Les Charges Critiques en France

L'Effet de la Pollution Atmosphérique sur les Écosystèmes

Les modèles mécanistes dynamiques et charges critiques « de biodiversité »

En plus des modèles dits de Charges critiques « classiques », d’autres types de modèles existent : « les modèles mécanistes dynamiques ». Ceux-ci se basent sur les processus biogéochimiques et écologiques des écosystèmes pour simuler les charges critiques de biodiversité (Figure 1). Contrairement aux modèles empiriques, qui considèrent un écosystème en « état d’équilibre statique » en déterminant une seule valeur de charge critique moyenne sur la période de temps étudiée, les modèles dynamiques intègrent les changements d’état de l’écosystème dans leurs simulations. Ils prennent pour cela en compte des séries temporelles de données d’entrée, et effectuent leurs calculs ou modélisation à différents pas de temps (mensuels, annuels). Ce volet dynamique permet d’évaluer quelles sont les réductions nécessaires de polluants à entreprendre pour restaurer l’écosystème en deçà de la charge critique, et combien de temps prendra la restauration. Le couplage des modèles biogéochimiques et écologiques dynamiques permettent d’estimer l’évolution d’un indicateur écologique selon différents scénarios futurs de dépôts atmosphériques, comme par ex. un indice de biodiversité ou de qualité de l’habitat (HSi). Dans un objectif de protection on peut aussi chercher quelle est la quantité de polluant maximale à ne pas dépasser avant de perdre un certain pourcentage de biodiversité ou de modifier la composition de la couverture végétale, avec par exemple une limite critique de 5% de changement de composition par rapport au contrôle.

Schéma du principe de couplage de modèles biogéochimie-écologie pour évaluer les charges critiques de biodiversité
Figure 1. Schéma conceptuel du couplage de modèles biogéochimiques et écologiques. Le principe de base des charges critiques de biodiversité est de prendre en compte les effets des dépôts atmosphériques en soufre et en azote à la fois sur la végétation, mais aussi sur le compartiment sol, dont dépend la végétation, au cours du temps. Ceci est rendu possible par le couplage de modèles dynamiques biogéochimiques, qui simulent les processus biogéochimiques du sol au cours du temps, avec des modèles dynamiques de végétation simulant la composition de la communauté végétale en lien avec les résultats des modèles biogéochimiques et les dépôts atmosphériques.

Cependant, « mesurer » la biodiversité ou déterminer la « quantité » que l’on veut pouvoir préserver n’est pas simple. Plusieurs indicateurs peuvent être utilisés, des indices de similarité de composition comme les indices de Czekanowski et Sörensen (Bray and Curtis, 1957), des indices de diversité comme l’indice de Simpson ou Shannon (Shannon and Weaver, 1949), ainsi que l’indice commun aux Points Focaux Nationaux (PFNx), l’indice de qualité de l’habitat (HSI, Posch et al., 2015). Ainsi les modèles de végétation couplés aux modèles biogéochimiques doivent être capables de calculer un ou plusieurs de ces indices pour permettre une évaluation de charges critiques de biodiversité.

Le Point Focal National (PFN) français utilise différents modèles biogéochimiques et de végétation pour estimer les charges critiques, notamment les modèles biogéochimiques ForSAFE et VSD+, et les modèles de végétation VEG et PROPS. Un autre modèle de végétation (EcoPlant) est en cours de développement par le PFN et ses partenaires.

[su_spoiler title= »En savoir plus sur les modèles couplés ForSAFE et VEG… » open= »no » style= »default » icon= »plus » anchor= » » class= » »]

Le PFN français utilise principalement le modèle biogéochimique ForSAFE (Sverdrup et al., 2005). C’est un modèle représentant les processus de façon mécaniste, simulant les cycles de l’azote et du carbone avec des scénarios de croissance des peuplements forestiers gérés (Figure 2). Les scénarios de changement climatique et de dépôts atmosphériques peuvent y être intégrés.

ForSAFE simule l’évolution des paramètres biogéochimiques du sol en fonction des dépôts atmosphériques appliqués, du climat et de la gestion forestière. Couplés à un modèle de végétation, les paramètres de sol simulés par ForSAFE sont utilisés en données d’entrée pour simuler l’évolution de la végétation (composition, croissance) en réponse aux modifications de conditions environnementales (dépôts, climat). Les résultats de ces simulations du point de vue de la végétation permettent le calcul des charges critiques de biodiversité.

Le modèle VEG, permet de simuler les changements dans la composition floristique herbacée d’un site en fonction de changements globaux, et donc de calculer des valeurs de charges critiques azotées (Belyazid et al., 2011 ; Sverdrup and Belyazid 2015). Ce modèle a besoin de différents types de données d’entrée relevant des conditions écologiques du site, des caractéristiques chimiques du sol (issues des modèles biogéochimiques), ainsi que des traits écologiques définissant la niche écologique des espèces (Figure 2). Les paramètres définissant la niche écologique de 415 espèces communes en Europe ont été regroupés dans une table et validés par des experts. Le PFN français a fortement contribué à la construction de cette table (Bortoluzzi et al., 2010a; 2010b) au cours de plusieurs projets successifs avec la participation d’écologues français et suédois, ainsi que des modélisateurs suédois (Gaudio et al., 2013 ; Probst et al., 2015).

Grâce à ces données, le modèle simule l’abondance relative de chaque espèce en incluant notamment les effets de la compétition interspécifique, et montre l’évolution de ces abondances sous l’influence des changements climatiques et des dépôts atmosphériques azotés. Si l’on fournit au modèle des données climatiques issues de scénarios futurs du GIEC, il est alors possible, en les combinant avec des scénarios de dépôts atmosphériques, de faire des prédictions de changement de la composition végétale des sites. Analyser l’évolution de la composition spécifique des sites permet d’estimer leurs charges critiques d’azote basées sur des changements de biodiversité futurs, et de les confronter aux objectifs des politiques de réductions des émissions, estimant si elles sont suffisantes ou non.

Figure 2. Organisation du couplage du modèle dynamique biogéochimique ForSAFE avec le modèle de végétation VEG (Belyazid et al., 2011 ; Sverdrup and Belyazid 2015).
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En utilisant la chaine de modélisation modèle ForSAFE-VEG, Rizzetto et al. en 2016 ont publié des résultats de modélisation dynamique de l’évolution de la diversité végétale selon de différents scénarios de changements climatiques et de dépôts atmosphériques sur quelques sites forestiers français. Pour le site dominé par le chêne sessile, l’augmentation de la température et l’apport d’azote engendrent une perte de biodiversité, qui ne serait pas restaurée même sans changement climatique et avec une diminution maximale des émissions d’azote.

[su_spoiler title= »En savoir plus sur cette étude… » open= »no » style= »default » icon= »plus » anchor= » » class= » »]

Ci-dessous vous pouvez observer un exemple de modélisation réalisée avec la combinaison de modèle ForSAFE-VEG issu de la publication de Rizzetto el al (2016), pour le site du réseau RENECOFOR CHS41 qui est dominé par le chêne sessile. Deux scénarios climatiques ont été utilisés, celui sans changement « NoCC » et celui avec une augmentation de température qui se poursuit « A2 ». Deux scénarios d’émissions de soufre et d’azote ont été appliqués, le « CLE » (pour Current Legislation soit avec une évolution des émissions conformes aux lois en vigueur actuellement), et le « MFR » (pour Maximum Feasible Reduction qui suppose une diminution maximale des émissions). La combinaison entre scénarios climatiques (2) et d’émissions (2) amène à 4 modélisations différentes, en plus de celle appelée « BKG » pour « background » (où l’on ne modifie ni climat ni émission). La figure ci-dessous (Figure 3) montre la similitude de la composition floristique de chaque simulation par rapport à celle où ni le climat ni les dépôts ne varient (BKG). Cette similarité est égale à 1 lorsque les compositions sont identiques, et à 0 si elles sont totalement différentes.

Figure 3. Évolution de la composition végétale du sous-bois du site CHS41 à l’horizon 2100 en fonction de deux scénarios climatiques (NoCC : sans changement et A2 : avec changement de +4,5°C) et de deux scénarios d’émissions (CLE : poursuivant selon les lois actuelles et MFR : avec diminution maximale réalisable) ; la simulation sans aucun changement est dénommée BKG (Rizzetto et al., 2016).

Pour ce site CHS41, on peut voir que la composition végétale du site est différente de celle du site sans changement (BKG) pour tous les scénarios testés. Les variations de composition végétale sont déjà présentes pour les simulations sans changement climatique, mais avec variations des émissions de soufre et d’azote (CLE_NoCC et MFR_NoCC en noir et bleu). La perte de diversité est moins importante pour le scénario où on limite au maximum les émissions (MFR_NoCC en bleu). Les variations de composition végétale sont plus importantes lorsqu’on rajoute les changements climatiques à la simulation (CLE_A2 et MFR_A2 en rouge et orange).

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Le PFN utilise également le modèle biogéochimique VSD+ couplé au modèle de végétation PROPS pour calculer les charges critiques de biodiversité de soufre et d’azote. Les dernières données transmises à l’appel du CCE en 2017 montrent que ces charges critiques sont faibles dans les Landes, en Sologne et dans le Massif Central, tout comme les charges critiques « classiques » issues des paramètres du sol (Figure 4). Le sol et la biodiversité des écosystèmes de ces zones sont donc très sensibles aux dépôts de soufre et d’azote.

[su_spoiler title= »En savoir plus sur les modèles couplés VSD+ et PROPS… » open= »no » style= »default » icon= »plus » anchor= » » class= » »]Le modèle biogéochimique VSD+ est une extension plus complexe du modèle VSD (Posch and Reinds, 2009) qui a été développé en premier lieu pour simuler les processus d’acidification dans les sols. Les extensions proposées par VSD+ concernent l’inclusion des cycles du carbone (C) et de l’azote (N) (Bonten et al., 2009 ; 2011) afin qu’il soit plus adapté aux études sur le changement climatique (séquestration de C) et la biodiversité. Cependant, VSD+ reste un modèle simple conçu pour une utilisation à une échelle (large) échelle régionale (Européenne). Par conséquent, certains processus (e.g. sorption des sulphates et complexation de l’aluminium) ont été ignorés, et les besoins en données d’entrée ont été maintenus au minimum.
Le modèle PROPS (Reinds et al., 2014 ; Posch, 2016) est un des modèles de végétation utilisés par le PFN, et communément utilisé par les PFNs européens pour comparer les valeurs de charges critiques de biodiversité obtenues entre les différents pays. Il permet d’estimer la probabilité de présence des espèces végétales en fonction des conditions environnementales. Le modèle PROPS est calibré sur un jeu de données de présence-absence, qu’il retranscrit après simulation en une probabilité continue de présence (toujours bornée entre 0 et 1). Deux bases de données constituent le jeu de données de calibration. La première base de données regroupe les informations d’occurrence des espèces de plus de 16 000 relevés avec les mesures de paramètres de sol associées, principalement localisés aux Pays-Bas, en Autriche, au Danemark, au Royaume-Uni et en Irlande. La deuxième base est issue du projet EU BioScore (Hendriks et al., 2016), disposant de données de présence-absence sur environ 800 000 relevés en Europe, mais sans mesures de paramètres de sol associées. Les probabilités de présence des espèces calculées avec le modèle PROPS permettent de définir des charges critiques de biodiversité au travers des indices de qualités de l’habitat (HSI), par exemple.
Le couplage de modèle VSD+-PROPS est communément utilisé par les Points Focaux Nationaux pour répondre à l’appel à données du Centre de Coordination pour les effets (CCE), afin de standardiser les calculs pour des comparaisons inter-pays. Vous pouvez voir ci-dessus les cartes de charges critiques de biodiversité pour le soufre et l’azote calculées à partir du HSI issu des simulations PROPS (Figure 4, et section « Cartographie »).[/su_spoiler]
Cartes des charges critiques de biodiversité des écosystèmes forestiers français
Figure 4. Carte des charges critiques de biodiversité en soufre et en azote pour les écosystèmes forestiers français modélisées par le modèle VSD+-PROPS (Probst et al., 2017). Plus la charge critique est faible (couleurs orange et rouge), plus l’écosystème est sensible aux dépôts de soufre et d’azote.

Bien que le modèle de végétation PROPS soit calibré sur un nombre très important de relevés en Europe, ceux-ci sont principalement caractéristiques des écosystèmes du nord de l’Europe, certaines espèces peuvent ainsi être mal calibrées et l’intégralité des caractéristiques des écosystèmes que l’on peut trouver en France n’est pas représentée, notamment en zone méditerranéenne. Les espèces du sud de la France sont donc mal décrites ou bien absentes de la base de donnée du modèle. Le PFN français a donc cherché une autre base de données écologique sur laquelle se baser pour obtenir un modèle de végétation plus adapté à la réponse des écosystèmes forestiers français aux dépôts d’azote et. Après une étude de faisabilité (Probst et al., 2012), le PFN a identifié la base de données EcoPlant comme potentielle candidate, car elle présente l’intérêt de combiner relevés de végétation et de certains paramètres du sol (Gégout et al., 2005). Actuellement, le PFN développe un modèle de végétation à partir de cette base de données, pouvant être couplé avec le modèle biogéochimique ForSAFE (Rizzetto, 2017), dans l’objectif de pouvoir mieux estimer les charges critiques de biodiversité sur les écosystèmes français.

[su_spoiler title= »En savoir plus sur la base de données EcoPlant… » open= »no » style= »default » icon= »plus » anchor= » » class= » »]EcoPlant est une base de données phytoécologiques constituée par l’ENGREF de Nancy dans le but d’étudier la distribution des espèces en fonction de facteurs climatiques et édaphiques. Pour plus de 11 000 sites issus de 181 études (Figure 5), la base fournit une description compète de l’écosystème ainsi que le relevé floristique (Gégout, 2001 ; Gégout et al., 2005), proposant ainsi une alternative aux bases de données plus larges utilisées par les modèles précédents. Les abondances des espèces sont relevées selon l’échelle de Braun-Blanquet. Elle a été enrichie pour les stations du pourtour méditerranéen dans le cadre du projet VALERIANE « Vulnérabilité des écosystèmes à l’azote d’origine atmosphérique- Vers un modèle de Charges Critiques en N intégrant la protection de La biodiversité Végétale du territoire français » (Probst et al., 2012).
Figure 5. Sites forestiers disponibles dans la base de données EcoPlant (Gégout, 2001 ; Gégout et al., 2005).
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Références

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