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DIVGRASSsmallPixDIVGRASS : Diversité végétale et fonctionnement des prairies permanentes

Porteur du projet : Philippe Choler, Université Joseph Fourrier, Grenoble

L’émergence de la biogéographie fonctionnelle pour l’étude des prairies permanentes

La biogéographie fonctionnelle est un nouveau champ de recherche qui pourrait permettre de mieux comprendre le fonctionnement des écosystèmes et notamment la contribution des prairies permanentes* aux grands cycles comme celui de l’eau, du carbone et de l’azote à l’échelle de la planète. Associé à l’émergence de cette jeune discipline, le groupe de travail DIVGRASS a pu déterminer, pour la première fois, la relation existant entre les caractéristiques fonctionnelles des plantes, le climat et la fertilisation en azote dans les prairies permanentes.
Rédaction : Mathilde Lagier, journaliste


Quels seront les effets du réchauffement climatique sur le stockage du carbone dans les forêts, sur la filtration de l’eau au niveau des zones humides, ou encore sur la productivité des prairies permanentes ? Pouvoir prédire les conséquences des changements planétaires sur les services rendus par les écosystèmes est l’un des défis majeurs rencontré par l’écologie aujourd’hui. Défi, qu’un tout nouveau champ de recherche pourrait permettre de relever : la biogéographie fonctionnelle. Le groupe de travail DIVGRASS a participé à l’émergence de cette discipline dans le domaine d’étude des prairies permanentes. Alors que la biogéographie classique s’intéresse uniquement à la répartition spatiale des espèces, (c'est-à-dire pourquoi telle plante pousse dans telle prairie), la biogéographie fonctionnelle prend aussi en compte leurs caractéristiques fonctionnelles, morphologiques et physiologiques. On mesurera par exemple la longueur des racines, la hauteur de la plante, la forme de ses feuilles, sa concentration en azote ou en matière sèche, le poids de ses graines, etc. Pourquoi s’intéresser à ces propriétés fonctionnelles ? Parce qu’elles jouent un rôle primordial dans le cycle des nutriments, de l’eau et du carbone au niveau des écosystèmes. La quantité d’azote présente dans les feuilles d’une plante aura par exemple un impact direct sur la production de matière organique végétale, alors que la décomposition des feuilles mortes qui recouvrent le sol dépendra de leur teneur en matière sèche (c'est-à-dire la proportion d’eau que contient une feuille). Chaque pissenlit, sauge des prés ou trèfle blanc assurera donc un certain nombre de fonctions au sein de la prairie. Et c’est l’abondance et la diversité des caractéristiques fonctionnelles de toutes les plantes poussant dans une prairie qui vont conditionner le rôle écologique de cet écosystème. « L’analyse des propriétés des plantes va nous permettre d’évaluer précisément la contribution des prairies permanentes dans les grands cycles comme le cycle de l’eau, de l’azote et du carbone et donc dans le fonctionnement global de la planète », explique Philippe Choler, chargé de Recherche au CNRS au sein du Laboratoire d'Ecologie Alpine et porteur du projet DIVGRASS.

Etude de la relation entre les fonctions des plantes, le climat et l’utilisation des terres

Comment l’environnement extérieur et notamment le climat influence-t-il les caractéristiques fonctionnelles des plantes d’une prairie permanente? On peut se demander par exemple si l’on trouvera davantage de plantes avec de grosses feuilles ou de petites feuilles sous un climat très froid, ou si la concentration en azote des feuilles d’une plante poussant dans une prairie très humide sera plus ou moins élevée que celle d’une plante vivant dans une prairie plus sèche. Plusieurs projets de recherches ont été menés par le passé mais aucun n’a pu apporter de réponse claire à ces questions. Décidé à y remédier, le groupe de travail DIVGRASS a donc mis en place une nouvelle étude. Pour cela, les chercheurs ont analysé plus de 20000 relevés botaniques issus de la base de données DIVGRASS qui rassemble des informations sur plusieurs milliers de plantes de prairie permanente. Les chercheurs se sont intéressés à quatre caractéristiques fonctionnelles des plantes : la surface des feuilles, leur concentration en phosphore et en azote et leur teneur en matière sèche. Ils ont ensuite combiné une multitude de données sur ces traits, la composition en espèces, le climat, l’apport en azote et la structure du sol. 


Ce travail présente deux avancées majeurs par rapport aux études précédentes : en plus du facteur climatique, les chercheurs ont étudié l’impact de la gestion des terres et notamment des apports en azote sur les caractéristiques des plantes. Deuxième élément innovant, les chercheurs de DIVGRASS ont travaillé à l’échelle des communautés végétales ce qui leur a permis de tenir compte de l'abondance locale des espèces et pas uniquement de leur absence ou de leur présence. Par exemple, en plus de noter la présence d’une graminée dans une prairie, les chercheurs ont aussi pris en compte le fait que cette graminée était plus ou moins abondante sur ce site. Cette notion d’abondance est très importance lorsque l’on s’intéresse aux caractéristiques fonctionnelles des espèces. « Si cette graminée est beaucoup plus présente que d’autres plantes dans la prairie, ses caractéristiques fonctionnelles auront davantage de poids dans le fonctionnement global de la prairie » explique Philippe Choler.

Grâce à cette étude, les chercheurs de DIVGRASS ont réussi à montrer un lien fort entre les caractéristiques des plantes et le climat. L’analyse des propriétés fonctionnelles des plantes a ainsi permis de révélé un gradient de stratégies chez ces plantes en fonction du climat : les plantes qui ont peu d’azote et de phosphate dans leurs feuilles poussent lentement, elles sont plus résistantes au stress, et seront donc trouvées sous des climats plutôt rudes. Au contraire, les plantes qui ont beaucoup d’azote et de phosphate dans leurs feuilles sont des plantes qui poussent rapidement et qui sont moins résistantes au stress. On les trouvera plutôt dans les prairies qui bénéficient d’un climat favorable. Entre ces deux types de stratégies extrêmes, on trouve toutes les stratégies intermédiaires. Il existe donc une relation importante entre le climat et les caractéristiques des feuilles. Qu’en est-il de l’apport en azote ? D’après cette étude, ce facteur affaiblit la relation entre le climat et les caractéristiques des plantes. Dans les sols très fertilisés, les plantes sont beaucoup moins dépendantes du climat.

Les résultats de ce travail constituent une avancée majeure dans la compréhension du fonctionnement des prairies permanentes. Ils révèlent qu’il est essentiel de prendre en compte à la fois la gestion des terres et le climat pour pouvoir prédire la répartition de la diversité fonctionnelle des plantes (c’est-à-dire leurs différentes caractéristiques fonctionnelles) dans les prairies. Un modèle explicatif inédit qui pourra être utilisé par toutes les scientifiques travaillant sur ce domaine d’étude.


Encadré :
*Prairie permanente : On appelle prairie permanente une prairie qui n’a pas été labourée durant une grande période (au moins 5 ans). Ce type de prairie est le plus souvent associé à un pâturage extensif, c'est-à-dire un faible nombre d’animaux qui, en broutant l’herbe, assurent un entretien naturel du milieu. Véritables réservoirs de biodiversité et à l’origine d’un grand nombre de services écologiques, les prairies permanentes sont des sujets d’étude très pertinents.


Publications : “The emergence and promise of functional biogeography”, Violle et al. PNAS (2014)
“The climate signal on leaf traits fades away with fertilization in temperate grasslands”, Borgy et al, PNAS (2014)