changements globaux récents Impacts des changements globaux récents sur les écosystèmes Nicolas Delpierre Ecophysiologie végétale, L.E.S.E. Université Paris Sud nicolas.delpierre@u-psud.fr Bât. 362 RdC, bureau 21 26 septembre 2013

Inventaire des changements globaux récents (1) changement climatique Par comparaison à la moyenne 1961-1990 T globale +0.5°C Niveau des océans +60 mm Couverture neigeuse HN -2 Mkm² Sur la période 1906-2005 T globale +0.76°C Définition IPCC : l’Organisation météorologique mondiale (OMM) et le Programme des Nations Unies pour l’environnement (PNUE) ont créé, en 1988, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC). Le GIEC est un organe intergouvernemental qui est ouvert à tous les pays membres de l’ONU et de l’OMM. AR5 prévu pour 2014. Onze des douze années 1995–2006 figurent au palmarès des douze années les plus chaudes depuis qu’on dispose d’enregistrements de la température de surface (depuis 1850). IPCC 2007 (AR4), www. ipcc.ch

nouvelobs.com 20/09/2012 Whadams et al. 2012, AMBIO

Inventaire des changements globaux récents (1) changement climatique Tendance 1901-2005 Tendance 1979-2005 Le réchauffement des températures de surface est un phénomène global IPCC 2007 (AR4, Chap. 3)

Inventaire des changements globaux récents (1) changement climatique Tendance 1901-2005 Les quantités de précipitations sont affectées différemment selon les régions Pas de tendance à l’échelle globale sur la période 1900-2005 Tendance 1979-2005 IPCC 2007 (AR4, Chap. 3)

Inventaire des changements globaux récents (2) composition atmosphérique CO2 CO2 CH4 N2O +45% +130% +15% Accroissements calculés par rapport à la valeur an 1800 Produit de combustion (pétrole, gaz, charbon, MO) Produit de fermentation anaérobie (décharges, bétail) Produit de combustion et de dégradation d’engrais (dé/nitrification) Pots catalytiques

Implication de l’activité anthropique dans le changement climatique Comparaison des potentiels de réchauffement des principaux GEDS: CO2=1 H2O=8 CH4=23 N2O=310 COTRA= condensation trails aloft (traînée de vapeur dans le sillage des avions)

L’effet de serre: mécanisme

L’effet de serre: mécanisme

L’effet de serre: mécanisme

Changements globaux d’origine anthropique: projections pour le XXIème siècle IPCC 2007 (AR4)

d’origine anthropique Changements globaux d’origine anthropique Au cours des 150 dernières années, l’utilisation intensive de combustibles fossiles et les modifications d’utilisation des terres ont entraîné un accroissement des températures (échelle globale) et une altération des précipitations (échelle régionale), ainsi que de la composition atmosphérique. Ces modifications ont cours à une vitesse sans précédent dans l’histoire récente du globe. Ces modifications affectent les conditions d’existence des organismes vivants. Ces modifications continueront selon toute probabilité au 21ème siècle

Notions d’écologie

De l’individu à l’écosystème (1) Population Communauté Densité, sex ratio, classes d’âge, natalité, mortalité, immigration, émigration, … Ensemble de populations en un lieu et une période temporelle donnés Taille, poids, longévité…

De l’individu à l’écosystème (1) Population Communauté Densité, sex ratio, classes d’âge, natalité, mortalité, immigration, émigration, … Ensemble de populations en un lieu et une période temporelle donnés Taille, poids, longévité…

De l’individu à l’écosystème (1) Population Communauté Densité, sex ratio, classes d’âge, natalité, mortalité, immigration, émigration, … Ensemble de populations en un lieu et une période temporelle donnés Taille, poids, longévité…

De l’individu à l’écosystème (2) Un écosystème est l’ensemble formé en un lieu et une période donnés, par la communauté des organismes vivants et les composantes physico-chimiques de l’environnement. Une des caractéristiques majeures de l’écosystème est l’existence de flux de matière et d’énergie entre ses composantes. Les échanges de matière et d’énergie entre les composantes de l’écosystème sont plus importants entre elles qu’entre les composantes et l’extérieur.

De l’individu à l’écosystème (3) Producteurs primaires Plantes et org. photosynthétiques Producteurs secondaires animaux Décomposeurs bactéries et champignons

Fonctionnement d’un écosystème: exemple de l’écosystème forestier Respiration écosystémique CO2 Photosynthèse 6 CO2+6 H2O  C6H12O6 + 6 O2 Respiration canopée et troncs Respiration racinaire Activité microbienne NPO : flux annexes non mesurés = DOC perdus par drainage et VOCs, mesurables, mais de faible magnitude. Ce ne sont pas des flux de CO2, mais contribuent néanmoins qu bilan de C de l’écosystème. Rappeler dans le même temps la défniition de PPN et PNB.

Notions de résistance et résilience capacité à conserver son état en dépit des perturbations Résilience capacité à retrouver son état antérieur suite à des perturbations

Impact des changements globaux sur les écosystèmes

Au-delà des cas emblématiques… Ajouter illustration collection / chasse trophée. Permet introduire la distinction entre impact CG (abordés dans la suite) et impact anthropique direct (non abordé)

Climats et biotopes mondiaux (1) Rq: ^la France n’a pas le même climat quela côte est des USA à la même latitude. Responsable? Gulf stream; Flux océaniques ouest-est en hémisphère nord

Climats et biotopes mondiaux (2)

Impact de la hausse des températures sur le volume des glaciers http://nsidc.org/data/sage/

Impact de la hausse des températures sur le volume des glaciers Juillet 2012 : record de rapidité de fonte de glace sur l’inlandsis groenlandais. 97% de la surface a présenté des signes de fonte (superficielle). Du 8 au 12 juillet 2012, la surface présentant des signes de fonte est passée de 40% à 97%

Impact de la hausse des températures sur le permafrost (1) Distinction permafrost (sol gelé en permanence) / inlandsis (surface glacée non occupée par du sol, exclusivement minérale)  à vérifier Schuur et al. 2008

Impact de la hausse des températures sur le permafrost (2) “Permafrost, defined as subsurface earth materials remaining below 0°C for two consecutive years“ Schuur et al. 2008

Impact de la hausse des températures sur le permafrost (3) Beer, 2008 Nature Geoscience Rétroaction positive: la fonte du permafrost promeut le réchauffement

Vers une désertification des zones tropicales ? Tendance Precip-Evap sur la période 2000-2100 Lu et al. 2007 GRL

Les changements globaux induisent une modification des biotopes à la surface de la terre. Ces modifications se traduisent par une extension des zones libres de glace vers les pôles, et une extension des zones désertiques aux latitudes tropicales On observe des rétroactions positives sur la température globale (réduction des permafrosts)

Influence des températures sur la physiologie des organismes Endotherms regulate their temperature by the production of heat within their own bodies. Ectotherms rely on external sources of heat Nespolo et al. 2011 TREE Begon , Harper & Townsend, 1996

Influence des températures sur la physiologie des organismes Du fonctionnement enzymatique… Temperature (°C) Enzyme relative activity Dreyer et al., 2001 Frazier et al., 2006

Influence des températures sur la physiologie des organismes Du fonctionnement enzymatique… … à l’accroissement de la population Temperature (°C) Enzyme relative activity Dreyer et al., 2001 Frazier et al., 2006

Impact sur la structure des populations: exemple du sex-ratio Sex ratio = nb males / nb females Girondot et al. 1999

Influence des températures et de la disponibilité en eau sur les écosystèmes Les températures (moyenne et variations au cours du jour / de la saison) influent sur: La physiologie des organismes (métabolisme) Le cycle de vie des organismes (phénologie) La structure de la population (certains amphibiens et reptiles) La disponibilité en eau influe sur la présence et l’activité des producteurs primaires et la possibilité de maintien d’un réseau trophique

Influence des températures et de la disponibilité en eau sur les écosystèmes Le développement et la survie des communautés de plantes et d’animaux requièrent un ensemble de conditions physico-chimiques particulières définissant la niche écologique de ces organismes température

Influence des températures et de la disponibilité en eau sur les écosystèmes Le développement et la survie des communautés de plantes et d’animaux requièrent un ensemble de conditions physico-chimiques particulières définissant la niche écologique de ces organismes humidité température

Influence des températures et de la disponibilité en eau sur les écosystèmes Le développement et la survie des communautés de plantes et d’animaux requièrent un ensemble de conditions physico-chimiques particulières définissant la niche écologique de ces organismes humidité humidité Probabilité de présence température température

Influence des températures et de la disponibilité en eau sur les écosystèmes Le développement et la survie des communautés de plantes et d’animaux requièrent un ensemble de conditions physico-chimiques particulières définissant la niche écologique de ces organismes Les modifications des conditions environnementales induisent ainsi : des migrations (déplacement de niche dans l’espace) des modifications des cycles de vie (déplacement de niche dans le temps)

Migration d’espèces de poissons Données 1968-2001 Perry et al., 2005 Science

Migration d’espèces de poissons Projection tendance 2005-2050 espèces de fond Pereira al., 2011 Science espèces pélagiques

Modification des aires de répartition exemple du Hêtre Actuel Prédiction 2055 Cheaib et al., 2012 EL

Modification des aires de répartition exemple de la flore forestière de plaine et de montagne Lenoir et al. 2008 Science

Impact sur l’histoire de vie des organismes châtaigner Gobe-mouche noir Walther et al. 2002 Nature

FR-Fontainebleau Quercus petraea January-May Tair= +5.5°C Photo: Jean-Yes Pontailler April 20, 2006 January-May Tair= +5.5°C

FR-Fontainebleau Quercus petraea January-May Tair= +9.0°C Photo: Jean-Yes Pontailler April 18, 2007 January-May Tair= +9.0°C

Impact sur l’histoire de vie des organismes synchronie prédateur-proie Date du pic de biomasse de chenilles Visser et al. 2006 Oecologia

Impact sur l’histoire de vie des organismes synchronie prédateur-proie Date du pic de biomasse de chenilles en fonction de la température Visser et al. 2006 Oecologia

Impact sur l’histoire de vie des organismes synchronie prédateur-proie Dates du pic de biomasse de chenilles et de la ponte des mésanges en fonction de la température Visser et al. 2006 Oecologia

Impact sur l’histoire de vie des organismes synchronie prédateur-proie ? ? Dates du pic de biomasse de chenilles et de la ponte des mésanges en fonction de la température Visser et al. 2006 Oecologia

Impact sur l’histoire de vie des organismes synchronie prédateur-proie Visser et al. 2006 Oecologia

Une réponse des organismes aux changements globaux : l’acclimatation La niche écologique des organismes vivants est souvent plastique. On parle d’acclimatation pour qualifier l’aptitude des organismes à modifier leur niche écologique humidité Probabilité de présence température

Une réponse des organismes aux changements globaux : l’acclimatation La niche écologique des organismes vivants est souvent plastique. On parle d’acclimatation pour qualifier l’aptitude des organismes à modifier leur niche écologique humidité Probabilité de présence température

Une réponse des organismes aux changements globaux : l’acclimatation La niche écologique des organismes vivants est souvent plastique. On parle d’acclimatation pour qualifier l’aptitude des organismes à modifier leur niche écologique humidité Probabilité de présence température

Une réponse des organismes aux changements globaux : l’acclimatation La niche écologique des organismes vivants est souvent plastique. On parle d’acclimatation pour qualifier l’aptitude des organismes à modifier leur niche écologique Probabilité de présence humidité température

Adaptation des organismes au CC: l’acclimatation Acclimatation à la température Wang & Overgaard, 2007 Science Pörtner and Kunst, 2007 Science

Adaptation des organismes au CC: l’acclimatation à la teneur en CO2 Liozon et al., 2000

Impacts sur le fonctionnement des écosystèmes: exemple du cycle global du C Stocks : Gt C Flux : Gt C/an Atmosphère 750 +7.5 +90 -118 +60 +58 -2.5 -90 +1.5 -2.2 Combustibles Fossiles 6000 ? Végétation 650 Surface 1000 Océans Zones profondes 38000 Stocks et Flux en absence de perturbations anthropiques => équilibre Sol représente le pool majeur des écosystèmes continentaux Forêts représentent ~50% stock C écosystèmes continentaux (contiennent 80% du C aérien et 35% du C souterrain continental). 0.8*640/(1500+640)+0.4*1500/(1500+640)=0.52 Océans jouent un rôle de première importance. Facteurs phy, et non bio, en contrôlent le bilan carboné. Sont donc moins étudiés, car ne peuvent être associés à un politique de gestion visant à limiter augmentation de CO2 atm. 1 GtC ~ 0.47 µmol/mol Prod primaire nette continents ~350 gC/m²/an (150 M km²) PPN océans ~ 70 gC/m²/an (350 M km²) La moindre PPN des océans tient principalement à la moindre dispo nutriments en surface: la photo a lieu en zone photique et le recyclage sur toute la profondeur des océans, ce qui limite l’accès des org de la zone photique aux nutriments. L’accroissement de la teneur en cO2 atm par combustion de C fossile revient à injecter dans un cycle rapide du C normalement inclus dans cycle à échelle tps géologique. Loi de Henry gouverne la fixation de CO2 par les océans : x=p/H où x=fraction molaire de gaz en phase liquide; p=pression partielle de gaz atmosphérique; H=facteur de Henry, augmentant avec la température. Donc si T de l’eau augmente, on réduit x, qui est par contre forcée par l’accroissement de p. Influence anthropique : 7.5+1.5-2.5-2.2 = + 4.3 GtC/an (bilan net atmosphérique). Source Le Quéré et al., 2009 Nature. Flux moyens 2000-2007 Sols 3200 Sédiments 50 000 000 ? Robert et Saugier, 2005 Le Quéré et al., 2009

±? ±? Quel le force de puits à l’avenir ? Impacts sur le fonctionnement des écosystèmes: exemple du cycle global du C Stocks : Gt C Flux : Gt C/an Atmosphère 750 +7.5 ↑↑ +90 -118 +60 +58 ±? ±? -90 +1.5 ↑↑ Combustibles Fossiles 6000 ? Végétation 650 Surface 1000 Océans Zones profondes 38000 Quel le force de puits à l’avenir ? Stocks et Flux en absence de perturbations anthropiques => équilibre Sol représente le pool majeur des écosystèmes continentaux Forêts représentent ~50% stock C écosystèmes continentaux (contiennent 80% du C aérien et 35% du C souterrain continental). 0.8*640/(1500+640)+0.4*1500/(1500+640)=0.52 Océans jouent un rôle de première importance. Facteurs phy, et non bio, en contrôlent le bilan carboné. Sont donc moins étudiés, car ne peuvent être associés à un politique de gestion visant à limiter augmentation de CO2 atm. 1 GtC ~ 0.47 µmol/mol Prod primaire nette continents ~350 gC/m²/an (150 M km²) PPN océans ~ 70 gC/m²/an (350 M km²) La moindre PPN des océans tient principalement à la moindre dispo nutriments en surface: la photo a lieu en zone photique et le recyclage sur toute la profondeur des océans, ce qui limite l’accès des org de la zone photique aux nutriments. L’accroissement de la teneur en cO2 atm par combustion de C fossile revient à injecter dans un cycle rapide du C normalement inclus dans cycle à échelle tps géologique. Loi de Henry gouverne la fixation de CO2 par les océans : x=p/H où x=fraction molaire de gaz en phase liquide; p=pression partielle de gaz atmosphérique; H=facteur de Henry, augmentant avec la température. Donc si T de l’eau augmente, on réduit x, qui est par contre forcée par l’accroissement de p. Influence anthropique : 7.5+1.5-2.5-2.2 = + 4.3 GtC/an (bilan net atmosphérique). Source Le Quéré et al., 2009 Nature. Flux moyens 2000-2007 Sols 3200 Sédiments 50 000 000 ? Robert et Saugier, 2005 Le Quéré et al., 2009

Une réponse des organismes aux changements globaux : l’acclimatation La niche écologique des organismes vivants est souvent plastique. On parle d’acclimatation pour qualifier l’aptitude des organismes à modifier leur niche écologique L’acclimatation est restreinte à de faibles variations environnementales. Des modifications trop importantes / trop rapides des conditions environnementales ne permettent pas aux organismes de s’acclimater et entraînent leur disparition.

Scenarios for global biodiversity in the 21st century Rate of extinction per million species per year Pereira et al., 2011 Science

Causes of the current loss of biodiversity

L’humanité au sein de l’écosystème global: les services écosystémiques MAR, 2005; FAO, 2005

Nature, 1997

L’humanité au sein de l’écosystème global: les services écosystémiques The Stern report estimates the cost of a changed climate could be from 5 percent to 20 percent of global GDP [62 000 milliards USD in 2010]. Costs include those related to losses from declining agricultural production, heat-waves, droughts, flooding events, extreme precipitation, biodiversity loss, disease spread, and soil erosion. Conversely, the study estimates that a stabilization at 500-550 ppm will cost the global community roughly 1 percent of GDP by 2050

A retenir Changements globaux anthropiques = CC + modif. compo. atmosphérique + LUC Hausse T globale, modifications régionales des précipitations Vitesse CG sans précédent dans l’histoire de l’humanité Impact sur les écosystèmes : Modification des biotopes (latitudes polaires, tropiques) Induit migrations, modifications de la phénologie Modifie structures des communautés Réponse des organismes aux CG: Acclimatation Disparition Vulnérabilité des écosystèmes et services écosystémiques réclame action immédiate, de grande ampleur

Plan Changement climatique anthropique : définition (GEDS, températures, modif rayonnement, humidité, ennuagement, précip) Modifications importante, court terme (résilience / résistance) Écosystème: définition et exemples. Changement d’échelle. Notion de communautés Notion de Fonctionnement d’un écosystème Impact modifications anthropiques sur écosystèmes: - Impacts visibles à grande échelle: modifications des surfaces de glaciers continentaux, modifications des étendues désertiques, réduction des permafrosts Impact sur composition spécifique/communautés. Exemple déplacement des aires de répartition, espèces invasives =< modification des équilibres compétitifs, modification de sex ratio (=modif à l’échelle individuelle) cas des reptiles, modification fonctionnemtn plante: exemple de la photosynthèse accrue sous fort CO2 Impact sur le fonctionnement écosystémique: exemple de modifications induites sur les cycles élémentaires : le bilan de C Acclimatation / modification du fonctionnement en réponse au CC (course de la reine rouge revisitée, et capacité d’adaptation limitée + contraintes imposées par la dynamique rapide des CC)