Projet de thèse : Dynamique et gestion des renouées asiatiques, de l échelle paysagère à l échelle de la tache

Projet de thèse : Dynamique et gestion des renouées asiatiques, de l échelle paysagère à l échelle de la tache Unité de recherche Lieu Ecosystèmes Montagnards, Irstea Grenoble Irstea Grenoble, Campus universitaire de Saint Martin d Hères Durée 3 ans, de septembre 2015 à septembre 2018 Encadrement Ecole doctorale Mots clés Fanny Dommanget, André Evette ou Jean Jacques Brun, Irstea Grenoble EDISCE, Grenoble Fallopia ssp., télédétection, multi échelle, écologie des communautés, écologie du paysage Résumé Classées parmi les pires espèces exotiques envahissantes d Europe et d Amérique du Nord, les renouées exotiques sont en expansion. L invasion des infrastructures linéaires de transport par les renouées soulève des enjeux importants en termes économiques et environnementaux et notamment en termes de gestion, sécurité, biodiversité, etc. Le présent projet de thèse, qui vient dans la continuité des recherches menées à Irstea Grenoble, a pour objectif d analyser à l échelle paysagère et de la tache, l évolution des renouées en lien avec la biodiversité, les fonctionnalités des écosystèmes environnants et les modalités de gestion sur trois types d infrastructures linéaires : les routes, les voies navigables et les voies de chemin de fer. En effet, une fois installées, le développement des renouées va dépendre du type et de la fréquence des interventions, mais également des conditions abiotiques et biotiques environnantes. Par exemple, les interactions avec les communautés végétales en place vont favoriser (facilitation) ou limiter (compétition et inhibition) le développement de ces taxa invasifs en fonction des contraintes abiotiques du milieu. De plus, la dynamique des taches et la colonisation par de nouvelles propagules dépend des composantes du paysage, comme par exemple l anthropisation ou la présence de couloirs de dispersion (p. ex. les cours d eau). L analyse diachronique du développement des populations de renouées à l échelle de la tache et à l échelle du paysage en lien avec les modalités de gestion et l environnement biotique et abiotique permettra de mieux connaître et appréhender la dynamique spatiotemporelle de ces espèces invasives. Ces résultats seront valorisés auprès des gestionnaires par l intermédiaire d un projet de recherche associé et ouvriront la voie à un travail ultérieur de modélisation prédictive de l évolution des renouées envahissantes à l échelle du paysage. Abstract Considered as part of the worst invasive species in Europe and North America, Asian knotweeds continue to spread. The invasion of linear transport infrastructures (LTI) by knotweeds raises major economic, environmental and management issues. This PhD project aims at analyzing knotweed dynamic at landscape and patch scales in relation to biodiversity, ecosystem functioning and management. Three LTI will be studied and compared: roads, railways and navigable rivers. Once established, knotweed development will depend on the type and the frequency of management operations and also on biotic and abiotic conditions. For example, plant interactions with neighboring communities can favor (facilitation) or limit (competition or inhibition) the development of these invasive taxa, depending on the abiotic constraints of the environment. Moreover, patch dynamic and dispersal and recruitment of propagules depend on landscape components like anthropic pressure or the presence of spreading corridor. Diachronic analysis of the development of knotweed populations at the two different scales of the patch and the landscape should allow better understanding of the spatiotemporal dynamic of these invasive species. Managers should beneficiate from the results of this work through an associate research project. The results should also contribute to build future predictive models of the evolution of invasive knotweeds in the landscape. 1

1 Introduction 1.1 Contexte scientifique Classées parmi les pires espèces exotiques envahissantes d Europe et d Amérique du Nord, les renouées exotiques sont en expansion. L invasion des infrastructures linéaires de transport (ILTe) par les renouées soulève des enjeux importants en termes économiques et environnementaux et notamment en termes de gestion, sécurité, biodiversité, etc. Leur dynamique est aujourd hui mal comprise, en particulier l importance et les rôles respectifs des facteurs de milieu et de gestion. L intérêt des outils de télédétection modernes pour l acquisition des données et la compréhension des processus écologiques favorise le développement de leur utilisation en dehors du cercle de la géomatique. Le potentiel qu ils représentent conduit à un véritable essor de leur emploi en écologie des invasions, ouvrant de nouvelles perspectives de recherche. 1.2 Objectifs du projet Le présent projet de thèse s inscrit à la fois dans la recherche en écologie des invasions mais aussi dans la recherche en écologie du paysage et télédétection. Il a pour objectif d analyser à l échelle paysagère et de la tache, l évolution des renouées en lien avec la biodiversité, les fonctionnalités des écosystèmes environnants et les modalités de gestion sur trois types d infrastructures linéaires : les routes, les voies navigables et les voies de chemin de fer. Ces deux échelles d étude (de la tache et de la population) devraient permettre de tester les apports des capteurs miniaturisés et de la photogrammétrie très haute résolution pour la description de la dynamique des populations de renouées asiatiques. Cette thèse vise également à utiliser les données ainsi acquises pour mieux comprendre la dynamique paysagère des renouées asiatiques le long des ILTe en recherchant les facteurs paysagers et locaux qui expliquent les patrons de développement observés. 1.3 Positionnement du projet sur les scènes locales, nationales et internationales Considérée comme la seconde cause de l érosion de la biodiversité par le réseau ISSG (Invasive Species Specialist Group, sous l autorité de l UICN et du SSC), la problématique des espèces invasives occupe une part de plus en plus importante au sein des questions environnementales comme vient le souligner la très récente adoption par le Conseil de l'union européenne du projet de règlement européen relatif à la prévention et à la gestion de l'introduction et de la propagation des espèces exotiques envahissantes. En France, la création récente (2014) ou en cours (prévue pour 2015) de deux groupes de recherche en lien avec les invasions biologiques (dont fait partie l UR EMGR) témoigne de l intérêt croissant que suscite ce sujet et de sa forte dynamique scientifique. L expansion des renouées exotiques, tant en plaine que dans les milieux de montagne, pose de sérieux problèmes aux gestionnaires. Les invasions biologiques préoccupent ainsi les acteurs scientifiques, politiques et gestionnaires, à toutes les échelles. 2

2 Description du projet 2.1 Programme scientifique L objectif de ce travail est d étudier, au travers d une approche spatiale diachronique, les principaux facteurs susceptibles d impacter le développement spatio temporel des populations de renouées asiatiques, soit : Leurs modalités de gestion, qui peuvent freiner ou favoriser l expansion des renouées asiatiques le long des infrastructures Les facteurs de milieu (biotiques et abiotiques) à l échelle locale et paysagère Les hypothèses scientifiques sous jacentes à ce travail sont que les modalités de gestion mises en œuvre et les facteurs de milieux ont une influence marquée sur les modalités de développement et de dissémination des renouées asiatiques le long des ILTe. La thèse sera structurée en deux axes de recherche : Axe 1 : Dynamique de colonisation des renouées asiatiques à l échelle du paysage Axe 2 : Dynamique d expansion des renouées asiatiques à l échelle de la tache 2.1.1 Axe 1 : Dynamique de colonisation des renouées asiatiques à l échelle du paysage La colonisation des renouées asiatiques dans un paysage est liée à la présence de cours d eaux dynamiques et à la pression anthropique. La distance aux routes ou aux voies ferrées notamment est un bon prédicteur de leur présence, ce qui rend compte de l importance du rôle des interventions humaines et des infrastructures de transport dans le processus de colonisation. Toutefois, la dynamique spatio temporelle des taches en place et de la colonisation par de nouvelles propagules n a jamais été croisée avec des indices paysagers décrivant le fonctionnement écosystémique à une échelle large (par exemple configuration spatiale des taches, indices de connectivité) ni avec les modalités de gestion. L objectif de cet axe de recherche est de comprendre comment l évolution des structures spatiales et temporelles des populations de renouées asiatiques s explique parles processus écologiques (dissémination, création de biomasse, ) et les facteurs historiques (date d arrivée des propagules) et anthropiques (modalités de gestion ). L hypothèse forte de cet axe de la thèse est que les formes et les dynamiques des taches rendent compte de leurs processus de création et de leurs modalités de gestion, et que cette dynamique dépend du type d ILTe (avec notamment une différence dans les processus de dissémination entre les voies navigables et les autres infrastructures). 2.1.2 Axe 2 : Dynamique d expansion des renouées asiatiques à l échelle de la tache La vigueur des renouées asiatiques dépend fortement de la capacité de la communauté végétale voisine à filtrer la lumière et donc de la compétition subie. Toutefois les facteurs influençant leur dynamique d expansion sont très mal connus. La particularité des abords d infrastructures de 3

transport, milieux sous influence anthropique forte et caractérisés par des patrons linéaires, amène à supposer que la croissance des taches de renouées est contrainte latéralement et que leur patron d expansion est longitudinal. L objectif de cet axe de recherche est d identifier les facteurs influençant la vitesse d expansion des taches de renouées asiatiques en étudiant à une échelle fine l effet des facteurs de milieu (composantes physico chimiques du substrat, accessibilité à l eau, exposition, etc.), les facteurs biotiques (composition de la communauté végétale voisine et compétition interspécifique) et les modalités de gestion (trajectoire, fréquence et nature des interventions) sur un échantillon de taches de renouées asiatiques le long de différentes ILTe. L hypothèse forte de cet axe de recherche est que la vitesse d expansion des renouées à l échelle de la tache va dépendre des modes de gestion (absence ou présence de fauchage, méthodes de fauche, fréquence ), des facteurs biotiques (lumière, ), et abiotiques (disponibilité en eau, granulométrie ). 2.2 Méthodologie 2.2.1 Choix des sites Douze sites d étude, trois concernant chaque type d ILTe étudié (voies ferrées, routières et navigables) et trois sites au croisement de plusieurs ILTe, seront sélectionnés et serviront de support à cette étude. Les sites auront une superficie d environ 200 mètres de large pour 1 kilomètre de long afin de pouvoir étudier les facteurs paysagers avec une approche transversale et longitudinale par rapport à l ILTe. Ils seront sélectionnés avec l appui des gestionnaires (RFF, VNF, AREA, DIR ) avec qui les contacts sont déjà bien établis. Les sites seront notamment définis selon les critères suivants : Nombre de taches suffisant (supérieur ou égal à 10) Couvert arboré faible ou nul Linéaire ou délaissée de route, autoroute, voie de chemin de fer ou voie navigable Eléments de gestion accessibles 2.2.2 Méthodes spécifiques à l axe 1 : Dynamique de colonisation des renouées asiatiques à l échelle du paysage On s intéresse ici aux formes et dynamiques des taches en fonction du temps, du type d ILTe et du mode de gestion. L utilisation d outils cartographiques, complétés par des enquêtes et relevés de terrain, pour suivre et analyser la colonisation et le développement des renouées asiatiques le long des ILTe fournira des informations sur la dynamique paysagère des renouées asiatiques en lien avec la biodiversité et les corridors écologiques environnants. Pour cela on utilisera les potentialités des outils modernes de télédétection (images satellitales, aériennes et drones) ainsi que les méthodes 4

d analyse de données spatialisées (segmentation multi niveaux et classification dirigée notamment). L analyse diachronique de l évolution des taches de renouées à partir d images à haute résolution (orthophotos IGN, pléiade, Spot6 ) permettra d évaluer la dynamique des taches sur un pas de temps supérieur à celui de la thèse (et jusqu à une dizaine d années). La dynamique spatio temporelle paysagère des renouées asiatiques sera évaluée par différentes variables comme l évolution dans le temps de la taille des taches existantes, l identification de nouveau foyer d infestation, l agencement dans l espace des différentes taches ou la densité d invasion. Ces estimateurs seront mis en lien avec différents indices paysagers (connectivité, indices de forme, occupation des sols et sa dynamique ), issus de bases de données d occupation du sol acquises par l Unité ainsi qu avec les pratiques de gestion évaluées par des entretiens semi directifs avec les gestionnaires. 2.2.3 Méthodes spécifiques à l axe 2 : Dynamique d expansion des renouées asiatiques à l échelle de la tache Des taches seront sélectionnées sur les 12 sites d étude et feront l objet de suivis dans le temps. Ainsi, leur surface (plus grand et plus petit diamètre ; relevé de leur forme par GPS de précision) et leur vigueur (hauteur des ramets et densité) seront mesurées en début et en fin de saison de végétation sur plusieurs saisons de végétation et mises en relation avec les variables caractérisant leur environnement biotique et abiotique. La démarche et la méthode de relevés seront proches de celles utilisées dans la thèse de Fanny Dommanget (soutenue en février 2014). Les modes de gestion seront décrits grâce à des enquêtes auprès des opérateurs de terrain sous la forme d entretiens semi directifs. Il s agira de mettre en lien, par des modèles statistiques à effets mixtes, la vitesse d expansion des renouées avec les facteurs abiotiques, biotiques et les modalités de gestion. La taille des taches de renouées asiatiques sera mesurée sur plusieurs années ainsi que des variables rendant compte de leur vigueur (densité en ramets, hauteur moyenne des ramets, biomasse moyenne des ramets). Les facteurs environnementaux incluront des variables topographiques (altitude, exposition, pente ) et climatiques (température et précipitation annuelles) ainsi que des variables caractérisant le substrat (fertilité, granulométrie). L occupation du sol entourant chaque tache sera relevée et une attention particulière sera donnée à la caractérisation des communautés végétales voisines (évaluation de la diversité biologique, identification des espèces dominantes, mesure de la hauteur végétative des espèces ). Enfin, les facteurs de gestion devront rendre compte de la fréquence et du type de gestion pratiquée sur chacune des taches étudiées. Ces derniers seront issus des entretiens semi directifs dont le questionnaire sera élaboré en partenariat avec l UMR 5600, partenaire du projet, et un bureau d étude spécialisé dans la gestion des renouées asiatiques (Concept Cours d Eau). 2.3 Résultats escomptés D un point de vue scientifique, ces recherches doivent permettre de mieux comprendre l écologie des renouées asiatiques via la validation des hypothèses suivantes : 5

les formes et les dynamiques des taches rendent compte de leurs processus de création et de leurs modalités de gestion, et que cette dynamique dépend du type d ILTe la vitesse d expansion des renouées à l échelle de la tache va dépendre des facteurs biotiques, abiotiques et des modes de gestion Ces travaux feront l objet de la rédaction de trois articles scientifiques dans des journaux de rang A : un relatif à la méthode de télédétection (journal scientifique de géomatique, ex : International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation), deux sur la dynamique des taches à l échelle paysagère et l échelle de la tache (journal scientifique d écologie, ex : Biological Invasions). 6

3 Organisation du projet et profil recherché 3.1 Encadrement La thèse sera encadrée par Fanny Dommanget et dirigée par André Evette (HDR à soutenir en 2015) ou Jean Jacques Brun (DR), Irstea Grenoble. La partie télédétection impliquera Vincent Breton et Laurent Borgniet d Irstea Grenoble ainsi que l UMR Tétis, à Montpellier. Le laboratoire Environnement, Ville et Société de l ENS Lyon (Marylise Cottet) fournira un appui sur la prise en compte de la gestion. Le doctorant sera rattaché à l École doctorale Ingénierie pour la santé la Cognition et l'environnement EDISCE dans laquelle l Unité EMGR est fortement impliquée. Le comité de thèse pressenti pourrait rassembler Nathalie Machon, MNHN ; Grégory Mahy, U. Liège ; Jacques Haury, AgroCampus Ouest ; Serge Muller, U. Lorraine ; Jacques Baudry, U. Rennes. Les contacts avec les gestionnaires de terrain pour le choix des sites et le recueil des modalités de gestion (DIR, APRR, VNF, RFF ) s appuieront sur le réseau bien établi par l Unité EMGR et développé dans le cadre du projet Ittecop. 3.2 Partenariats Cette thèse s intégrant plus globalement dans le projet ITTECOP DYNARP, le doctorant travaillera en interaction avec les partenaires du projet dont le CEREMA (Virginie Billon). 3.3 Profil du candidat recherché Le (la) candidat(e) sera sélectionné sur son niveau académique sur un profil Master II ou école d ingénieur, de préférence avec une orientation «recherche», associant des compétences disciplinaires fortes en écologie végétale et du paysage. Le (la) candidat(e) devra avoir un intérêt prononcé pour la géomatique et pour la manipulation de données issues de la télédétection. Connaissances demandées : Ecologie végétale, écologie fonctionnelle, écologie du paysage Ecologie et gestion des invasions biologiques Statistiques et analyse de données spatialisées Français courant, Anglais scientifique Botanique Compétences requises : Aptitude au travail en équipe Autonomie Rigueur Esprit critique et capacités d analyse et de prise de recul 7

Aisance relationnelle (enquêtes auprès de professionnels) Capacités rédactionnelles Aptitude pour le travail de terrain 3.4 Echéancier Le déroulement de ce travail est prévu ainsi : Année 1 Année 2 Année 3 Tâche 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Bibliographie : précision / appropriation des questions scientifiques Axe 1 Veille bibliographique Acquisition de données terrain Analyse des données Valorisation / rédaction Bibliographie : précision / appropriation des questions scientifiques Axe 2 Veille bibliographique Acquisition de données terrain Analyse des données Valorisation / rédaction Rédaction manuscrit Comités de thèse Le travail de thèse sera rythmé par les campagnes de terrain qui prendront place aux printemps et étés des deux premières années (trimestres 2 et 3 pour un début de thèse en septembre octobre). L analyse des données débutera sur l axe 2 dès la prise en main du sujet de thèse sur un jeu de donnée préalablement récolté par l équipe d Irstea dans la perspective de soumettre rapidement un premier article. L analyse de données se poursuivra après à la fin de la première campagne de terrain afin de mettre en place les outils statistiques et de traitement des données. Il s agira d une analyse des données qui donnera lieu à la soumission d un second article concernant l axe 1. La poursuite de la valorisation des données sur l axe 2 se fera dans un deuxième temps, au cours de l hiver de la deuxième année afin de répartir l effort de rédaction. La dernière année de thèse sera entièrement consacrée à la rédaction du manuscrit. Trois comités de thèse, planifiés à chaque début d année universitaire devront permettre de cadrer l avancée du travail et de préparer les campagnes de terrain. 8