Controls over invasion of Bromus tectorum : The importance of climate, soil, disturbance and seed availability Bradford, John B. & Lauenroth, William K. (Journal of Vegetation Science, 2006) Exposé sur publication UE41-54, Décembre 2007 « Invasions et transferts biologiques » Rodriguez Frédéric Master Recherche BIOECO

Invasions biologiques Composante majeure des changements globaux 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)

Bromus tectorum (Poaceae) 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) 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 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

Steppe à armoise très envahie Steppe des grandes plaines Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines 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 envahie état de Washington Steppe des grandes plaines Non envahie état du Colorado Steppe de Patagonie Argentine Steppe du Colorado Climat semi-aride Moy. T°C = 8,8°C 311 mm/an (été) Très peu de Bromus tectorum Steppe à Artemisia Climat aride Moy. T°C = 11,9°C 173 mm/an (automne/hiver) Zone très envahie Moy. T°C = 8,6°C 154 mm/an (hiver)

Méthode utilisée Utilisation de modèles de simulation Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines 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’invasion afin 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 printemps Steppe 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)

Impact de Bromus tectorum sur la composition des groupes fonctionnels Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines Impact de Bromus tectorum sur la composition des groupes fonctionnels Colorado Zone sans Bromus tectorum Dominance des herbacées pérennes de saison tempérée en mélange avec des herbacées pérennes d’affinité plus froide pour chaque niveau de perturbation Envahie 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 Patagonie : milieu favorable à l’établissement du brome

Lien biomasse/régime des perturbations Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines 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) Risque élevé d’invasion pour la steppe à armoise et en Patagonie 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) Variations de biomasse perturbations (fréquence), la disponibilité de graines a un rôle secondaire (mais nécessaire pour atteindre la valeur seuil 40g/m²)

Accélère le processus d’expansion Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines 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)

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

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