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SOERE OLA : Description du Système d'Observation et d'Expérimentation, sur le long terme, pour la Recherche en Environnement de l'Observatoire des lacs alpins

Dynamiques écologiques, réponses aux forçages globaux et poids de l’histoire dans l’état actuel des lacs : une approche multi échelles temporelles

Projet 1

Membres partenaires : CARRTEL, EDYTEM, LCME, LMGE, CHRONO-ENVIRONNEMENT, LEESU, Pôle Plans d’eau

1 Déploiement des études paléo écologiques : méta-analyses et élargissement des échelles de temps et proxies pour l’étude des impacts anthropiques et climatiques.           

L’enjeu est de pallier le manque de séries temporelles sur le très long terme (siècle et au-delà) concernant la biodiversité et les indicateurs de fonctionnement des écosystèmes lacustres, afin de faire la part entre les effets du climat et d'autres forçages (nutriments notamment) dans la trajectoire actuelle de ces systèmes.

Suite aux acquis du programme ANR Iper Retro, le déploiement des approches paléoécologiques s’inscrit maintenant dans une démarche d’élargissement à la fois en termes (i) d’échelle temporelle : l'effet du changement climatique sur les écosystèmes lacustres sera en effet abordé dans une perspective pluri décennale à pluri millénaire), (ii) de types de systèmes étudiés : les études menées sur les lacs péri-alpins seront élargies en intégrant d’autres typologies de lacs (lacs d'altitude notamment) et en s’inscrivant dans des méta-analyses notamment à l'échelle du massif alpin (thèse Rosalie Bruel 2014-2017), (iii) de proxies utilisés pour révéler les dynamiques lacustres : dans la continuité de résultats récents (e.g. Domaizon et al 2013) les analyses ADN sur les archives sédimentaires seront appliquées pour la reconstitution de la diversité lacustre plus globale (projet EC2CO REPLAY, thèse E Capo 2013-2016) et pour discriminer de nouveaux descripteurs reflétant le type et l'intensité des pratiques humaines sur les bassins versants (Projet Padenom, Univ de Savoie).

Parmi les proxies innovants, un indicateur sédimentaire permettant de reconstruire  l’évolution des teneurs en CO2 dans l’eau est proposé, afin de mieux estimer le rôle des lacs en tant que réacteurs du cycle du carbone. Le SOERE offre l’opportunité d’évaluer quelles sont, pour un même lac, les variations de concentrations en CO2 à des échelles saisonnières, inter-annuelles et, via le développement d’un indicateur sédimentaire permettant de reconstruire, a posteriori, l’évolution des concentrations de CO2 à la surface des lacs (Perga et al, sub), à l’échelle décennale ou centennale. Les premiers résultats montrent qu’au cours des dernières 150 années et sous l’influence des activités humaines, les lacs alpins, initialement neutres en carbone vis-à-vis de l’atmosphère, sont devenues des sources de CO2, même en été alors que la fixation photosynthétique du carbone y est importante (Perga et al, sub). Ces premiers résultats appellent à une compréhension mécaniste des processus en jeu à partir des données chimiques du SOERE.

Nous souhaitons également tirer profit de la capacité des sédiments des lacs alpins à avoir enregistré l'histoire des intrants atmosphériques. En effet, disséminés tout au long de la chaîne alpine, les lacs d'altitude constituent autant de dispositifs d'observation naturels en prise directe avec les flux atmosphériques tant naturels (poussières, micro-organismes) qu’anthropiques (métaux, POPs, radionucléides, nutriments, etc.). 

Ces projets se traduisent en parallèle par : 

(1) l’extension du rétro-observatoire (carottages + datations) :

Nous proposons de mener une campagne de carottages dans les Alpes pour compléter, la collection d'une quinzaine de sites déjà bancarisée par le laboratoire EDYTEM. Le doublement de cette banque d'échantillons est raisonnablement envisageable sur une période de 5 ans.

(2) l’utilisation des échantillons bancarisés

Pour retracer notamment la dynamique des nutriments, POPs, métaux, la diversité biologique. Les collections de carottes restent par ailleurs potentiellement ouvertes pour d’autres analyses non identifiées pour l’instant (démarche open science).

 

2 Poids des fluctuations climatiques : Quelles tendances observables sur les caractéristiques thermiques des lacs ? Quels impacts sur la dynamique des communautés ? 

Le changement climatique s’exerçant sur l’ensemble du système ‘bassin versant (BV) – lac’, peut induire des modifications physiques et chimiques susceptibles d’impacter les différents compartiments biologiques du lac (Anneville et al 2013, Vinçon-Leite et al 2014).

Dans le cadre de ce projet il s’agit d’utiliser les données observatoires (des 3 grands lacs péri alpins, et au-delà dans le cadre de comparaisons inter-lacs au niveau international) pour aborder les questions suivantes : Observe-t-on des réchauffements de la masse d’eau et depuis quand ? Quelles sont les relations entre températures de l’air et de l’eau? Quels sont les effets sur la profondeur de stratification, la stabilité de la colonne d’eau, les durées et l’intensité du brassage?

Ce projet est déjà initié dans le cadre GLTC (Groupe de travail international sur l’évolution des températures des lacs) via une démarche de méta-analyse ; une compilation des données de températures collectées in situ et par satellite entre 1985 et 2009 a été réalisée (Sharma et al 2015).   

En parallèle, une initiative de synthèse collaborative au sein du CARRTEL vise à l’analyse intensive des données thermiques sur les trois grands lacs (Annecy Bourget Léman) afin d’évaluer et de comparer finement leur vulnérabilité physique au changement climatique et le rôle tampon du BV dans ces évolutions. Ces trois lacs présentent en effet des différences de géomorphologie et d’hydrologie qui peuvent moduler leur réponse thermique face au réchauffement de l’air (Perga et al sub).

 

Nous nous intéressons non seulement à l’augmentation potentielle des températures mais aussi à l’impact des évènements extrêmes comme les tempêtes et les évènements climatiques chauds (projet STORMblitz initié dans le cadre du GLEON, ‘mixing events’ de NETLAKE).

Dans un premier temps, l’enjeu est à détecter et définir les conséquences de ces évènements climatiques extrêmes sur la stratification ou la déstratification des lacs (‘brassages intermittents’ ou au contraire ‘sur- stratification’). Les conséquences physiques et écologiques de tels évènements sont encore mal connues, mais aujourd’hui l’utilisation de monitoring haute fréquence permet de les détecter, d’en évaluer la fréquence, et in fine d’en étudier les impacts écologiques. Dans le cadre d’une initiative de NETLAKE menée par le CARRTEL, des outils de détection de ces évènements de brassages ou de sur-stratification intermittents seront développés, en collaboration avec le CEH de Lancaster (UK). Ces outils seront ensuite appliqués à une 20aine de lacs européens afin d’évaluer les caractéristiques rendant les lacs plus prompts à répondre significativement à ces événements climatiques extrêmes.

Les conséquences des orages estivaux sur la stratification et l’oxygénation profonde fait d’ores et déjà l’objet d’une analyse focalisée sur les lacs d’altitude (qui répondent plus aux évènements climatiques intenses qu’aux températures absolues de l’air) en s’appuyant sur les données haute-fréquence du SOERE (lacs de la Muzelle et d’Anterne ; Rodriguez, Bruel et al, in prep.).

L’impact de ces événements sur la dynamique planctonique sera par ailleurs pris en compte grâce aux données biologiques historiques (prog. STORMblitz ; e.g. Anneville et al.2015).

 

3 Impact du réchauffement climatique sur une espèce sentinelle, l’omble chevalier.

Parmi les différentes espèces de poisson des lacs alpins et péri-alpins, l'omble chevalier Salvelinus alpinus est l'espèce qui possède la limite de distribution la plus septentrionale avec des populations présentes jusqu'à plus de 80° de latitude Nord. Elle possède des exigences très strictes en termes de température et d'oxygénation des eaux (Johnson 1980). En France, il n'existe que deux populations natives d'omble chevalier - celles du Léman et du lac du Bourget - qui sont considérées comme des reliques de la dernière ère glaciaire. Ces populations se situent en limite méridionale de distribution naturelle de l'espèce. Actuellement, par exemple dans le Léman, les conditions thermiques au niveau des frayères sont proches du seuil supérieur de fonctionnalité de 8°C. Dans le contexte actuel de réchauffement climatique, il est probable que l'augmentation des températures ou une modification des dynamiques de brassage dans les lacs puissent entrainer le franchissement de ce seuil. Les travaux en cours ou prévus pour évaluer les effets du changement climatique sur l'omble chevalier, notamment dans des sites du SOERE OLA, sont :

(1) Suivi de la fraie de l'omble et de l'incubation des œufs en conditions naturelles (Léman)

Des enregistreurs de température et d'oxygène dissous ont été installés en 2014 sur une frayère active du Léman pour caractériser les conditions d'incubation. Par ailleurs, deux approches complémentaires sont mises en œuvre pour caractériser la reproduction de l'omble et l'incubation des œufs dans les frayères (i) utilisation d'une caméra subaquatique permettant de vérifier la fréquentation de la frayère (phénologie) et l'état physique de celle-ci, (ii) l'analyse des contenus stomacaux de lottes capturés sur les frayères et dans lesquels sont retrouvés des œufs d'omble dont il est possible d'évaluer le stade de développement et d'en déduire des éléments sur la fonctionnalité physicochimique de la frayère.

 (2) Evaluation de la réponse de l'omble au changement climatique en conditions expérimentales

En parallèle à cette étude de terrain, la capacité des ombles à faire face au changement climatique est évaluée en milieu expérimental en soumettant des embryons à des conditions thermiques réalistes (stressantes ou optimales) et en mesurant différents traits de vie et paramètres physiologiques.

Le couplage entre ces approches expérimentales et le suivi de conditions physicochimiques au niveau des frayères permettra de préciser l'impact du réchauffement sur les populations.

References :

Anneville, O., et al. (2009). "Influences of human activity and climate on the stock-recruitment dynamics of whitefish, Coregonus lavaretus, in Lake Geneva." Fisheries Management and Ecology16(6): 492-500.

Anneville O., Beniston M., Gallina N., Gillet C., Jacquet S., Perroud M. (2013). L’empreinte du changement climatique dans le Léman. Archives des Sciences 66:157-172.

Dubois, J. P., et al. (2008). "The impact of trophic changes over 45 years on the Eurasian perch, Perca fluviatilis, population of Lake Geneva." Aquatic Living Resources 21(4): 401-410.

Gillet, C. and P. Quetin (2006). "Effect of temperature changes on the reproductive cycle of roach in Lake Geneva from 1983 to 2001." Journal of Fish Biology69(2): 518-534.Karr J. R., 1981. Assessment of biotic integrity using fish communities. Fisheries 6: 21–27.

Lazzaro X., 2009. Rôle structurant des poissons filtreurs omnivores sur la dynamique des communautés planctoniques et les efflorescences dans les lacs tropicaux peu profonds. HDR Univ. Pierre et marie Curie – Paris 6, 115pp.

Mehner, T. 2010. No empirical evidence for community-wide top-down control of prey fish density and size by fish predators in lakes. Limnol. Oceanogr. 55(1): 203-213.

Perrier, C., et al. (2012). "Effects of temperature and food supply on the growth of whitefish Coregonus lavaretus larvae in an oligotrophic peri-alpine lake." Journal of Fish Biology81(5): 1501-1513.