Gestion durable des ecosystemes et ingenieurie ecologique - Maxicours

Gestion durable des ecosystemes et ingenieurie ecologique

Objectifs
  • Comprendre les solutions et les techniques qui peuvent être mises en place pour répondre aux problématiques environnementales causées par les activités humaines.
Points clés
  • Les dégradations de l’environnement causées par les activités humaines ne sont pas irrémédiables.
  • Des solutions émergent depuis plusieurs décennies en particulier grâce aux travaux issus de l’écologie scientifique.
  • Ces solutions démontrent la possibilité de préserver la biodiversité et les écosystèmes tout en permettant à des activités sociales et économiques viables de se développer.
  • Ces solutions nécessitent cependant l’adaptation de ces activités sociales et économiques.
  • Ces solutions sont beaucoup plus efficaces lorsqu’elles sont mises en place avant que les écosystèmes ne soient trop dégradés.
  • Les écosystèmes très dégradés ne récupèrent pas leur diversité originelle.
  • Les techniques issues de l’écologie scientifique permettent également d’augmenter la résilience des écosystèmes et leur capacité de résistance et d’adaptation aux changements climatiques.
Pour bien comprendre
  • Des écosystèmes qui incluent l’Homme
  • Une nature au service de l’Homme
  • Des écosystèmes dégradés par l’Homme
1. Gestion durable des écosystèmes et conservation de la biodiversité
a. Gestion durable des ressources biologiques

La biodiversité est en déclin dans de nombreux habitats terrestres. Selon l’IPBES, l’agence de l’ONU chargée d’étudier l’état de la biodiversité, près d’un million d’espèces naturelles sont menacées d’extinction si aucune action n’est menée pour les protéger. Il est donc indispensable d’agir pour préserver la biodiversité et les écosystèmes, d’autant plus que les activités humaines en sont en partie dépendantes. Heureusement, des moyens d’action existent. En particulier, l’écologie scientifique, qui est la science étudiant la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes, offre des outils qui peuvent être utilisés favorablement pour protéger la nature de façon rationnelle et efficace. Il est important de différencier cette science de l’écologie politique, qui est un mouvement social visant un changement social par l’action politique et militante.

La surexploitation des ressources biologiques est l’une des principales causes de l’érosion de la biodiversité et de la dégradation des écosystèmes. La surpêche, par exemple, touche près de 30 % des espèces de poissons économiquement exploitées, ce qui met en péril la viabilité économique des activités halieutiques; ainsi que tout l’écosystème océanique. En Europe, le stock moyen de poissons a été divisé par 6 depuis les années 1950, en grande partie à cause de l’industrialisation de la pêche.

Cependant, des solutions existent. Ainsi, les scientifiques ont proposé des modèles afin de mettre en place une gestion rationnelle des ressources halieutiques en calculant des prélèvements optimums qui n’épuiseraient pas les ressources biologiques. Le but est de permettre à la fois une activité économique viable, la conservation de la biodiversité et le maintien de services écosystémiques de qualité.

Il est possible de modéliser l’évolution de l’effectif d’une population naturelle, par exemple un stock de poissons, par une courbe sinusoïdale, comme la courbe ci-dessous. On nomme ce modèle régression logistique ou encore modèle de Verhulst.


La courbe violette (nommée dN/dt) représente l’évolution d’une population naturelle dans le temps, par exemple le nombre de poissons dans un lac. Lorsque l’effectif de la population N est supérieur à 0, elle est croissante, c’est-à-dire que les poissons se reproduisent (dN/dt > 0). On peut observer plusieurs phases :

  • Quand N = 0, la courbe n’augmente pas (dN/dt = 0). La population n’existe pas ou plus ;
  • Lorsque que les individus sont peu nombreux (point A), la croissance est lente. Cela peut s’expliquer par le fait que, puisque la densité de population dans le milieu est faible, les individus trouvent difficilement des partenaires sexuels. Le taux de reproduction est donc limité.
  • Au-delà d’un certain seuil de population, on entre dans une phase de croissance maximale (point B). La densité de la population dans le milieu est optimale. Les individus trouvent suffisamment de ressources pour prospérer et de partenaires sexuels pour se reproduire (dN/dt est au max).
  • Lorsque la densité de la population dans le milieu est trop élevée, la croissance ralentie (point C). Généralement les ressources du milieu deviennent insuffisantes pour soutenir la croissance de la population.
  • Enfin, il existe un seuil à partir duquel la croissance de la population devient nulle (dN/dt = 0). Ce point est la capacité de charge du milieu, ou seuil K. Il est possible de démontrer mathématiquement que, si l’effectif de la population dépasse ce seuil, la croissance devient négative et la population diminue jusqu’à retourner jusqu’au seuil K. C’est donc un point d’équilibre de la population. Ce qu’il est important de constater est qu’il existe un point N = K/2, où le taux de croissance est maximal (dN/dt max).
    On peut également observer la courbe du taux de croissance de la population selon la densité de cette population (dN/dt = f(N)).

Ceci a une conséquence cruciale pour la gestion des ressources biologiques :

  • Tant que l’effectif de la population est de N > K/2, le taux de croissance augmente à mesure que la population diminue. Celle-ci a donc facilement la possibilité de se reconstituer.
  • Si la population N < K/2, le taux de croissance diminue avec la diminution de la population. Le risque d’extinction de la population est alors élevé.

Cela signifie que, si l’on veut prélever des ressources dans cette population, par exemple pêcher des poissons dans un stock halieutique, la façon de le faire la plus durable est de maintenir la population à N = K/2. Ainsi on pourra prélever un maximum de poissons dans leur milieu de vie, tout en maintenant la population à son maximum reproductif. On nomme ce point le rendement maximal durable (RMD) de la ressource.
Cependant, si les prélèvements font baisser la population sous ce seuil N = K/2, la ressource est surexploitée et court le risque de s’épuiser si aucun ajustement n’est fait.

Le rendement maximal soutenable dépend de l’espèce et du milieu. Il est nécessaire de réaliser des études scientifiques pour le déterminer. La connaissance des dynamiques des populations naturelles est donc indispensable à la gestion durable de la biodiversité, et permet en parallèle d’assurer une activité économique propice pour les populations humaines.

Exemple :
L’abondance des ressources halieutiques en Europe a dramatiquement chuté entre les années 1950 et 1980. Depuis la Seconde Guerre mondiale, les stocks de poissons ont été divisés par 6. Durant longtemps, les tentatives pour limiter l’intensité de la pêche ont été infructueuses et n’ont pas permis de limiter l’érosion de ces ressources. Cependant, depuis une quinzaine d’années, des efforts importants ont été réalisés dans le cadre d’une gestion basée sur les Rendements Maximums Durables (RMD) et des progrès ont été obtenus. Ainsi, selon l’IFREMER, alors qu’on estimait au début des années 2000 que 90 % des stocks de poissons étaient surpêchés en France, seulement 27 % l’étaient en 2018 et 48 % des volumes étaient issus de stocks de poissons exploités durablement.
Dans le cas du merlu commun (Merluccius merluccius), il a été possible de faire diminuer suffisamment la pression de pêche pour que la biomasse atteigne le seuil du RMD, permettant un taux de reproduction de la population maximale. Cependant, la situation générale des populations halieutiques de l'Atlantique reste fragile. De nouvelles études et davantage d’efforts de protection seront nécessaires pour sécuriser l’ensemble des espèces de poissons.

b. Agroforesterie

L’agroforesterie est un autre exemple d’application pratique des travaux de l'écologie scientifique. Elle permet de concilier activité économique viable, gestion durable des écosystèmes et protection de la biodiversité. Le principe repose sur l’idée relativement simple d’association d’activités forestières et agricoles, c’est-à-dire planter des arbres dans des champs. Cette association apporte des solutions à de nombreux problèmes environnementaux. Il y a en effet moins de concurrence entre des spécimens d’espèces différentes qu’en monoculture, où tous les spécimens sont de la même espèce et se gênent mutuellement. Il peut même y avoir coopération entre les espèces afin d’exploiter au mieux toutes les ressources de l’environnement.


Agroforesterie au Burkina Faso (Afrique de l’Ouest)
Un champ d’arachides cultivé sous des acacias.

Cette technique est encore très pratiquée dans les pays tropicaux mais elle a été très largement abandonnée en Europe durant le XXe siècle, car peu compatible avec la mécanisation de l’agriculture (notamment à cause du passage des tracteurs). Depuis une vingtaine d’années, des expérimentations sont réalisées par des chercheurs et des agriculteurs afin de proposer des versions plus modernes de l’agroforesterie, comme la plantation d’arbres en lignes parallèles permettant le passage des tracteurs. Ces expérimentations ont démontré les nombreux avantages de l’agroforesterie par rapport aux monocultures classiques.
Premièrement, on observe une hausse de la production de biomasse à l’hectare du fait d’une meilleure utilisation des ressources par les plantes. En moyenne, la production totale en agroforesterie est de 20 à 60 % plus élevée que la production des monocultures séparées. C’est-à-dire qu’il faudrait 20 à 60 % de surfaces de monocultures en plus pour produire la même quantité de biomasse qu’en agroforesterie.
Ceci s’explique notamment par une meilleure utilisation de la lumière solaire par les plantes tout au long de l’année. Il y a moins de perte de rayonnement solaire, car les cultures agricoles et les arbres ne se développent pas aux mêmes saisons. Les arbres sont actifs plus tard que les autres plantes, généralement durant l’été, et le sol est alors beaucoup moins souvent nu.


En vert clair est représentée la part de lumière de soleil non utilisée par les plantes et donc perdue pour la production de biomasse.
Le diagramme de gauche représente la situation d’une monoculture de blé.
Le diagramme du milieu représente la situation d’une monoculture de noyer.
Le diagramme de droite représente la situation d’une culture associée noyer-blé.
On peut observer une quantité moindre de lumière perdue pour la photosynthèse que dans les monocultures.

Suivant la même logique, les arbres sont capables de puiser l’eau et les nutriments dans un sol plus profond que les cultures annuelles. Il a été démontré que les arbres se développant en agroforesterie sont moins contraints par d’autres arbres que dans une forêt, car ils sont plus espacés les uns des autres et peuvent donc développer des racines plus profondes que leurs congénères forestiers. Puis, les arbres restituent une partie de cette eau et de ces nutriments, en particulier sous forme de matière organique via les feuilles et les branches qui tombent au sol ainsi que via la décomposition des racines. En moyenne, 40 % de la biomasse d’un arbre retourne au sol chaque année. Leurs racines structurent aussi le sol, facilitant son activité biologique, augmentent la réserve utile en eau des sols, améliorent l’infiltration du ruissellement et limitent l’évaporation du sol. L’ensemble de ces apports améliore donc la fertilité du système et diminue le besoin de recourir à des engrais et à l’irrigation.
L’ajout des arbres dans les cultures apportent également des services écosystémiques majeurs pour l’environnement. Il y a ainsi un effet très positif sur la biodiversité. Les arbres créent en effet des habitats et des zones refuges pour les microfaunes et microflores du sol, pour les insectes, les oiseaux, etc.
On note aussi une diminution de la pollution des sols et des nappes phréatiques grâce à la présence d’arbres dans les cultures agricoles. Ils sont généralement plus actifs l’été lorsque les cultures ont été récoltées. Les sols restent donc actifs. Véritables filtres, les arbres limitent une partie du lessivage des engrais, réduisant ainsi la pollution des nappes phréatiques.
Les arbres apportent une meilleure résilience face aux variations climatiques et aux inondations. La création d’un microclimat sur la parcelle protège les cultures et les animaux des stress thermiques et hydriques. En puisant et transpirant de l’eau depuis les couches profondes, ils rafraîchissent l’atmosphère en été, tandis que leur présence limite l’effet du vent. Celui-ci est responsable d’importantes pertes d’eau par évaporation, mais aussi de refroidissements en hiver. Les variations de températures sont amoindries, ainsi que les conséquences des épisodes de canicule ou des vagues de froid sur les cultures.
Grâce à ces différentes conséquences de la présence des arbres, les variations de rendement sont plus stables au fil des années. Ceci est particulièrement crucial dans le contexte du réchauffement climatique, qui augmente le risque de survenue d’épisodes météorologiques extrêmes. Les arbres permettent donc non seulement d’atténuer les effets du changement climatique, mais aussi de s’adapter aux climats futurs.
Enfin, l’agroforesterie constitue un outil dans la lutte contre le réchauffement climatique. Les arbres sont une source à la fois de matériaux de construction et d’énergie renouvelable peu polluante. De plus, 99 % de la matière solide de l’arbre provient du CO2 atmosphérique. Les arbres sont donc d’excellents puits de carbone. Un frêne à maturité séquestre par exemple près de 3 kg de CO2 par an.


Exemple :
L’expérimentation de l’INRA sur un système blé/noyers à Restinclières (Hérault) a montré qu’une parcelle agroforestière de 100 ha pouvait produire autant de biomasse (bois et produits agricoles) qu’une parcelle de 136 ha où arbres et cultures auraient été séparés, soit un gain de 36 %. Cette intensification de la production résulte d’une meilleure utilisation des ressources naturelles du milieu : la lumière, l’eau et les engrais sont prélevés plus efficacement grâce à un étagement des cultures, des systèmes racinaires de profondeurs variées et une occupation du sol permanente.

Parcelle associée de blé et de noyers à Restinclières, dans l’Hérault.
Source : INRA
2. Restauration des écosystèmes et ingénierie écologique
a. Restauration des écosystèmes et ingénierie écologique

Dans les années 1960, des scientifiques ont démontré la possibilité d’orienter l’évolution spontanée d’un écosystème grâce aux connaissances issues de l’écologie scientifique. Dès lors se mettent en place de nouvelles techniques, méthodes et concepts dont le but est de réparer les dégâts occasionnés sur la nature par les activités humaines, et de rendre ces dernières plus compatibles avec la protection de la biodiversité et la santé des écosystèmes. Deux grandes disciplines naissent et se développent : la restauration des écosystèmes et l’ingénierie écologique.

La restauration des écosystèmes (ou restauration écologique) consiste à mettre en place des actions de terrain afin d’initier et d’accompagner le rétablissement d’un écosystème dégradé et de le faire évoluer spontanément vers un état stable. Cet état stable est l’équilibre écologique préexistant à la dégradation ou bien un état considéré comme plus résilient face aux perturbations futures, telles que le réchauffement climatique. Le but est de restaurer le bon état écologique de l’environnement et les fonctions écologiques des écosystèmes, et d’augmenter la biodiversité.

Exemple :
La restauration des tourbières. Les tourbières sont des zones humides typiques qui constituent un habitat de choix pour une biodiversité riche et variée, dont des espèces rares et menacées. Elles offrent également des services écosystémiques importants : filtration des eaux, régulation des inondations, stockage des eaux, stockage de carbone et donc outil de lutte contre le réchauffement climatique, etc. Des travaux hydrologiques (aménagement de berges, digues, barrages, etc.) réalisés dans les années 1950 et 1960 ont profondément dégradé et asséché les tourbières du massif Jurassien, provoquant la dégradation de la matière organique piégée sous l’effet des microorganismes. Dans le but de restaurer cet écosystème, le Conservatoire d’espaces naturels de Franche-Comté réalise depuis plusieurs années un certain nombre d’aménagements. L’objectif est de rehausser le niveau de la nappe phréatique, afin d’inonder les terrains occupés par la tourbière et de relancer le processus naturel de fabrication de tourbe. On considère que la moitié de la surface des tourbières présentes en France en 1945 n’est aujourd’hui plus fonctionnelle, c’est-à-dire qu’elles n’accumulent plus de tourbe.
Les tourbières sont des milieux humides qui régressent fortement en France et en Europe. Elles sont le lieu de vie pour des espèces rares et menacées. Des aménagements spécifiques peuvent aider à les restaurer.

Une tourbière restaurée dans la réserve naturelle de Foulshaw Moss, au Royaume-Uni.

Menyanthes trifoliata, ou trèfle d’eau, est une plante semi-aquatique commune en Europe. 

L’ingénierie écologique est une démarche plus large que la restauration des écosystèmes. Elle consiste à agir sur l’environnement en utilisant la nature et en prenant en compte, voire en s’appuyant sur, les réponses dynamiques venant des écosystèmes et du milieu physique. Elle peut être utilisée dans le but de restaurer un écosystème (avec, par exemple, la mise en place de corridors écologiques pour restaurer la continuité des écosystèmes), mais aussi pour répondre à des problèmes d’une autre nature : inondations, érosions, avalanches, incendies, espèces invasives, pollutions des sols, etc.

Exemple :
La lutte contre l’érosion des berges par l’ingénierie écologique. L’érosion des berges des cours d’eau représente un problème majeur lorsque ceux-ci traversent des zones agricoles ou urbaines. Traditionnellement, on a recours à des travaux de maçonnerie ou des enrochements pour stabiliser les berges. Cependant, ces installations ont un aspect peu naturel, sont mal intégrées dans le paysage, et présentent un intérêt de biodiversité très limité, voire facilitent même la propagation d’espèces invasives telles que la renouée du japon (Reynoutria japonica) ou le buddleia (Buddleja davidii). La solution en ingénierie écologique est de recourir à la végétalisation des berges par des plantes ligneuses (des arbres). Celles-ci vont renforcer les berges avec leurs racines, et s’avèrent être très efficaces contre l’érosion tout en nécessitant peu d’entretien. De plus, elles offrent des milieux propices à la biodiversité, sont bien intégrées au paysage et peuvent permettre la restauration des continuités écologiques si elles prennent place dans la trame verte et bleue (voir plus bas).
b. Continuités écologiques et trames vertes et bleues

La fragmentation des milieux naturels et leur destruction, notamment par l’artificialisation des sols et des cours d’eau, est une autre cause principale de l’érosion actuelle de la biodiversité. La surface des habitats naturels se réduit, empêchant le développement de larges populations. Certaines espèces ne trouvent plus suffisamment de ressources. De plus, les populations naturelles sont elles-mêmes divisées, ne peuvent plus se disperser ou effectuer des échanges génétiques par reproduction avec d’autres populations. Ce problème s’aggrave avec le développement des villes, en particulier du milieu péri-urbain (clôtures, jardins et bâtiments constituent tout autant de barrières infranchissables pour de nombreuses espèces) et des infrastructures de transport : autoroutes, rails, etc.


Les espaces fragmentés abritent une biodiversité moins riche et moins diversifiée.

Une solution à ce problème grave est de restaurer des continuités écologiques entre les différents habitats par la mise en place de corridors écologiques qui permettent le passage et la dispersion de la biodiversité. Il est indispensable de penser et de réaliser l’ensemble de ces corridors dans un réseau interconnectant l’ensemble des habitats naturels fragmentés du milieu. C’est ce que l’on nomme la trame verte et bleue.

La trame verte et bleue est formée par le réseau constitué par l’ensemble des réservoirs de biodiversité d’une région, c’est-à-dire tous les espaces naturels terrestres et aquatiques ayant une taille suffisante pour abriter une biodiversité riche et jouer un rôle écologique reconnu. Ces réservoirs de biodiversité doivent être reliés entre eux par des corridors écologiques. L’ensemble du réseau écologique ainsi constitué doit permettre aux espèces animales et végétales de se déplacer pour assurer leur cycle de vie (nourriture, repos, reproduction, migration, etc.).
La partie verte de la trame correspond aux milieux naturels et semi-naturels terrestres, et la composante bleue fait référence au réseau aquatique et humide (fleuves, rivières, zones humides, etc.). L’avantage de cette continuité écologique est qu’elle peut se superposer à des territoires très anthropisés tels que des villes.


La continuité écologique est assurée par la trame verte et bleue comprenant des réservoirs de biodiversité et des corridors écologiques. Afin de lutter contre les effets de la fragmentation et permettre la dispersion des espèces naturelles, on peut mettre en place des corridors écologiques pour relier les différents réservoirs de biodiversité, que sont les forêts, les parcs, les lacs, les zones humides, etc.
Exemple :
Les axes routiers comme les autoroutes sont un gros facteur de fragmentation des habitats. Il est possible d’amoindrir cet effet par des ouvrages d’art comme des ponts à biodiversité, aussi appelés écoducs, qui permettent la traversée de la route par la faune.

Vue aérienne d’un écoduc.
Ces ouvrages permettent le passage de la faune au travers les routes.

Les directives européennes obligent aujourd’hui les autorités à intégrer la trame verte et bleue dans la construction de tout aménagement, en particulier en ville. Les différents pays de l’UE doivent également penser les continuités écologiques d’un point de vue plus global, afin d’interconnecter les trames vertes et bleues à l’échelle du continent européen. C’est désormais un outil majeur de la lutte contre l’érosion de la biodiversité.

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