower weed assemblages in France between 1970 and 2000. 151 Article VIII. Increased cultivation of oilseed rape and N-fertilization as the main drivers
in long-term changes of arable weed flora in Côte-d’Or (France) 179 Article IX. Arable weed classification along a specialist/generalist index highlights
changes in agricultural land 201
Article X. Can the large ecological amplitude of Ambrosia artemisiifolia explain
its invasive success in France? 241
Article XI. Au-delà du simple constat, comment analyser
et prévoir les évolutions de la flore adventice ? [367-376] 281 Article XII. Déclin et changements au sein de la flore adventice :
quelle évolution en 30 ans ? [417-426] 291
Article XIII. Long term trends in the weed flora of arable fields
and crop edges in north eastern France 301
Article XIV. Répartition de la flore adventice à l’échelle d’un paysage agricole :
analyse de la diversité des pleins champs et des bordures [346-355] 329 Article XV. Diversity in arable fields: losing the common and widespread
weeds lead to species compositional differentiation 339
Contexte
Ce travail de thèse prend place dans le contexte de la mise en place d’un réseau national d’observations (monitoring) de la flore adventice des grandes cultures, réseau soutenu et financé par le Ministère de l’Agriculture et de la Pêche. Fruit d’une collaboration entre l’INRA et le Service de la Protection des Végétaux, ma thèse correspond à une Formation Complémentaire Par la Recherche (FCPR) visant à former un spécialiste de l’Ecologie des adventices, à l’interface entre recherche et gestion plus administrative des questions relatives à la flore adventice, aux espèces envahissantes et à la biodiversité dans l’espace agricole. Cette donnée n’est pas sans conséquence sur la manière dont s’est déroulée cette thèse. Une part importante de mon travail durant ces trois années a en effet consisté à coordonner l’action du réseau en affinant les protocoles d’échantillonnage, en assurant la formation des agents à la reconnaissance de la flore adventice et en garantissant un retour des résultats sous la forme d’articles de vulgarisation. Ce dernier point vient justifier la forte proportion d’articles présentés en français. Cette partie descriptive - avec les limites scientifiques liées à ce type de travail - était cependant nécessaire : i) afin que les acteurs du réseau perçoivent concrètement un retour à leurs investissements importants et ii) pour assurer la cohésion globale d’un réseau naissant dont aucun état des lieux n’était disponible après plusieurs années d’existence. Pour autant, avec 8 articles acceptés, soumis ou en préparation dans des revues à comité de lecture, la valorisation scientifique des résultats n’a pas été négligée. Le degré d’avancement de ces articles demeure cependant très variable. Il convient de préciser qu’une période de quelques mois après la thèse est prévue pour finaliser ces travaux et valoriser des parties qui n’ont pas encore fait l’objet d’articles ou qui sont encore actuellement en français.
Grille de lecture de la thèse
Nous avons fait le choix d’écrire une thèse basée sur une série d’articles publiés, soumis ou en préparation. La partie essentielle de l’exercice scientifique académique de la thèse est contenue dans ces 15 articles qui forment une progression cohérente et logique des idées. La première partie de ce document constitue une synthèse des articles resituant le travail de thèse dans un cadre plus général et expliquant la logique générale qui cimente les articles entre eux avec des éléments qui ne figurent pas dans les publications. Elle n’a pas vocation à développer in extenso tous les résultats qui sont en revanche détaillés dans la seconde partie de la thèse constituée par les 15 articles. Les paragraphes suivant énoncent les objectifs poursuivis dans cette thèse et dresse la logique générale de la succession des articles présentés.
Objectifs de la thèse
L’Ecologie des communautés semble avoir beaucoup progressé en cherchant à énoncer des règles
générales d’assemblage des espèces en communautés (assembly rules) notamment à travers des approches
utilisant les traits de vie des espèces ou en cherchant à transposer à l’échelle de la communauté des concepts
jusque là développés par les généticiens ou biologistes des populations (théorie neutraliste,
généralistes/spécialistes). L’étude des communautés adventices et de l’agrosystème cultivé est longtemps restée
(en France) l’apanage des agronomes. D’un côté les écologues ont jugé le milieu cultivé comme trop artificialisé, d’autre part, les agronomes ont souvent jugés les questions d’Ecologie trop théoriques et sans applications pratiques immédiates. Avec cette thèse nous avons voulu tester l’intérêt d’utiliser le modèle des communautés adventices en Ecologie et symétriquement d’utiliser les théories d’Ecologie pour mieux comprendre ou gérer les communautés adventices. Le fil conducteur de cette thèse est ainsi double et symétrique.
D’une part, il s’agit de tester des théories générales d’Ecologie (des communautés) en utilisant le modèle des communautés adventices des cultures annuelles. Cet angle de travail doit permettre de resituer le fonctionnement des communautés adventices, peu étudié par les écologues, par rapport aux communautés des autres écosystèmes. Ce faisant, nous tenterons de faire la distinction entre règles générales d’Ecologie s’appliquant à toutes les communautés et règles particulières propres aux communautés des agrosystèmes cultivés.
Symétriquement, il s’agit d’autre part d’appliquer les théories d’Ecologie pour explorer les patrons d’organisation et comprendre les processus à l’origine des variations spatiales et temporelles observées au sein des communautés adventices. Ce second point conduirait à : i) une meilleure capacité de prédiction des évolutions de flore, ii) une meilleure appréhension de la structuration et de la biodiversité de ces communautés végétales et iii) une gestion plus rationnelle des adventices. Evidemment cet objectif peut paraître ambitieux et je ne peux prétendre en avoir couvert qu’une partie au cours de ces trois années.
Plus précisément, cette thèse visait donc à répondre à 5 questions : i) quelles sont les règles gouvernant l’assemblage des espèces adventices en communautés ? Quel est le poids de l’homme par rapport à l’environnement dans ces règles ? ii) quelle est l’intensité des changements de flore au cours du temps ? iii) quel est l’impact de l’homme sur la diversité des communautés et quelles en sont les conséquences potentielles sur le fonctionnement de l’écosystème ? iv) les approches par les traits des espèces permettent-elles de mettre en évidence les processus de sélection des espèces au sein des communautés ? v) les caractéristiques de la niche écologique des espèces (taille, position) fournissent-elles des clés du comportement démographique des espèces et de la composition des communautés ?
Le Chapitre 1 aborde les règles générales d’assemblage des communautés adventices. L’artificialité du milieu cultivé peut laisser supposer la formation d’associations aléatoires d’espèces en communauté. L’existence d’une structuration non-aléatoire des communautés adventices est testée par des modèles nuls. La variation du degré de structuration des communautés est comparée à différentes échelles spatiales, à 30 ans d’intervalles et en fonction de différents sous-ensembles d’espèces. Les poids respectifs des techniques culturales et du milieu physique sur la composition des communautés sont évalués à différentes échelles par des méthodes multivariées (I, II). Le poids du type de culture est particulièrement détaillé comme un exemple de convergence de traits.
Le Chapitre 2 dresse l’état des lieux de la flore adventice à partir du réseau Biovigilance Flore (III). Le
point sur le changement de statut des espèces est établi dans les principales cultures (II, III, IV, V, VI) et une
synthèse générale est produite. Au-delà de cet état des lieux volontairement descriptif, les chapitres 3 et 4 visent à interpréter les changements de flore à partir de différentes approches d’Ecologie.
Dans le Chapitre 3, nous montrons comment l’utilisation des traits d’histoire de vie et/ou des valeurs indicatrices écologiques des espèces et leur classement en groupes fonctionnels permettent de dépasser la simple description d’une liste d’espèces et de mettre en évidence les processus qui sélectionnent la flore adventice (VII, VIII).
Deux théories découlant du concept de la niche écologique sont testées dans le Chapitre 4. Le classement des adventices sur un gradient d’espèces généralistes/spécialistes permet de resituer l’évolution de la composition des communautés adventices dans le cadre plus général de l’hétérogénéité temporelle de l’habitat (IX). L’évolution du ratio généralistes/spécialistes au sein des communautés est analysée en fonction de la complexité de la rotation face à une monoculture et plus généralement à trente ans d’intervalle. L’amplitude de la niche est aussi évaluée dans le cas d’une espèce envahissante (Ambrosia artemisiifolia L.) (X). Une application générale du concept de niche consiste à évaluer comment le positionnement des parcelles cultivées au sein, dans la marge ou à l’extérieur de la niche écologique possibles des espèces peut canaliser l’abondance possible des espèces (XI).
L’impact de l’homme sur la biodiversité de l’agrosystème cultivé est abordé dans le Chapitre 5.
L’évolution de la diversité α (richesse spécifique, abondance) par parcelle est quantifiée à partir d’un jeu de
donnée diachronique collectée à l’échelle régionale (XII, XIII). L’évolution de la diversité β (similarité moyenne de
la composition entre parcelles) est analysée pour tester l’hypothèse d’une homogénéisation biologique des
communautés à l’échelle taxonomique et fonctionnelle (XV). Afin d’expliquer les facteurs potentiellement à
l’origine de cette baisse de diversité, les gradients spatiaux de richesse spécifique sont analysés en fonction des
techniques culturales, du milieu physique et du paysage à partir des données du réseau nationale Biovigilance
Flore (I). Enfin, la structuration spatiale de la diversité des communautés est analysée à l’échelle des différents
compartiments du paysage agricole (XIV) et le rôle des bordures dans la conservation des espèces en déclin est
discuté (XIII, XIV).
Introduction : contexte général et définitions
Avant de vous exposer la synthèse des articles, il est nécessaire de rappeler différents points.
L’introduction vise à i) resituer le travail dans un questionnement plus large autour de l’Ecologie des communautés et de l’impact de l’homme sur les modifications de la végétation ; ii) présenter, définir et expliquer le choix du modèle d’étude et iii) présenter la complémentarité des jeux de données analysés.
Le poids de l’homme dans la trajectoire des communautés
Les meilleures estimations suggèrent qu’entre 1,5 et 30 millions d’espèces vivent actuellement sur terre (May, 1990). L’infime fraction de cette collection globale d’espèces trouvées dans une portion de l’espace et du temps forme une communauté écologique (Begon et al., 1990 ; Morin, 1999). Un des objectifs majeurs de l’Ecologie des communautés est de comprendre quelles sont les règles générales d’assemblage des espèces en communautés (community assembly rules) à partir d’un pool régional d’espèces plus large (Figure 1).
POOL D’ESPECES
Spéciation Extinction
Communauté
?
POOL D’ESPECES
Spéciation Extinction
Communauté
?
Figure 1. Les règles d’assemblage, une question centrale en Ecologie des communautés : comment les communautés s’assemblent-elles à partir d’un pool d’espèces ? En contraste, les évolutionnistes de leur côté traitent de la formation du pool d’espèces (D’après Keddy & Weiher, 1999).
A l’origine, comme pour d’autres disciplines, l’Ecologie des communautés était une science descriptive.
L’objectif était d’identifier, de décrire et de classer (phytosociologie) les communautés présentes dans les
différents écosystèmes terrestres (Clements, 1916). Plus récemment et notamment grâce à la mise au point
d’outils d’analyse puissants utilisant l’informatique, l’Ecologie des communautés a progressé au-delà de la simple
description des patrons et se focalise sur la compréhension des processus à l’origine des patrons observés. Les
questions que pose l’Ecologie des communautés paraissent simples : comment évolue la structure des
communautés au cours du temps ? Peut-on prédire les changements de composition au sein d’une
communauté ? Pourquoi y a t’il autant (ou si peu) d’espèces dans une communauté ? Est-ce que les
communautés contenant beaucoup d’espèces fonctionnent différemment des communautés en contenant peu ?
Figure 2. Les principaux processus pouvant être à l’origine de l’évolution de la végétation. Dans cette thèse on s’intéressera essentiellement aux conséquences des changements du milieu et en particulier des perturbations anthropiques.
Communauté État 1
Communauté État 2
Temps
Fluctuation des ressources
Changement climatique Perturbations (dont actions anthropiques)
Milieu
Perturbation
Fluctuation des ressources
Changement climatique Perturbations (dont actions anthropiques)
Milieu
Fluctuation des ressources
Changement climatique Perturbations (dont actions anthropiques)
Milieu
Perturbation
Pathogènes Prédateurs
Herbivores
Pollinisateurs Micro-organismes du sol
Autres
niveaux
trophiques
Mutualisme Herbivorie Maladie Prédation Reproduction
Pathogènes Prédateurs
Herbivores
Pollinisateurs Micro-organismes du sol
Autres
niveaux
trophiques
Pathogènes Prédateurs
Herbivores
Pollinisateurs Micro-organismes du sol
Autres
niveaux
trophiques
Mutualisme Herbivorie Maladie Prédation Reproduction Compétiteurs
Introduction d’une nouvelle
espèce native
Introduction d’une nouvelle espèce
non-native
Autres communautés
Compétition Dispersion Compétiteurs
Introduction d’une nouvelle
espèce native
Introduction d’une nouvelle espèce
non-native
Autres communautés
Compétiteurs Introduction d’une nouvelle
espèce native
Introduction d’une nouvelle espèce
non-native
Autres communautés
Compétition Dispersion
D’après Davis et al. (2005). Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics Facilitation
Inhibition
Compos ition Structure
Spectre biologique Compos ition Structure
Spectre biologique
Comment la composition de la communauté varie le long de gradients spatiaux ? Est-ce que l’addition ou la disparition d’une espèce affecte la distribution ou l’abondance des autres espèces ? Etc.. Mais face à la complexité exponentielle des interactions avec le nombre d’espèces considérées, nombres de ces questions ne sont en fait pas encore résolues et/ou font encore débat. Ces interrogations ont pris un relief considérable et un certain degré d’urgence avec la montée de préoccupations environnementales. Les impacts toujours plus grands et visibles des activités anthropiques questionnent désormais sur la viabilité limite des communautés et l’intérêt du suivi et de la protection de certaines espèces parapluies (Simberloff, 1998) ou des espèces communes (Gaston & Fuller, 2007).
L’écosystème terrestre est actuellement soumis à un niveau de perturbations anthropiques sans précédent et toujours croissant (Vitousek et al., 1997). Le souci de distinguer le poids de l’homme de celui des cycles naturels dans les processus écologiques est ainsi devenu une question essentielle en Ecologie (Davies et
al., 2006). Dans les études concernant le réchauffement climatique, les climatologues estiment que les activitéshumaines sont à l’origine d’une hausse de 30% de la teneur en CO
2dans l’atmosphère depuis la révolution industrielle (Schimel et al., 1995). Selon Goudie (2000), la végétation serait le compartiment de notre environnement dont l’évolution a été le plus affecté par l’homme à travers l’utilisation des terres. Au-delà du poids de l’homme dans la modification des écosystèmes, une issue majeure des recherches en Ecologie des communautés consiste désormais surtout à déterminer quelles peuvent être les conséquences de ces changements (Tilman, 1999b). Les communautés les plus riches sont-elles les plus stables (Tilman & Downing, 1994) ou au contraire les plus dynamiques ? La richesse spécifique (Kennedy et al., 2002) ou les patrons d’abondance-dominance (Smith et al., 2004) d’une communauté peuvent-il expliquer sa résistance aux invasions ? Existe-t–il une situation de non-retour où l’appauvrissement d’une communauté entraîne son incapacité à répondre aux perturbations ? (Notion de résilience – Barbour et al., 1999). Une communauté appauvrie devient-elle moins performante pour assurer le recyclage des flux de matière, le stockage de carbone (Hooper & Vitousek, 1998) ? Quelles propriétés doit présenter une communauté occupant un environnement très contraignant et/ou très fluctuant ?
De nombreux processus peuvent affecter la trajectoire d’une communauté végétale (Figure 2). A travers
ses activités, l’homme crée des perturbations qui ont un impact direct sur la flore : modification de l’utilisation des
terres (déforestation, mise en culture ou abandon des terres, urbanisation), feux, introduction de nouvelles
espèces, etc. Les activités humaines peuvent également avoir un impact indirect sur la trajectoire des
communautés végétales en affectant le milieu physique : composition chimique du sol (eutrophisation, pluies
acides), climat (réchauffement climatique) ou l’environnement biologique en interaction avec la végétation
(altération des communautés animales en particulier les espèces pollinisatrices et/ou celles participant à la
dispersion des végétaux). Démêler la part de l’homme dans l’évolution de la végétation est donc une entreprise
complexe car pour un même processus (évolution du milieu physique), il faut distinguer les effets les plus directs
(proximaux) des impacts humains (défrichage), des effets indirects (distaux) telle que l’eutrophisation des sols ou
des eaux de ruissellement.
Les champs cultivés constituent un écosystème (agrosystème) peu étudié par les écologues du fait de son histoire trop récente ou de son caractère trop artificialisé par le travail du sol et l’utilisation de pesticides. Il revêt pourtant un caractère exceptionnel du fait de la fréquence et de l’intensité des perturbations qui y sont conduites dans l’objectif de maintenir des conditions favorables à l’accumulation de biomasse (pour la récolte de la culture). Ainsi, la flore adventice des agrosystèmes cultivés pourrait fournir un modèle insolite pour étudier les règles d’assemblage des communautés ainsi que pour étudier les effets de l’activité humaine et ses conséquences sur la formation de ces associations.
La flore adventice des cultures annuelles comme modèle écologique
Les plantes adventices désignent toutes les plantes qui se développent spontanément dans les milieux modifiés par l’homme (Godinho, 1984). Selon cette définition, la flore adventice des cultures correspond à l’ensemble de la végétation spontanée présente dans un champ hormis l’espèce cultivée. Dans cette thèse on utilise le terme ‘communauté adventice’ pour désigner un ensemble d’espèces trouvées dans une même portion de l’espace (au sein d’une zone homogène dans une parcelle cultivée) et du temps (au moment où est effectué le relevé floristique). Dans la suite du texte, les termes ‘adventice’ et ‘mauvaises herbes’ seront utilisés sans distinction bien que le second terme soit en réalité inclus dans le premier et constitue une notion très relative.
En France, on trouve environ 1200 espèces adventices dans les cultures (Jauzein, 2001a). Cette
diversité a fait l’objet de travaux de synthèse conduisant notamment à distinguer les espèces selon leurs origines
paléoclimatiques d’appartenance (Aymonin, 1965 ; Maillet, 1993 ; Jauzein, 2001a) ou leur date de présence
avérée sur un territoire. En effet, une partie de la flore adventice est composée d’espèces indigènes qui ont
trouvé dans l’ouverture de la végétation des champs cultivés un milieu propice (apophytes). D’autres espèces ont
été introduites en France (xénophytes) souvent via l’importation de semences d’espèces cultivées (François,
1929). Ce processus a démarré dès les prémices de l’agriculture au néolithique avec l’arrivée des premières
céréales depuis le Proche-Orient. Les espèces adventices introduites durant cette période sont qualifiées
d’archéophytes qui désignent aussi par extension les espèces (plus rares) introduites durant le Moyen-Âge. Une
seconde vague d’introductions a débuté avec la découverte des Amériques qui a ouvert les échanges à une flore
complètement différente de la flore paléo-tempérée. Ces espèces arrivées en France à partir du XVI
èmesiècle
sont désignées par le terme de néophytes. Les archéophytes sont traditionnellement intégrées à la flore
spontanée par les botanistes (coquelicot, bleuet). Les néophytes qui n’ont commencé à se naturaliser qu’à partir
de la fin du XVIII
esiècle sont en revanche considérées comme des espèces étrangères. Derrière cette
diversité des origines, les espèces composant la flore adventice des champs cultivés ont cependant un point
commun : l’adaptation aux perturbations et, à un moment ou un autre de l’histoire agricole, l’adaptation aux
techniques culturales qui ont favorisé leur expansion.
Les communautés adventices comme modèle pour tester les théories d’Ecologie
Plusieurs caractéristiques font de l’agrosystème cultivé un modèle d’étude qui pourrait être plus propice que d’autres écosystèmes naturels pour tester des théories d’Ecologie et mesurer le poids de l’homme dans le processus d’évolution des communautés (Booth & Swanton, 2002). Premièrement, les champs cultivés constituent un milieu très artificialisé, en grande partie contrôlé par l’homme. Ainsi, l’espèce dominante de la communauté (l’espèce cultivée) est prédéterminée, le type et la fréquence des perturbations (i.e. les opérations de travail du sol, l’application d’herbicides) ainsi que le niveau d’éléments nutritifs apportés sont entièrement contrôlés par l’homme dans un objectif de créer la situation optimale à l’expression du potentiel productif de la seule espèce cultivée. Ces contraintes sont facilement manipulables et sont d’intensité modulable : à travers la diversité des techniques culturales existantes, on peut tester l’effet sur la flore de nombreux types de perturbations : date de travail du sol, complexité des rotations créant différents degrés d’hétérogénéité temporelle, etc., ou différents niveaux d’apports en éléments nutritifs. Deuxièmement, l’agrosystème cultivé est un système très dynamique où les contraintes (i.e. les techniques culturales) évoluent rapidement. En particulier au cours des 50 dernières années, l’agriculture a connu de profonds changements. Ainsi, entre 1950 et 1990, la quantité de fertilisants utilisés en France a été multipliée par dix, passant de 250 000 à 2 600 000 tonnes environ pour une surface cultivée ayant peu augmenté (Agreste, 2001). Le désherbage des cultures, longtemps manuel puis mécanisé, s’est ensuite rapidement développé par l’utilisation de substances chimiques de synthèses (herbicides) à partir des années 1950 (Gasquez, 2005). Parallèlement, le labour est d’abord devenu plus intense et plus profond grâce à l’augmentation de la puissance des machines agricoles puis, plus récemment une tendance à développer des pratiques de travail superficiel ou de non-travail du sol ont connu un succès grandissant auprès des agriculteurs. Les changements ne manquent pas et l’histoire a montré que les communautés adventices réagissaient généralement très rapidement à ces changements du milieu. Pour preuve, le statut des espèces adventices des cultures est aujourd’hui très contrasté. De nombreuses espèces semblant inadaptées aux évolutions récentes sont en déclin : c’est le cas des espèces messicoles
1(Agrostemma githago,
Bromus secalinus - Jauzein, 2001b). D’autres adventices ont à l’inverse développé des populations abondantesen partie à la faveur de mutations conférant une résistance aux herbicides : Alopecurus myosuroides,
Avena fatua, Loliumspp. (Gasquez, 1996). Enfin, plusieurs espèces étrangères notamment des espèces estivales américaines (Abutilon theophrasti, Ambrosia artemisiifolia, Panicum spp., Xanthium strumarium) ont rapidement envahi le territoire ces dernières années (Chauvel et al., 2005) souvent à la faveur de niches écologiques vacantes dans les cultures estivales (Maillet & Lopez-Garcia, 1999).
L’utilisation des communautés adventices comme modèle a aussi quelques limites. Le statut de thérophyte implique souvent l’existence d’un stock de semences présentant différentes caractéristiques de longévité, d’intensité ou hétérogénéité des dormances, etc., aptes à assurer la survie des populations des différentes espèces. La conséquence est un stock de semences du sol important, avec suivant les espèces, entre 1% et 20 % de la flore potentielle qui s’exprime chaque année dans une parcelle cultivée (Barralis &
1 Les espèces messicoles sont des espèces archéophytes annuelles ayant un cycle de vie calé sur celui des céréales d’hiver. La plupart sont originaires du Proche-Orient ou du Bassin méditerranéen (Jauzein, 1997).
Chadoeuf, 1988 ; Debaeke, 1988). Cela rend complexe l’étude de la végétation puisque le stock de semences peut agir comme un tampon dans la réponse des communautés face aux perturbations. La dispersion des semences par les outils agricoles, par les moissonneuses-batteuses (Shirtliffe & Entz, 2005) ou par le vent peut conduire à la présence d’adventices dans des sites qui d’un point de vue des conditions écologiques ne leurs conviennent pas obligatoirement. Cela peut donc conduire à un « bruit de fond » pouvant brouiller l’analyse des relations entre flore et milieu.
Enfin, en ne considérant que la flore adventice on ne prend pas en compte les autres niveaux trophiques pouvant interagir avec les communautés adventices : les oiseaux et les insectes (Holland et al., 2006) ou les petits mammifères (Povey et al., 1993) inféodés aux cultures. Ces derniers ont un rôle dans la prédation des graines (Mauchline et al., 2005) mais aussi dans le succès reproducteur (pollinisation) et dans la dynamique d’extension spatiale des populations (dissémination des espèces zoochores).
En résumé, en dépit de quelques limites potentielles que nous avons soulevées et que nous supposerons mineures, le milieu cultivé présente plusieurs avantages pour appliquer les théories d’Ecologie des communautés : les principales contraintes sont connues, elles sont modulables et évoluent rapidement au cours du temps, et le statut des espèces est très contrasté entre populations envahissantes et en déclin.
Des approches écologiques pour comprendre l’agrosystème
Les approches développées en Ecologie peuvent symétriquement faire progresser la Malherbologie dont la recherche s’est longtemps focalisée sur la biologie et l’écologie des espèces les plus nuisibles, sur leur évolution génétique (résistance aux herbicides), sur les effets de la compétition d’une mauvaise herbe avec une culture et sur les moyens de contrôle d’un problème spécifique à une mauvaise herbe dans une culture donnée (Derksen, 1996). Plus récemment, le développement des moyens de lutte intégrée contre les adventices a amené les malherbologues à développer des approches à l’échelle de la communauté (Clements et al., 1994).
En effet, les individus d’une espèce adventice au sein d’une parcelle cultivée ne sont que rarement isolés ou en seule interaction avec la culture, mais sont incorporés dans une communauté adventice. Quand une mauvaise herbe nuisible dominante est éliminée d’une communauté, d’autres espèces, soit nouvelles, soit déjà présentes, peuvent envahir la niche laissée vacante (Booth & Swanton, 2002). Pour éviter ce type de remplacement en cascades, la gestion des adventices a tout intérêt à être raisonnée à l’échelle de la communauté. Une gestion des mauvaises herbes basée sur des principes d’Ecologie des communautés devrait permettre de savoir comment ne pas favoriser une ou deux espèces particulières mais chercher, au contraire, les conditions propices au développement de communautés équilibrées. Il reste à explorer l’existence d’une relation entre diversité des pratiques culturales et stabilité dans le cas des communautés adventices (Clements et al., 1994 ; Booth &
Swanton, 2002).
In fine, être capable de disséquer l’effet de chaque pratique culturale en terme de règles d’assemblage
des espèces conduira logiquement à une meilleure capacité de prédiction de l’effet des changements de
pratiques sur la flore adventice : passage au non-labour, agriculture à faible intrant (agriculture biologique,
intégrée) ou basée sur l’utilisation de cultures génétiquement modifiées (GM).
Cette thèse vise à répondre à trois questions : (1) les théories développées en Ecologie (des communautés) s’appliquent-elles aux communautés adventices très fluctuantes ? (2) qu’apprend-t-on de l’application de concepts de l’Ecologie sur l’impact relatif du milieu et de l’homme dans le fonctionnement des communautés adventices ? et (3) quelles clefs de compréhension (et donc de prévision) ces modèles nous fournissent-ils en regard des changements de flore observés ?
Pour répondre à ces questions, nous avons besoin i) de données (spatiales) permettant de relier la flore adventice aux conditions écologiques des parcelles cultivées (techniques culturales incluses) et ii) de données permettant d’accéder à la dynamique temporelle des communautés adventices. Différentes échelles géographiques semblent devoir être prises en considération : des échelles les plus larges couvrant des flores de paléoclimats différents aux échelles locales où les plantes adventices peuvent persister depuis une zone refuge qui n’est pas directement couverte par des pratiques agricoles : la bordure.
Le réseau Biovigilance Flore et les autres sources de données
Le réseau Biovigilance Flore
Le réseau Biovigilance Flore (BF) a été mis en place par le Ministère de l’Agriculture à partir de 2002 avec pour objectif de détecter d’éventuels effets non-intentionnels associés aux nouvelles techniques culturales sur la flore et la faune des agrosystèmes (et des milieux directement voisins) (Delos et al., 2006). Près de 1000 parcelles de grandes cultures réparties sur l’ensemble de la France métropolitaine sont suivies annuellement (Figure 3). Sur chacune des parcelles, des relevés exhaustifs de la végétation sont effectués et l’ensemble des pratiques culturales ainsi que quelques données majeures sur le milieu physique (pH et texture du sol) et l’environnement de la parcelle sont recueillies (Tableau 1).
Figure 3. Distribution des 1130 parcelles de grandes cultures échantillonnées entre 2002 et 2004 au sein du réseau
‘Biovigilance Flore’.
Tableau 1. Données floristiques et écologiques disponibles au sein des trois jeux de données collectés.
Réseau Biovigilance Flore
(BF) Réseau ‘Barralis-Chadoeuf’ (BC) Plateforme ‘Fénay’
Couverture temporelle 2002-2004 1968-1976* et 2005-2006** 2005 et 2006
Couverture spatiale France : 860 km (Nord-Sud) x 900 km (Est-Ouest)
Côte-d’Or : 115 km (N-S)
x 88 km (E-O) 5 km x 3 km
Couverture spatiale à l’échelle de la parcelle
(1) Plein champ
(1a) Zone témoin et (1b) Zone traitée (1) Plein champ et (2) Bord de champ**
(1) Plein champ, (2) Bord de champ, (3) interface, (4) bordures
herbacées
Nombre de parcelles 1130 245 * et 162 ** 82
Nombres de relevés 2896 1105 * et 324 ** 328
Culture Précédent cultural
Techniques culturales Date de semis
Travail du sol (outils, profondeur, date) Traitements herbicides (produits, dose, date)
Irrigation
pH Texture
Sol (analyses de sol)
Matière organique
Azote (N) total Carbone (C) total **
Calcaire (CaCO3) total Phosphore (P2O5)
CEC Metson Calcium (Cao) Magnésium (MgO)
Potassium (K2O) Sodium (Na2O) **
Teneur en cailloux * Teneur en gravier * Climat
(moyennes mensuelles sur 30 ans)
Températures min., moy. et max.
Précipitations ETP Environnement Présence de haie, fossé
L’échantillonnage et les données du réseau BF présentent une série d’avantages et de limites. La précision des données agronomiques relevées est sans équivalent sur un nombre aussi important de parcelles (Tableau 1). L’ampleur de la couverture spatiale (gradients Nord-Sud et Est-Ouest d’environ 1000 km) doit a
priori permettre de mettre en évidence des patrons d’organisation généraux au sein des communautés dépassantles particularismes régionaux. A l’inverse, le réseau ne permet pas de quantifier les processus spatiaux opérant à des échelles spatiales fines : dispersion des espèces entre parcelles voisines à l’échelle d’un paysage ou distribution des espèces depuis l’intérieur du champ jusqu’aux bordures des parcelles. Le suivi permanent d’un ensemble de parcelles permet d’accéder à la trajectoire des communautés. Avec trois années de données compilées au début de ce travail de thèse, nous ne disposons cependant pas encore d’un recul suffisant pour utiliser le réseau BF comme son propre référentiel pour analyser les changements temporels de la flore. Afin de combler ces limites et pour être en mesure de couvrir les processus opérant à différentes échelles spatiales et temporelles, nous avons organisé et réalisé la collecte de données complémentaires.
Variations temporelles (1)
D’un point de vue temporel, il n’existe pas en France de données équivalentes à celles du réseau BF avant 2002. Les premiers relevés disponibles pour la végétation des champs cultivés sont ceux réalisés par les phytosociologues à partir des années 1930 (Braun-Blanquet et al., 1936 ; Breton, 1956) et jusque dans les années 1980 (Lacourt, 1977, Le Maignan, 1981). Cependant, la méthodologie de conduite des relevés diffère à plus d’un titre : i) les relevés sont souvent effectués au stade floraison, ii) la position spatiale du relevé est souvent localisée en bordure de parcelle et iii) l’échantillonnage est souvent biaisé en faveur des zones géographiquement riches en espèces rares ou caractéristiques.
Les données floristiques issues des essais pour l’homologation des herbicides présentent plus de similitudes avec celles récoltées par le réseau BF : distribution sur tout le territoire métropolitain, relevés effectués au stade plantule et présence d’une zone témoin. Ces données ont été compilées sur une période couvrant 1973 à 2001. Elles ne sont malheureusement pas disponibles sous forme d’une matrice floristique (relevés x espèces). Seules la fréquence et l’abondance des espèces les plus communes par culture sont données (soit de 25 à 32 espèces selon l’importance de la culture) dans des synthèses nationales effectuées pour la période 1973-1976 pour la plupart des cultures (Barralis, 1977) puis pour les seules céréales d’hiver entre 1986 et 1991 (Orlando et al., 1992). La comparaison de ces données avec celles du réseau BF permet cependant d’évaluer le changement de statut des espèces les plus communes à l’échelle nationale sur une période de 30 ans.
La détection d’un changement de statut des espèces n’est toutefois pas une information suffisamment
générale pour avoir un intérêt scientifique en soi ; cependant à partir de cette information, rechercher pourquoi
certaines espèces sont en déclin et d’autres en extension devient possible (Krebs et al., 1999 ; Warren et al.,
2001). La nature des données disponibles à l’échelle nationale nous oblige à nous focaliser sur les seules
espèces communes : une partie des processus émergeant à l’échelle des communautés ou concernant les
espèces rares peut donc nous échapper (voir le paragraphe suivant). Toutefois, on peut trouver un intérêt à ne
travailler que sur les seules espèces communes comme le montre le Suivi Temporel des Oiseaux Communs (réseau STOC - Julliard et al., 2003) mis en place par le Muséum National d’Histoire Naturelle: i) les espèces communes ont une large répartition géographique constituant ainsi un indicateur biologique couvrant assez uniformément tout un territoire ; ii) pour ces espèces à large répartition spatiale, un changement de statut représente une extinction ou un envahissement de plusieurs centaines ou milliers de parcelles cultivées ce qui reflète un événement ayant eu un impact a priori majeur ; iii) enfin, elles offrent une puissance statistique qui fait défaut dans l’étude des espèces rares.
La comparaison du statut des principales mauvaises herbes ne donne pas accès au processus affectant les propriétés émergentes à l’échelle de la communauté : évolution de la diversité et de la composition spécifique. D’autre part, les parcelles échantillonnées dans les témoins des essais herbicides des années 1970 ou 1980 ne sont pas les mêmes que celles du réseau BF entre 2002 et 2004. Afin d’éliminer les biais potentiellement liés aux différences de distribution géographique des échantillons dans les patrons de changements détectés, nous avons choisi de bâtir un jeu de données floristiques diachroniques basé sur l’échantillonnage des mêmes parcelles à quelques 30 années d’intervalles.
Variations temporelles (2) : le réseau ‘Barralis-Chadoeuf’
De 1968 à 1976, les communautés adventices des cultures annuelles ont été étudiées par G. Barralis et R. Chadoeuf (Laboratoire de Malherbologie - INRA Dijon) sur 245 parcelles régulièrement travaillées et réparties sur l’ensemble du département de la Côte d’Or (réseau BC - Dessaint et al., 2001). Cent soixante deux parcelles, représentant un transect de Beaune à Châtillon-sur-Seine (excluant l’Auxois et le Morvan) ont pu être précisément retrouvées et ont été ré-échantillonnées en 2005 et en 2006 (Figure 4).
Figure 4. Localisation des parcelles échantillonnées en Côte-d’Or en 1968-76 (cercles bleu) et 2005-2006 (cercles plein rouge) au sein du réseau ‘Barralis-Chadoeuf’.
Pour chacune des deux campagnes, une analyse des caractéristiques physico-chimiques du sol et une série de relevés floristiques ont été effectuées selon le même protocole (Barralis, 1976). Les protocoles d’échantillonnages et des relevés floristiques et pédologiques sont détaillés dans la section Matériel et Méthodes des articles VIII, XII, XIII et XV.
Variations spatiales à l’échelle du paysage : la plateforme de Fénay
Dans les réseaux BF et BC, qui couvrent respectivement une échelle biogéographique et une échelle régionale, chaque relevé est séparé d’au moins plusieurs centaines de mètres et plus souvent de plusieurs kilomètres. L’échantillonnage dans ces deux réseaux ne permet donc pas d’étudier plus spécifiquement les patrons d’organisation et les processus opérant à l’échelle d’un paysage. Or, les populations de nombreuses espèces adventices des cultures occupent un espace plus important que la seule parcelle cultivée dans le paysage agricole notamment dans les bords de champs et les habitats rudéraux voisins (Marshall, 1989 ; Wilson
& Aebischer, 1995). Ainsi, les populations adventices au sein des parcelles cultivées peuvent être alimentées par des populations sources extérieures aux parcelles cultivées (talus, haies, bosquets, lisières de bois). Ces processus semblent toutefois relativement limités (Smith et al., 1999), ce phénomène peut être plus ou moins important pour certaines espèces (cf. cas de Stellaria media - Devlaeminck et al., 2005).
Du fait de ces interactions entre populations adventices des bordures et des pleins champs, la compréhension de la dynamique temporelle des communautés adventices au sein des cultures nécessite l’intégration d’une dimension spatiale supérieure au champ cultivé. Ainsi, certaines espèces adventices en danger auraient désormais leur optimum dans les bordures de parcelles (Kleinj & van der Voort, 1997). A cet égard, durant la seconde campagne 2005-2006 de relevés effectués sur le réseau BC, en plus du relevé floristique effectué dans le centre de la parcelle, des relevés ont été réalisés dans le bord de champ (Figure 5) afin de détecter des espèces qui auraient disparues du plein champ (Tableau 1).
Bord de champ (BC)
1 m Plein champ (PC)
> 20 m du bord
Bordure herbacée
(BH)
Interface (IF) Bord de
champ (BC) 1 m Plein champ (PC)
> 20 m du bord
Bordure herbacée
(BH)
Interface (IF)
Figure 5. Différentes zones de la parcelle cultivée ayant fait l’objet de relevés de végétation distinct dans le réseau BC et la plateforme de Fénay.
Figure 6. Distribution des parcelles échantillons à l’échelle du paysage. En jaune les parcelles échantillonnées durant la campagne de 2005 ; en marron, les parcelles échantillonnées durant la campagne de 2006.
A l’échelle d’un paysage agricole, un ensemble de 82 parcelles de grandes cultures contiguës a été
échantillonné sur environ 800 ha réparties sur trois communes proches de Dijon (Fénay, Saulon-la-Rue, Saulon-
la-Chapelle : Figure 6). Dans chaque parcelle agricole échantillonnée, quatre zones présentant a priori une
physionomie végétale différente ont été distinguées depuis la zone centrale de la parcelle jusque dans la bordure
herbacée entourant la parcelle (Figure 5). Cet échantillonnage permet d’analyser la distribution des adventices
entre plein champ et bordures. On peut alors distinguer les mauvaises herbes capables d’utiliser tous les
compartiments du paysage de celles restreintes à un seul compartiment. Une partie de cette dernière étude a été
réalisée par un étudiant (Christophe Girod) que j’ai encadré dans le cadre d’un stage de césure de 6 mois
(SupAgro Montpellier).
Chapitre 1 : Règles d’assemblage des communautés adventices
Article I: Fried G., Norton L.R., Reboud X. Composition and richness of weed species communities do not correlate to the same environmental factors and management practices. En préparation.
Article II : Fried G., Reboud X. 2007. Evolution de la composition des communautés adventices des cultures de colza sous l’influence des systèmes de cultures. Oléagineux, Corps gras, Lipides 14 : 130-138.
Une des questions fondamentales en Ecologie, est de savoir si les communautés sont structurées par des règles générales d’assemblage. Les règles d’assemblage peuvent être définies comme un ensemble de contraintes qui façonnent une communauté à partir d’un pool d’espèces régionales disponibles (Weiher & Keddy, 1999). Diamond (1975) introduit le premier le terme de règles d’assemblage (assembly rules) pour expliquer les patrons de co-occurrence dans la distribution des oiseaux entre les différentes îles d’un archipel. Du fait de certaines combinaisons d’espèces jamais observées (et supposées impossibles), Diamond conclut que la compétition interspécifique était la principale règle d’assemblage dans les communautés d’avifaune. Connor &
Simberloff (1979) ont fait remarquer que les patrons de co-occurrence observés par Diamond pouvaient aussi bien être générés par le seul hasard. Cela a initié une controverse de plus de vingt ans sur l’importance relative du hasard et des contraintes dans la formation des communautés (Weiher & Keddy, 1995). Cette controverse a permis d’améliorer considérablement la manière de tester l’hypothèse nulle : « les communautés sont structurées aléatoirement ». Les preuves s’accumulent aujourd’hui dans différents écosystèmes en faveur de l’existence et de l’importance des contraintes et par conséquent de la répétition des mêmes patrons d’organisation des communautés (Weiher & Keddy, 1995). L’étape suivante est donc de mettre en évidence les mécanismes sous- jacents aboutissant aux patrons observés.
Les contraintes qui empêchent l’établissement d’une espèce dans une communauté (ou qui conduisent à son élimination) sont communément appelées filtres. Différents types de filtres opèrent suivant les conditions et suivant l’échelle. Belyea & Lancaster (1999) ont proposé une terminologie adaptée de Kelt et al. (1995) pour les facteurs déterminant l’assemblage des communautés en trois groupes de contraintes : les filtres de dispersion, les
filtres environnementaux et les filtres correspondant à la dynamique interne à la communauté. Cetteterminologie fait la distinction entre les facteurs externes à la communauté (filtres de dispersion et environnementaux) et les processus internes (compétition interspécifique, facilitation, inhibition) qui vont tous deux déterminer quel sous-ensemble d’espèces formera une communauté dans un site à partir d’un pool d’espèce plus large (Figure 7).
Le pool total d’espèces (total species pool – TSP) disponible dans une région est déterminé par des processus évolutifs et migratoires à l’échelle biogéographique. Un sous-ensemble du TSP est le pool géographique d’espèces (geographical species pool – GSP) qui rassemble les espèces capables de coloniser le site. Le pool stationnel d’espèces (habitat species pool – HSP) est un autre sous-ensemble du TSP qui comprend les espèces capables de s’établir et de se développer dans les conditions environnementales du site.
Le GSP et le HSP comportent tous deux des espèces pouvant potentiellement s’établir dans un site, mais seules
les espèces appartenant simultanément aux deux ensembles seront capables de se maintenir dans le site. Ces espèces forment le pool écologique d’espèces (ecological species pool – ESP). Toutes les espèces capables de survivre dans les conditions abiotiques de l’habitat ne vont pas forcément persister dans la communauté (actual species pool – ASP) du fait d’une dynamique interne entre espèces (compétition, inhibition, etc.).
Pool total d’espèces
(diversitéγ) Contraintes
environnementales
Pool stationel d’espèces
Contraintes de dispersion
Pool géographique
d’espèces Pool écologique
d’espèces
Contraintes de coexistence
Communauté
(diversitéα) TSP
GSP HSP
ASP
Pool total d’espèces
(diversitéγ) Contraintes
environnementales
Pool stationel d’espèces
Contraintes de dispersion
Pool géographique
d’espèces Pool écologique
d’espèces
Contraintes de coexistence
Communauté
(diversitéα) Contraintes de
coexistence
Communauté
(diversitéα) TSP
GSP HSP
ASP
Figure 7. Les différents pools d’espèces et les filtres (=contraintes) correspondants (redessiné d’après Belyea & Lancaster, 1999). La définition de chaque pool est donnée dans le texte.
