Modélisation du fonctionnement hydrologique du sol et de la biodiversité des communautés végétales. Application à l'analyse de la performance écologique d'un aménagement paysager autoroutier

Co-encadrement de thèse Damien Marage, Jean-Marc Gilliot

English. Human activities are responsible for high modifications in ecosystems functioning. It is recognized that these impacts cause definitive and high losses rate of biodiversity in every components of wildlife. Due to regulation, construction companies are bound to evaluate environmental impacts of the infrastructure construction projects (eg: roads), and more particularly, impacts on biodiversity. Companies are also bound to propose measures to avoid, reduce or mitigate residuals impacts by the creation or restoration planning of biodiversity. Unfortunately, there are not existing tools and methods clearly defined by regulation for such plans. Most of the time, predictions and environmental evaluations fail in measuring the impacts on biodiversity and efficiency of conservation planning. The research program that we conducted aimed at (i) proposing a new methodological approach in order to characterise processes and abiotic parameters which impact biodiversity of plant communities, (ii) analysing conservatory plans efficiency and (iii) proposing measures for biodiversity valuation in our study case. Our study was realised in a landscaping project zone along the A19 highway, Loiret, France. Seedling and planting were done two years before our study began. Only hydrological processes were studied based on mechanistic modelling using Hydrus-1D software. Spatiotemporal variations of the soil volumetric water content, soil matric potential and plant water stress index were measured. In the same plots, spatial and interannual variabilities of the quantitative and qualitative plant diversity were evaluated by specific richness, evenness, β-diversity measurements and by analyzing the species origin, biological forms, adaptative strategies, ecological requirements, and diagnostic species of communities for two years (2010 and 2011). Spatial distribution of each plant community was modelled using a generalized linear model strategy with abiotic parameters produced by soil physical and chemical analytical properties and results from Hydrus 1D hydrological modelling. We compared results of our biodiversity analysis with the constructor’s site objectives at the species and community levels. Our results showed a uniform hydrological functioning in the whole site due to poorly contrasted soil properties. Water transfer in soil was essentially vertical. Soil humidity fastly increased when heavy rainfalls were registered and fastly decreased under drought conditions. Saturated conditions in the whole study site have never been observed in winter nor summer. Water stress index was high and persistence throughout the vegetation period. It increased fastly during the growing season up to a critical level at the beginning of summer. Its values remained high until the growing season stopped and plants were permanently wilted. Water seemed to be a limiting resource for plants settlement and growing. Specific density was low and remained unchanged in space and time. The floristic composition tended to be homogeneous between 2010 and 2011. Herbaceous annual species, which fastly grow, were present. Most of them were ruderal, coming from seedling. They developed well in basic, mesotrophic and xeric soils and in intense lighting conditions. Our results showed that the spatial distribution of plant communities was mainly independent of soil conditions and determined by environmental stochastic processes. In addition, plant communities were not clearly defined from phytosociological criteria. As a consequence, our methodological approach seemed to be poorly adapted for studying pioneer ecological systems which are still impacted by seedling. Performance analysis revealed that observed quantitative and qualitative biodiversities were significatively different from the planned one, at species and habitats scales, in terms of soil humidity, soil pH, and temperature. The constructor planning was thus considered to be poorly adapted to the actual soil conditions. We defined new objectives to valuate the plant biodiversity study site. The two projects which have been proposed were mainly differing from each other by reference habitat types and measures that are needed to restore soil fertility and biotic interactions.

French. L’anthropisation croissante des territoires a conduit à la transformation profonde des écosystèmes et à une perte massive, rapide et irréversible de la biodiversité. La réglementation nationale française impose aujourd’hui aux aménageurs du territoire d’évaluer, a priori et a posteriori, les impacts environnementaux de leurs projets de construction (ex : infrastructures routières) et notamment lesimpacts sur la biodiversité. Cette réglementation impose également de proposer des mesures d’évitement, de réduction, et de compensation, lorsqu’il existe des impacts résiduels, par la création ou la restauration de la biodiversité dégradée. En l’absence d’outils performants à disposition des gestionnaires, les échecs de la prédiction des impacts et de l’évaluation de l’efficacité des mesures conservatoires sont nombreux. L’objectif général de cette thèse est de proposer une nouvelle approche méthodologique pour (i) caractériser les processus et les paramètres abiotiques impactant la diversité végétale des communautés, (ii) analyser l’efficacité d’un projet de création et (iii) proposer, à la lecture de ces résultats, des nouvelles mesures de valorisation de la biodiversité végétale du site d’étude. Le site étudié est un aménagement paysager autoroutier, au sein duquel des semis et des plantations ont été réalisées par le constructeur, deux ans avant le début de notre étude. Nous avons restreint l’étude mécaniste du compartiment abiotique à celle du fonctionnement hydrologique (modélisé à l’aide d’HYDRUS-1D). Nous avons examiné l’existence ou non de variabilités spatiotemporelles (i) de la teneur en eau volumique du sol, (ii) de son potentiel matriciel, et (iii) de l’intensité du stress hydrique du couvert végétal. Les variabilités spatiales et interannuelles de la diversité végétale quantitative (richesse spécifique, équitabilité, β-diversité) et qualitative (origine des espèces, types biologiques, stratégies adaptatives, preferendums écologiques, espèces diagnostiques des communautés) ont été étudiées pendant deux ans (2010 et 2011) au niveau des 88 placettes ayant fait l’objet de la modélisation hydrologique. La distribution spatiale des communautés végétales a ensuite été modélisée grâce à un modèle linéaire généralisé, à partir de paramètres abiotiques issus d’analyses physicochimiques et de la modélisation hydrologique. L’analyse de la performance écologique du site d’étude, en terme de biodiversité végétale, par rapport aux objectifs envisagés à long terme par le constructeur, a été réalisée, à l’échelle spécifique et à celles des communautés. Les résultats montrent un fonctionnement hydrologique uniforme au sein du site d’étude en raison de conditions pédologiques peu contrastées. Le système est dominé par les écoulements verticaux : il s’humidifie rapidement en présence de fortes précipitations, mais s’assèche également rapidement en période de sécheresse. Il demeure insaturé en période hivernale comme en période estivale et sur toute la zone d’étude. Le stress hydrique du couvert végétal est élevé et systématique. Le stress hydrique s’intensifie rapidement pendant la croissance de la végétation. Son niveau atteint au début de l’été est critique et son évolution jusqu’à la fin des périodes de croissance traduit un flétrissement permanent du couvert. L’eau constitue donc un facteur limitant fortement et uniformément le développement de la végétation sur l’ensemble du site d’étude. La densité spécifique végétale est faible, spatio-temporellement stable. Le cortège végétal tend à s’homogénéiser légèrement entre 2010 et 2011 : il est composé d’espèces herbacées annuelles à croissance rapide, principalement rudérales, issues pour partie des semis, neutrophiles, principalement mésotrophiles, xérophiles et héliophiles. Nos résultats montrent la prédominance de la stochasticité environnementale dans la détermination des schémas de distribution spatiale des communautés, De plus ces dernières ne représentent pas des groupements végétaux clairement définis. Ainsi, notre approche de modélisation apparaît peu adaptée à l’étude de systèmes pionniers et trop fortement impactés par des semis. L’analyse de la performance écologique montre que les diversités végétales quantitative et qualitative observées sont significativement différentes de celle planifiées, à l’échelle des espèces et à celle des habitats envisagés. Les preferendums écologiques et des stratégies adaptatives mesurées contrastent avec ceux mis en place par le constructeur pour les conditions d’humidité, de pH, de température du sol. Cette observation révèle que les conditions abiotiques in situ ne concordent pas avec celles nécessaires pour que la succession végétale évolue vers la mosaïque d’habitats prévue initialement pour l’aménagement considéré. Ces résultats montrent la nécessité de définir de nouveaux objectifs de biodiversité végétale. Les deux projets proposés contrastent par les habitats de référence proposés, les efforts de restauration des conditions abiotiques (fertilité, contrôle du rapport P/N, humidité) et des conditions biotiques (semis et plantation).