Controls over invasion of Bromus tectorum : The importance of climate, soil, disturbance and seed availability

1. 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

2. Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines • 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) Introduction Invasions biologiques Composante majeure des changements globaux Impacts sur la structure et le fonctionnement des écosystèmes, sur l’économie…

3. Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines Germination automnale Pluie fin automne/hiver Développement végétatif Production de graines fin Printemps Saison sèche sous forme de graines Impacts • Composition des communautés autochtones • Banque de graines du sol • Augmente la fréquence des incendies • Modifie la disponibilité de l’eau et des nutriments 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 Modèle biologique étudié Bromus tectorum (Poaceae) • Annuelle de saison « froide » • Origine : Eurasie, introduite en Amérique du Nord fin du 19ème siècle • Expansion très rapide : surpâturage, labourage…

4. Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines 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 Steppe de Patagonie Moy. T°C = 8,6°C 154 mm/an (hiver) Steppe à armoise très envahie état de Washington Argentine Steppe des grandes plaines Non envahie état du Colorado Steppe de Patagonie Non envahie 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

5. Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines Méthode utiliséeUtilisation de modèles de simulation SOILWATSimule les potentialités hydriques du sol (Conditions climatiques, biomasse et caractéristiques édaphiques) STEPWATSimule 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

6. 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)

7. Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines 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 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 Impact de Bromus tectorum sur la composition des groupes fonctionnels Colorado Envahie Patagonie Patagonie : milieu favorable à l’établissement du brome

8. Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines • Variations de biomasse perturbations (fréquence), la disponibilité de graines a un rôle secondaire (mais nécessaire pour atteindre la valeur seuil 40g/m²) 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)

9. Maîtriser l’invasion de Bromus tectorum: l’importance du climat, du sol, de la perturbation et la disponibilité de graines • 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) 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

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

11. Merci de votre attention