logo INRA

Thèse : Pratiques agricoles et processus écologiques déterminants les communautés des bords de champs : approches fonctionnelles et multi-échelles

L’Anses et l’INRAE propose une offre de thèse : "Pratiques agricoles et processus écologiques déterminants les communautés des bords de champs : approches fonctionnelles et multi-échelles"

Contexte

Cette thèse est cofinancée par deux organismes publics ayant relation avec l’agriculture : l’Anses et l’INRAE. Le sujet de thèse vise à faire le pont entre les théories et analyses des métacommunautés et les pratiques agricoles. La personne recrutée devra donc avoir de fortes compétences en statistiques multivariées ainsi que de l’expérience de programmation sous R et en écologie des communautés. De la motivation pour faire du terrain sur l’un des deux groupes concernés (coléoptères ou plantes des bords de champs) seront un plus. Cette personne sera co-encadrée par deux chercheurs basés au CBGP à Montpellier qui seront en étroite collaboration avec l’étudiant⋅e : Guillaume Fried (Anses) et Christine Meynard (INRAE). Le CBGP compte également des experts taxonomiques ainsi que des ressources informatiques, des collections d’insectes, un herbier et tous les moyens nécessaires au bon déroulement de ce travail de thèse.

Contexte : L’impact de l’agriculture sur l’environnement est devenu une préoccupation majeure de notre société dans un contexte de changements globaux et de crise de la biodiversité. Le débat récent sur l’utilisation du glyphosate révèle les craintes du grand public face aux risques sanitaires associés à l’utilisation des produits phytopharmaceutiques (PPP), mais aussi le manque de données sur le suivi à long-terme de leurs effets sur l’environnement. Depuis 2008, les différentes versions du plan Ecophyto visent à une réduction de l’usage des PPP et à un meilleur suivi post-homologation des produits autorisés, notamment en évaluant leurs effets non-intentionnels (ENI). Outre le développement de populations résistantes, l’utilisation de PPP peut se traduire par des effets négatifs sur des organismes non-cibles des traitements (oiseaux, insectes auxiliaires ou pollinisateurs) et sur l’environnement voisin des parcelles. A ce titre, la flore et faune des bordures herbacées des champs pourrait constituer un bon modèle d’étude. Il s’agit du milieu semi-naturel le plus immédiatement en contact avec les parcelles et le plus susceptible d’être impacté par les pratiques agricoles. La végétation des bordures de champs joue un rôle fonctionnel important dans l’agrosystème, une zone refuge pour de nombreux organismes et elle est à la base du réseau trophique (Marshall and Moonen 2002). Les coléoptères jouent également un rôle important dans les agroécosystèmes, comme auxiliaires potentiels (coccinelles, cantharides), ravageurs (chrysomèles, charançons) ou espèce floricoles (oedemerides, buprestes).

La structure et la composition des communautés des bordures de champs dépendent aussi bien des pratiques agricoles de la parcelle voisine que de la nature des habitats voisins (Aavik and Liira 2010). Une dérive de produits herbicides peut affecter la reproduction ou la survie de certaines espèces végétales, ainsi que des animaux qui en dépendent (Pellissier et al. 2014, Bohnenblust et al. 2016). D’autres pratiques peuvent avoir une influence, comme la fertilisation, qui peut augmenter la quantité de ressources disponibles par ruissellement, ou un labour débordant à l’extérieur de la parcelle. La végétation des bords de champs dépend aussi de la gestion directe dont elle peut faire l’objet (fauches) et d’une dynamique interne (compétition interspécifique). Enfin, un paysage diversifié avec une part importante d’habitats semi-naturels peut faciliter la recolonisation des bordures par une dynamique source-puits.

La capacité à identifier des ENI de PPP sur la flore et les coléoptères nécessite donc de mieux comprendre le rôle respectif des processus écologiques (compétition, dispersion depuis les milieux voisins et filtres environnementaux à diverses échelles), des pratiques agricoles, et de leurs interactions sur la dynamique des communautés des bords de champs. Depuis 2012, le Ministère de l’Agriculture (DGAL) a mis en place un réseau de 500 parcelles (dit réseau « 500 ENI ») couvrant la France métropolitaine. L’enregistrement de toutes les pratiques agricoles et des conditions environnementales et paysagères doit permettre de mesurer des ENI sur quatre taxons indicateurs de biodiversité : les vers de terre, les oiseaux, les coléoptères et la flore des bordures de champs. Le sujet de thèse utilisera ce jeu de données qui sera complété ponctuellement par des échantillonnages additionnels pour répondre à des questions plus précises sur un gradient milieu naturel-cultivé.

Missions

Objectifs :

Les objectifs scientifiques sont d’identifier la nature et le poids relatifs des différents déterminants agricoles et écologiques qui régissent l’assemblage des communautés de plantes et de coléoptères des bordures de champs, avec pour objectif plus particulier d’isoler les effets non-intentionnels des pratiques agricoles. Pour ce faire, nous utiliserons une approche multi-échelle pour incorporer des facteurs climatiques aussi bien que des facteurs liés aux pratiques agricoles locales.

Les enjeux pratiques sont de développer des outils d’analyses et des indicateurs écologiques robustes et fiables pour un suivi à long-terme des effets non-intentionnels sur la flore à l’échelle du territoire (Alignier et al. 2018). Ceci permettra également de mieux comprendre et d’utiliser les régulations biologiques dans un contexte de gestion d’agroécosystèmes.

Avancées attendues par rapport à l’état de l’art :

S’il existe un certain nombre d’études éco-toxicologiques expérimentales mesurant l’effet d’une matière active sur quelques espèces modèles, elles restent localisées, et leur portée est réduite (Bohnenblust et al. 2016). A l’inverse, si des réseaux de suivi de la biodiversité à grande échelle se mettent en place dans les agrosystèmes (ex : Observatoire Agricole de la Biodiversité) ils n’ont pas accès aux pratiques agricoles. Le réseau 500 ENI est inédit en Europe en ce qu’il permet pour la première fois de combiner la mesure des effets des pratiques agricoles sur une large gamme d’espèces et sur un large territoire, en conditions réelles.

D’un point de vue fondamental, le projet de thèse permettra d’élucider le poids respectif des processus écologiques (filtres environnementaux à large échelle, dispersion, compétition, stochasticité), des pratiques agricoles, et de leurs interactions sur la composition et la diversité des communautés des bords de champs à différentes échelles spatiales. Ce type de résultat mesurant les ENI des pratiques agricoles sur des organismes non-cibles tout en prenant en compte une large gamme de variables et de processus écologiques est inédit à l’heure actuelle.

Description détaillée du travail :

Hypothèses de travail : L’assemblage des communautés résulte d’interactions entre des processus régionaux et locaux. Nos deux hypothèses de travail principales visent à déceler l’importance relative de ces processus à l’échelle régionale (10-1000km), du paysage (1-10km) et locale (1m-1km).

(1) Une première hypothèse concerne l’importance relative des processus structurant les métacommunautés de bordure des champs. Ici nous supposons que les grands gradients environnementaux, tels que le climat, l’altitude et les grands types de sol, établissent un premier filtre à l’échelle régionale pour limiter la composition du pool d’espèces qui peuvent potentiellement coloniser un site. Ensuite interviennent des filtres plus locaux, tels que l’utilisation des sols, les pratiques agricoles (e.g., agriculture biologique vs conventionnelle) et la configuration du paysage à l’échelle où s’effectue la dispersion. Finalement, à une échelle encore plus fine, interviennent les interactions biologiques telles que la compétition et la facilitation. Pour comprendre à quel niveau et avec quelle importance relative interviennent chacun de ces mécanismes dans les bordures agricoles, nous proposons d’utiliser une stratégie d’analyse multi-échelle qui incorpore des analyses spatialisées des préférences environnementales, de l’influence de l’autocorrélation spatiale, ainsi que des analyses de co-occurrence entre espèces et entre groupes fonctionnels (e.g., Meynard et al. 2013, Henckel et al. 2019).

(2) Une deuxième hypothèse porte sur les traits fonctionnels. Ici nous supposerons que les filtres abiotiques et biotiques sélectionnent certaines valeurs de traits. En conséquence, une convergence des valeurs de traits est attendue en réponse à des contraintes abiotiques fortes ou à des pratiques agricoles.  Ainsi, les espèces tolérant les ENI des pratiques agricoles dans les bordures auraient une gamme réduite de valeurs de certains traits (taille, surface spécifique foliaire, teneur en azote des feuilles, durée du cycle de vie) liée à un syndrome d’agrotolérance (cf. Gaba et al. 2017, Fried et al. 2018). Cependant à une échelle plus fine, la coexistence des espèces ne serait possible que par une divergence des traits pour l’exploitation des ressources (différentiation de niche) (e.g., Mouquet et al. 2012, Münkemüller et al. 2012). Une hypothèse alternative prévoit qu’en raison de l’exclusion des compétiteurs les plus faibles, une convergence des valeurs de traits peut être attendue pour les traits liés aux performances. Mais les attendus peuvent aussi varier en fonction de l’intensité de la compétition (convergence) et des perturbations comme la fauche ou la dérive d’herbicides (divergence). La caractérisation fonctionnelle des communautés permettra donc de mieux comprendre les mécanismes d’assemblage des communautés et de proposer des indicateurs de suivi pertinents en lien avec la détection d’ENI.

Matériel et méthodes:

Le projet de thèse reposera sur deux jeux de données. Au niveau national, le réseau 500 ENI assure le suivi de 500 parcelles agricoles (350 grandes cultures, 100 vignes, 50 cultures maraîchères). Dans chaque bordure, la présence-absence des espèces végétales est notée dans 10 quadrats de 1m² (2m x 0.5m) disposés en deux lots de 5 quadrats contiguës, séparés de 30 m. Les coléoptères sont échantillonnés dans la même bordure que la flore avec la méthode du filet-fauchoir à 3 périodes de l’année. Ils sont identifiés au niveau de 14 groupes fonctionnels qui correspondent aux 13 principales familles de coléoptères plus un groupe mixte. Les données sont donc disponibles au niveau espèce pour les plantes, et niveau famille/groupe fonctionnel pour les coléoptères. Nous utiliserons aussi les données du réseau Biovigilance Flore 2002-2012 qui suivait les communautés de plantes adventices dans les parcelles cultivées. Au niveau local, une vingtaine de transects seront utilisés pour mesurer plus précisément la variation des traits des espèces végétales le long d’un gradient parcelle cultivée-bordure enherbée-milieu naturel. Cette approche de terrain sera focalisée sur un type de culture, et visera à identifier de façon plus précise des espèces / traits qui ne sont pas représentés normalement sur les bordures de cultures.

Ces données seront analysées en utilisant des approches complémentaires à différentes échelles, du local au régional, en incluant des données environnementales et fonctionnelles. Sur chacune de ces échelles, nous aborderons des analyses des métacommunautés basée sur les co-occurrences des espèces, des analyse de régressions partielles combinée avec l’analyse de la structure spatiale pour séparer le rôle de l’environnement, la dispersion, et leur interaction (Meynard et al. 2013, Moritz et al. 2013, Henckel et al. 2019), et l’application des analyses antérieures par groupe fonctionnel de plantes et coléoptères, et en incluant des indices de diversité fonctionnelle et phylogénétique. Nous choisirons aussi plusieurs transects allant de milieux naturels diversifiés vers des milieux cultivés pour capturer la composition des communautés qui ne sont pas affectées directement par l’agriculture (milieux naturels) ou, à l’inverse, des espèces agro-tolérantes qui peuvent se développer même en plein milieu agricole (à l’intérieur des parcelles cultivées). Nous utiliserons ces approches pour identifier des traits associés à la vulnérabilité des espèces en milieu agricole, et pour essayer de comprendre au mieux le rôle des traits fonctionnels sur la composition des communautés le long de ce gradient naturel-cultivé (voir par ex Fried et al. 2018).

Collaborations nationales ou internationales sur le sujet : le doctorant pourra interagir au sein du GT Stats 500 ENI qui réunit des biostatisticiens, des agronomes et des écologues de l’INRAE, du MNHN et des universités, ainsi qu’avec le GDR Biostatistique au niveau national. L’étudiant(e) sera par ailleurs encouragé(e) fortement à solliciter le réseau de collaborations élargi des deux partenaires, qui inclue des experts en agroécologie, ainsi que des experts en analyses multivariées et/ou métacommunautés.

Références

Aavik, T. and Liira, J. 2010. Quantifying the effect of organic farming, field boundary type and landscape structure on the vegetation of field boundaries. – Agric. Ecosyst. Environ. 135: 178–186.

Alignier, A. et al. 2018. Ecobordure: A flora-based indicator to assess vegetation patterns of field margins and infer its local drivers. Design in Brittany (France). – Ecol. Indic. 85: 832–840.

Bohnenblust, E. W. et al. 2016. Effects of the Herbicide Dicamba on Nontarget Plants and Pollinator Visitation. – Environ. Toxicol. Chem. 35: 144–151.

Fried, G. et al. 2018. Assessing non-intended effects of farming practices on field margin vegetation with a functional approach. – Agric. Ecosyst. Environ. 261: 33–44.

Gaba, S. et al. 2017. Response and effect traits of arable weeds in agro-ecosystems: a review of current knowledge. – Weed Res. 57: 123–147.

Henckel, L. et al. 2019. On the relative importance of space and environment in farmland bird community assembly. – Plos One 14: e0213360.

Marshall, E. J. R. and Moonen, A. C. 2002. Field margins in northern Europe: their functions and interactions with agriculture. – Agric. Ecosyst. Environ. 89: 5–21.

Meynard, C. N. et al. 2013. Disentangling the drivers of metacommunity structure across spatial scales. – J. Biogeogr. 40: 1560–1571.

Moritz, C. et al. 2013. Disentangling the role of connectivity, the environment, and spatial structure in a marine metacommunity. – Oikos 122: 1401–1410.

Mouquet, N. et al. 2012. Ecophylogenetics: advances and perspectives. – Biol. Rev. 87: 769–785.

Münkemüller, T. et al. 2012. From diversity indices to community assembly processes: a test with simulated data. – Ecography 35: 468–480.

Pellissier, L. et al. 2014. Herbicide and fertilizers promote analogous phylogenetic responses but opposite functional responses in plant communities. – Environ. Res. Lett. 9: 024016.

Voir aussi les sites web des co-encadrants :

Christine N Meynard : https://sites.google.com/site/cnmeynard/home

Guillaume Fried : http://s614510234.onlinehome.fr/

Profil recherché

  • Spécialisation en écologie et/ou agronomie,
  • Compétences approfondies en analyses de données, bonne maitrise du logiciel R,
  • Rigueur, curiosité, autonomie,
  • Connaissances en botanique et/ou entomologie appréciées.

Poste et conditions

L’étudiant⋅e doit être titulaire d’un Master 2 et devra s’inscrire à l’Ecole Doctorale Gaïa de l’Université de Montpellier. La bourse Anses – INRAE couvre le salaire du⋅de la doctorant⋅e pour 36 mois.

Modalités de candidature

Envoyez votre CV, lettre de motivation, relevés de notes de M1 et M2, ainsi que le nom de 3 personnes pouvant servir de référence avant le 30 janvier 2020 à christine.meynard@inrae.fr et à guillaume.fried@anses.fr en marquant sur le sujet « candidature thèse doctorale ». Les dossiers de candidature reçus après le 30 janvier seront considérés au fur et à mesure de leur réception si la position n’est pas encore pourvue.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *