Les réseaux écologiques

Quatrième École Interdisciplinaire de Rennes sur les Systèmes Complexes Les réseaux écologiques Françoise Burel Assu Gil-Tena 11 octobre 2012

Le paysage un espace hétérogène Des réseaux Des taches de nature différente

Processus écologiques Biodiversité services écosystémiques Flux biogéochimiques Structure Taille du grain Composition Arrangement spatial Connectivité Fragmentation

La fragmentation du paysage Extension des forêts primaires USA Transformation des paysages en Bretagne 1960 1980 1620 1920 2000 bois Prairie permanente haie culture Réduction de la surface des habitats Réduction de la taille des taches d habitat Isolement des taches d habitat

Effet de la superficie des éléments 40 Oiseaux dans les forêts d Illinoisd S 30 20 10 5 10 50 100 500 Log Superficie (m 2 )

Réponse des populations à la fragmentation du paysage Modélisation spatiale de la dynamique de population d Abax parallelepipedus λ < λ > 1 1 (extinction) (survie) λ : Taux d accroissement asymptotique de la population Bois = 33% Augmentation de la fragmentation du paysage Diminution du % de Bois Seuil critique de quantité de bois (33%): - Bois > 33% : la fragmentation n a aucun effet significatif sur le taux d accroissement - Bois 33% : seuil critique en dessous duquel la fragmentation de l espace boisé a un impact négatif sur la viabilité des populations

Effets sur les populations animales et végétales Populations locales de petites tailles, sujettes à des extinctions fréquentes Taches d habitat trop réduites pour fournir toutes les ressources nécessaires à un individu ou une population Recolonisation Pop. locale éteinte Pop. locale

La connectivité: ensemble des éléments du paysage qui facilite le mouvement des individus Abax parallelepipedus Campagnol roussâtre Mulot sylvestre

Dans les paysages fragmentés le mouvement entre taches d habitat ou de ressources est un élément clé de la survie des populations Les habitats Habitat d une espèce est le lieu oùcette espèce vit, désignépar son environnement spatial aussi bien biotique qu abiotique. Cette notion est à différencier de la notion d habitat naturel qui désigne un ensemble reconnaissable formépar des conditions stationnelles(climat, sol, relief) et une biocénose caractéristique (c est alors souvent les communautés végétales qui sont utilisés pour décrire les habitats naturels du fait de leur caractère intégrateur (phytosociologie)» 1 MNHN

Espèces spécialistes d un type d élément du paysage bosquet Intersection haie Flux d individus Populations

Des espèces multi habitats Certains organismes utilisent différents types d éléments femelles mâles Agrégation Diptera Empididae Dispersion

Espèces généralistes pie merle pinson

Facteurs influençant la relation entre mouvements et paysage Spécialisation Mobilité

Chevreuil (Capreoluscapreolus)

Martre (Martes martes)

Musaraigne carrelet (Sorexaraneus)

Mesures de la connectivité du paysage Distance génétique: mesure indirecte de la connectivité old-growth forest regenerating forest recent clear-cuts water 25 km Martes americana Secteur forestier exploité Les distances génétiques sont corrélées aux distances écologiques (calcul du moindre coùt sur des cartes de friction). La fragmentation forestière contraint la dispersion des individus Secteur forestier non exploité Les distances génétiques sont corrélées aux distances géographiques euclidiennes entre les populations Broquet el al. 2006

M M B M calcul B B B B B Occupation du sol + haies B Définition d un seuil de coût Coût croissant de déplacement B B Connectivité an 1 connecté Baudry et al.

Les chemins de moindre coût Carabe

Les corridors Ces éléments linéaires ont un rôle particulier par rapport aux mouvements des organismes vivants, plantes ou animaux: Conduits Barrières Filtres Habitats refuges

Travail pionnier sur la connectivité des haies: petits mammifères au Canada

La survie est améliorée par la présence de haies connectant les bosquets Les populations locales sont soumises aux événements d'extinction et recolonisation fréquents. Les haies boisées facilitent les déplacements entre les bosquets La survie de la métapopulation est supérior si le nombre de connexions entre les bosquets augmente Farhig& Merriam 1985 Définition d une connectivité fonctionnelle et d une connectivité structurelle

Les réseaux écologiques Pallier les effets négatifs de la fragmentation Augmenter la connectivité

La trame verte et bleue La Trame verte et bleue est une mesure phare du Grenelle Environnement qui porte l ambition d enrayer le déclin de la biodiversitéau travers de la préservation et de la restauration des continuités écologiques. Connecter sur l ensemble du territoire français les zones d intérêt écologique majeur

«Noyaux», Réservoirs de biodiversité

Trame verte et bleue de la région Nord Pas de Calais

Quatrième École Interdisciplinaire de Rennes sur les Systèmes Complexes Les réseaux écologiques Analyse de la connectivité du paysage

Connectivité du paysage: l analysel C. Structurelle C. Fonctionnelle

Connectivité du paysage: l analysel C. Structurelle C. Fonctionnelle Niveau de détail de l analyse/résultats Indices simples Modèles de population spatialement explicites Graphes précision des données (biologique et spatiale)

Connectivité du paysage: l analysel MESURES CLASSIQUES SIG / Fragstats (gratuit) Distance euclidienne des voisins proches Indice de cohésion de patch etcetera

Connectivité du paysage: l analysel Surfaces d érosion/dilatation Patch d habitat

Connectivité du paysage: l analysel MODÈLES DE POPULATION SPATIALEMENT EXPLICITES Ils considèrent les dynamiques de population qui résultent de: naissance, mortalité, émigration, immigration S utilisent quand l analyse de la connectivité a besoin d une évaluation des tendances spatiotemporelles de la population «Quelques» paramètres requis dans les modèles de connectivité pour la théorie des métapopulations Ovaskainen and Hanski 2003

Structures et algorithmes de graphes Puissants et efficaces pour représenter la complexité des paysages et effectuer des analyses complexes de leur connectivité Largement développés dans le transport / social / molecular, les réseaux d information et de communication, etc. Applications écologiques récentes Moilanen 2011

Qu est est-ce qu on peut obtenir avec la théorie des graphes par rapport à l aménagement du paysage Caractériser l'importance de chaque tache d habitat / corridor pour le maintien de la connectivité globale dans le paysage Ce n'est pas seulement une analyse descriptive Analyse aide à la décision et orientée vers l'aménagement du paysage Importance maintien connectivité Faible Moyenne Forte

Analogie paysage-graphe graphe Écologie du paysage Théorie des graphes Paysage Graphe Tache d habitat Nœud Connexion fonctionnelle Lien Nœud Lien ANALYSE DES RÉSEAUX partie théorie des graphes qui s occupe des relations topologiques ou fonctionnelles entre nœuds dans un graphe

Analogie paysage-graphe graphe Écologie du paysage Théorie des graphes Paysage Graphe Tache d habitat Nœud Connexion fonctionnelle Lien Nœud Lien Chemin = des séquences de nœuds (n 1, n 2,, n k ) adjacents dans lesquelles aucun noeud est visité plus d'une fois

Complet Types de graphes Planaire - Il y a un lien entre chaque paire de nœuds - Pas de liens qui se croisent - Liens directs

Fall et al 2007. Ecosystems Types de graphes

Types de graphes Fall et al 2007. Ecosystems ARBRE DE RECOUVREMENT MINIMAL ÉPINE DORSALE DE CONNECTIVITÉ Un chemin unique entre chaque paire de nœuds

Types de graphes Fall et al 2007. Ecosystems - - - limites de la tessellation de Voronoi GRAPHE PLANAIRE MINIMAL IDENTIFIE LE RÉSEAU DE CONNECTIVITÉ Triangulation de Delaunay Moins gourmand en calcul et moins lourd de visualiser que le graphe COMPLETE

Hiérarchisation des taches d habitat/liensd? Quels sont les taches/liens les plus importants pour le maintien de la connectivité globale? Importance maintien connectivité Faible Moyenne Forte Expériences de suppression de taches (e.g. Urban and Keitt, 2001; Saura and Pascual-Hortal, 2007)

Hiérarchisation des taches d habitat/liensd Expériences de suppression de taches X: Indice de connectivité issue de la théorie des graphes Importance d une tache (dx): diminution du % de connectivité globale (mesuré par l index X) après supprimer la tache d habitat dx = 100 X initial X X sup initial pression X initial = valeur indice avant supprimer la tache X suppression = valeur indice après supprimer la tache Comparaison performance indices Tache ID Indice 1 dx Indice 2 dx Indice 3 dx 1 50 % 2 % 40 % 2 20 % 1 % 10 % 3 5 % 0.5 % 3 % 4 13 % 1.5 % 7 %

Indices de connectivité basés s sur la disponibilité d habitat Intègrent des propriétés topologiques (réseaux de connectivité) + attributs des taches d habitat (surface, qualité de l habitat, etc.) Sont des indices de disponibilité d'habitat Haute disponibilité = habitat abondant + connexe Sont capables de détecter et de bien hiérarchiser les changements (négatifs) affectent le paysage: Perte de connectivité Perte de surface d habitat Altération de l habitat (perte de qualité) Une tache d'habitat est considérée en soi comme un endroit où la connectivité existe

Indices de connectivité basés s sur la disponibilité d habitat Intègrent des propriétés topologiques (réseaux de connectivité) + attributs des taches d habitat (surface, qualité de l habitat, etc.) Sont des indices de disponibilité d'habitat Haute disponibilité = habitat abondant + connexe Sont capables de détecter et de bien hiérarchiser les changements (négatifs) qui affectent le paysage: Perte de connectivité Perte de surface d habitat Altération de l habitat (perte de qualité)

Indices de connectivité basés s sur la disponibilité d habitat MODELE DE CONNEXIONS BINAIRE Indice Intégrale de Connectivité (IIC) MODELE DE CONNEXIONS PROBABILISTE Probabilité de Connectivité (PC)

1 2 3 Types de connexions Modèle binaire (possibilité de dispersion) matrice d'adjacence 4 Modèle probabiliste (probabilité de dispersion) matrice de probabilité Oui/ Non 0-1 1 0,8 0,4 2 0,1 0,7 3 0,2 0,3 4 N_i N_j ADJ 2 1 1 3 1 0 3 2 1 4 1 0 4 2 0 4 3 0 N_i N_j PROB 2 1 0,8 3 1 0,4 3 2 0,7 4 1 0,1 4 2 0,2 4 3 0,3 Dispersion directe

Probabilité de dispersion Il y a des autres fonctions p=0,5 distance dispersion médiane p=0,05/0,01 distance dispersion maximale

Indices de connectivité basés s sur la disponibilité d habitat MODELE DE CONNEXIONS BINAIRE Indice Intégrale de Connectivité (IIC) IIC = n n i i= 1 j= 1 1+ A a 2 P a nl j ij a i a j IIC= 0 (pas d habitat) - 1 (tout est habitat) IIC augmente avec l amélioration de la connectivité a i, a j : attribut de la tache d habitat (e.g. surface, qualité d habitat, abondance) nl = nombre de liens/connections dans le chemin plus court entre taches a i, a j A P : attribut du paysage maximale (si surface habitat + non habitat)

Indices de connectivité basés s sur la disponibilité d habitat MODELE DE CONNEXIONS PROBABILISTE Probabilité de Connectivité (PC) PC = n n i= 1 j= 1 p A * ij 2 P a i a j Probabilité que deux points placés aléatoirement dans le paysage se trouvent dans les zones d'habitat qui sont accessibles à partir de l'autre PC= 0 (pas d habitat) - 1 (tout est habitat) a i, a j : attribut de la tache d habitat p* ij = produit de probabilités maximale (probabilité cumulative de dispersion ) A P : attribut du paysage maximale

Indices de connectivité basés s sur la disponibilité d habitat Indice Intégrale de Connectivité (IIC) Bons résultats dans des études mesurant la diversité génétique (Neel 2008) IIC = n n i i= 1 j= 1 1+ A a 2 P a nl j ij Probabilité de Connectivité (PC) Bons résultats concernant le flux d organismes indépendamment de leur origine (Awade 2012) PC = n n i= 1 j= 1 p A * ij 2 P a i a j

Hiérarchisation et rôle des taches d habitatd - + Importance

Hiérarchisation et rôle des taches d habitat - + Importance 2 3 4 1 - Patchs connectés mais pas du pas japonais (1) - Isolé (2) - Pas japonais clé (3, 4), 4 est plus important que 3. Saura and Rubio, 2010

Exigences de l'habitat Caractéristiques de dispersion METHODOLOGIE SIG Carte de taches d habitat SIG Fichier de nœuds Distance entre patchs (bord à bord)

Euclidienne Types de distances Moindre coût ou effectives

Exigences de l'habitat Caractéristiques de dispersion METHODOLOGIE SIG Carte de taches d habitat SIG Résistance au déplacement SIG Carte de coûts Fichier de nœuds Distance entre patchs (bord à bord)

Résistance au déplacement Distances effectives: surface de résistance/friction/rugosité + analyse de moindre coût Amélioration par rapport à les distance euclidiennes Limitations potentiels (McRae et al. 2008, Moilanen 2011, Rayfield et al. 2010, Theobald 2006, etc) : 1. Un seul chemin de moindre coût mais reste de la matrice? 2. Sélection arbitraire des valeurs de friction manque de données empiriques 3. Le chemin de moindre coût est l optimal par rapport au mouvement de l espèce? 4. Problèmes de calcul Mammifères Insectes qui se déplacent au sol

M M B M calcul B B B B B Occupation du sol + haies Coût croissant de déplacement Baudry et al.

Théorie des circuits électriques Validation de l identification de la trame selon la redondance des chemins de moindre coût (McRae et al. 2008) www.circuitscape.org/

Exigences de l'habitat Caractéristiques de dispersion METHODOLOGIE SIG Carte de taches d habitat SIG Résistance au déplacement SIG Carte de coûts Distance de dispersion Fichier de nœuds Distance entre patchs (bord à bord)

Comment obtenir les distances de dispersion? Comment obtenir les distances de dispersion? Mesure directe Chercher dans la bibliographie et critère d expert Modèles à partir des territoires de reproduction, taille des espèces.

Exigences de l'habitat Caractéristiques de dispersion METHODOLOGIE SIG Carte de taches d habitat Résistance au déplacement SIG Distance de dispersion Probabilité de dispersion SIG Carte de coûts Fichier de nœuds Distance entre patchs (bord à bord) Matrice d'adjacence Matrice de probabilité

Exigences de l'habitat Caractéristiques de dispersion METHODOLOGIE SIG Carte de taches d habitat Résistance au déplacement SIG Distance de dispersion Probabilité de dispersion SIG Carte de coûts Fichier de nœuds Distance entre patchs (bord à bord) Matrice d'adjacence Matrice de probabilité Valeur globale de conectivité Hiérarchisation de taches CONEFOR 2.6 Binaires Probabilistes CALCUL DES INDICES DE CONNECTIVITE Rôle de taches SIG Carte de taches critiques et leur rôle

Logiciel: Conefor 2.6 (C2.6) S. Saura et J. Torné [Universidad de Lleida et la Universidad Politécnica de Madrid (Espagne)] Modification de Sensinode 1.0 [Dean L. Urban (Duke University, USA)] Téléchargement gratuit www.conefor.org

Logiciel: Téléchargement gratuit http://thema.univ-fcomte.fr/productions/graphab/

Quatrième École Interdisciplinaire de Rennes sur les Systèmes Complexes Les réseaux écologiques Applications pratiques

Projet Agriconnect (DIVA3) réalisr alisé dans l OSURl OBJECTIF SPECIFIQUE Déterminer quels sont les effets de la trame boisée sur la biodiversité des bosquets HYPOTHÈSE Plus les bois sont connectés plus ils sont riches en espèces

Site d éd étude: Zone Atelier Armorique Trame boisée http://osur.univ-rennes1.fr/za-armorique/ les bois à échantillonner seront 1-5ha pour les IPAs

Indice de connectivité adapté au projet * pik Pourcentage de flux Conefor 2.6 * i= 1, i k dfk = n n * p n 1 i= 1 j = 1, i j ij Pourcentage de flux reçu par chaque tache d habitat Sans pondérer par la surface contrainte surface selon IPAs p* ij = probabilité cumulative de dispersion

Distances de dispersion Selon la distance de dispersion caractéristique des communautés d espèces étudiées (oiseaux / plantes) Distances dispersion natale oiseaux bagués moyenne géométrique Communauté potentiel oiseaux bois ZA Médiane des moyennes géométriques (1395 m) Distance dispersion plantes (longue distance dispersion reliée à l anémochorie et zoochorie: 40 m et 400 m)

Paramétrage pour le calcul de la distance interpatch Hiérarchie selon type habitat (voire aussi Watts et al. 2010): Coût croissant déplacement Routes / Bâtiments Eau / Culture Prairies (P&T) Haies et bois < 1 ha Bois 1 ha Graphab 1.0

Résumé facteurs testés s dans Agriconnect (DIVA3) 1. Échelle spatiale Grain : 2 et 10 m Étendue : ZA et ZA + i km (i = 1, 2, 3, 4, 5) 2. Paramétrage de la matrice Modèles mathématiques Seuils de coûts ou résistance au déplacement 3. Type de graphe Complet Graphe planaire minimal

Échelle spatiale: grain 2 m 10 m

Échelle spatiale: étendue ZA -ZA + 5 km

Résultats de connectivité attendues Calcul df* pour tous les bois Qualification des bois à échantillonner

Quatrième École Interdisciplinaire de Rennes sur les Systèmes Complexes Les réseaux écologiques Des autres applications pratiques

Besoins en habitat Caractéristiques de dispersion Loutre Carte Q d habitat Nœuds Liens Carte de friction Rôle spécifique des nœuds et liens Habitat à conserver ou requalifier Matrice à conserver ou requalifier

Loutre

Grenouille rousse

1. Une multitude de mesures avec une pertinence écologique incertaine 2. Seuillage conduit à une perte importante d'informations 3. Limitations de calcul avec des cartes SIG d haute résolution (raster) 4. Importance excessive dans la pertinence de la connectivité du paysage

Quatrième École Interdisciplinaire de Rennes sur les Systèmes Complexes Les réseaux écologiques Françoise Burel Assu Gil-Tena 11 octobre 2012

Quatrième École Interdisciplinaire de Rennes sur les Systèmes Complexes Les réseaux écologiques Merci! Françoise Burel Assu Gil-Tena 11 octobre 2012