Controls over invasion of Bromus tectorum :The importance of climate, soil, disturbance and seed

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Rodriguez Frédéric Master Recherche BIOECO

Exposé sur publication UE41-54, Décembre 2007

« Invasions et transferts biologiques »

Bradford, John B. & Lauenroth, William K. (Journal of Vegetation Science, 2006)

Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines

Introduction

Invasions biologiques Composante majeure des changements globaux

Impacts sur la structure et le fonctionnement des écosystèmes, sur l’économie…

Problèmes généraux liés aux « Plantes » terrestres invasives

Changements dans la composition floristique (végétation autochtone / allochtone)

Baisse de la biodiversité (spécifique, génétique et des écosystèmes)

Modifications des cycles biogéochimiques (carbone, azote, eau, nutriments…)

Modifications de la fréquence des perturbations

Impact sur les méthodes d’usage agraire

Économie (région, pays, continent)

Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines

Modèle biologique étudié

Bromus tectorum (Poaceae)

Annuelle de saison « froide » Origine : Eurasie, introduite en Amérique du Nord fin du 19ème siècle Expansion très rapide : surpâturage, labourage…

Impacts

Composition des communautés autochtones Banque de graines du sol Augmente la fréquence des incendies Modifie la disponibilité de l’eau et des nutriments

Causes du succès de l’invasion

Synchronisme entre sa phénologie et la disponibilité en eau dans le sol au sein des écosystèmes arides et semi-arides et plasticité phénotypique en réponse aux perturbations

Germination automnale

Pluie fin automne/hiver

Développement végétatif

Production de graines fin Printemps

Saison sèche sous forme de graines

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Objectif

Déterminer l’influence du climat et du sol sur la probabilité d’observer des conditions favorables à l’établissement de Bromus tectorum sur les 3 régions steppiques

Simuler la compétition entre plantes natives et Bromus tectorum et les conséquences des perturbations sur la probabilité d’établissement

Steppe à armoise très envahieétat de Washington

Steppe des grandes plaines

Non envahieétat du Colorado

Steppe de PatagonieNon envahie

Argentine

Steppe du ColoradoClimat semi-arideMoy. T°C = 8,8°C311 mm/an (été)Très peu de Bromus tectorum

Steppe à ArtemisiaClimat arideMoy. T°C = 11,9°C173 mm/an (automne/hiver)Zone très envahie

Steppe de PatagonieMoy. T°C = 8,6°C154 mm/an (hiver)

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Méthode utilisée Utilisation de modèles de simulation

SOILWAT Simule les potentialités hydriques du sol (Conditions climatiques, biomasse et caractéristiques édaphiques)

STEPWAT Simule les caractéristiques biologiques des individus (phénologie, compétition, taux de croissance, distribution racinaire…)

Prise en compte de 7 espèces représentants 7 groupes fonctionnels (herbacées annuelles, pérennes, arbustes, flore non ligneuse hors herbacée)

SOILWAT : 9 scénarios sur 1000 ans chacun (quantifie le nombre d’années favorables à l’établissement sur chaque site)

STEPWAT : 50 répliquas sur chaque site sur 100 ans sans Bromus et 400 ans après l’invasionafin de simuler les conséquences de la compétition

Conséquence de la perturbation (élimination d’individus) : examinée tous les 5, 10, 25, 50 et 100 ans sur chaque site avec 5 niveaux de disponibilité de graines

Estimation de la vitesse de l’invasion : l’année où la biomasse du Brome atteint 40g/m²

Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines

Résultats

Steppe du Colorado : Nombre d’années favorables à l’établissement faible (7,5/1000 au printemps, 110/1000 eu automne)Steppe à Artemisia (zone envahie) : 720 années/1000 favorables au printempsSteppe de Patagonie : 564/1000 (printemps) et 510/1000 (automne)

Augmentation du potentiel hydrique du sol en automne, hiver et printemps pour les steppes de Patagonie et du Colorado : favorable à l’implantation

Les conditions climatiques jouent le rôle le plus important par rapport aux propriétés édaphiques

4 paramètres sont importants sur l’établissement estimé :

L’épaisseur de sol (analogue au nombre d’horizons, entre 2 et 4 couches)

le potentiel hydrique minimum du sol nécessaire à l’établissement

le nombre minimum de jours entre la germination et l’établissement (15j)

la température minimale nécessaire à l’établissement (0°C)

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Impact de Bromus tectorum sur la composition des groupes fonctionnels

Colorado

Envahie

Patagonie

Zone sans Bromus tectorumDominance des herbacées pérennes de saison tempérée en mélange avec des herbacées pérennes d’affinité plus froide pour chaque niveau de perturbation

Steppe à armoise colonisée par Bromus tectorum et Patagonie

Augmentation de la biomasse du brome parallèlement à la fréquence des perturbations

En général chute de biomasse des autres groupes sauf pour les herbacées annuelles

Patagonie : milieu favorable à l’établissement du brome

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Effet de la perturbation et de la disponibilité de graines sur l’invasion de Bromus tectorum

Sur 500 ans simulés, aucun scénarios sur la steppe du Colorado n’a prédit une biomasse de Bromus tectorum > 40g/m² (probabilité d’établissement très faible)

Lien biomasse/régime des perturbations

La biomasse la plus importante atteinte par Bromus tectorum correspond au niveau de fréquence des perturbations tous les 10 ans (environ 100 et 130 g/m²)

La biomasse la plus faible pour une fréquence de 2 ans (entre 33 et 40g/m²)

Risque élevé d’invasion pour la steppe à armoise et en Patagonie

Variations de biomasse perturbations (fréquence), la disponibilité de graines a un rôle secondaire (mais nécessaire pour atteindre la valeur seuil 40g/m²)

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Discussion

Lien entre l’établissement simulé du brome et la réalité susceptible d’être observée dans la nature :

Les hypothèses des patrons climatiques et édaphiques peuvent servir de prédicteurs généraux pour les zones potentiellement favorables à Bromus tectorum

Résultats cohérents avec des études antérieures (Cline et. al 1977 & Melgoza et. al 1990)

Régime des perturbations : rôle majeur dans l’influence de l’invasion du brome

Relation entre espèces invasives et perturbations (plus la fréquence des perturbations augmente, plus la biomasse du brome augmente)

Accélère le processus d’expansion

L’accessibilité à l’eau est un facteur limitant en zone aride, Le brome peut envoyer ses racines à 1m de profondeur : augmente sa compétitivité (Harris, 1967 & Hulbert, 1955)

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Conclusion

Finalité de l’étude : Offrir un cadre conceptuel général dans la compréhension des processus d’invasion de Bromus tectorum

Dynamiques spatio-temporelles de l’invasion

Rôle majeur des conditions climatiques

Lien entre perturbations et probabilité d’établissement

Disponibilité de graines, corrélée à la vitesse de l’invasion

Patagonie fortement susceptible d’être envahie dans le futur : Aide pour les décideurs à adopter des législations afin de minimiser le risque d’invasion (le contrôle coûte 350M$ / an aux USA)

Remarques

Limite de l’étude liée à l’utilisation d’un modèle de simulation

Forcément réducteur par rapport à la réalité et à la complexité des processus mis en jeu dans le milieu naturel

Stabilité des paramètres d’entrée du modèle dans 50, 100, 500 ans?

Merci de votre attention