Modélisation du spectre de biomasse des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Jérôme GUIET Superviseurs: O. Maury, J.C. Poggiale, P. Curry Réunion MACROES (Septembre 2013) Jérôme GUIET Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Spectre de taille: Une distribution de biomasse constante - Des petites aux grandes tailles. Illustration spectre de taille - Caractéristique d'un écosystème à un autre. Synthétise différentes échelles spatiotemporelles. Fig 1. Spectre d'abondance. La taille principal trait structurant les écosystèmes marins - Détermine la respiration, production, besoins énergétiques, les taux de mortalité. - Caractérise la structure et les flux d'énergie, notamment les relations proies/prédateurs. La taille principal trait des intéractions trophiques au niveau de la communauté. Le spectre de taille et l'analyse des écosystèmes marins: - Synthétise de nombreux traits en une dimension unique (réduction du nombre de paramètres). - Outil pour l'analyse des processus, indicateur de la santé d'un écosystème. Alternative complémentaire à l'analyse spécifique pour l'étude de processus structurant les communautés marines. Réunion MACROES (Septembre 2013) Jérôme GUIET 1 Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Facteur majeur de la dynamique - Des gènes aux communautés, à différentes échelles, avec différents processus principaux. Biomass (log) Biodiversité: Crustaceans com mu nity speci es - Des rôles divers sur le transfert d'énergie a travers le spectre (vitesse, éfficacité). Réponses à l'environnement, stabilité, adaptabilité. Primary prod Jellies spe Squids ctr um Fishes spect rum Size (log) Fig 3. De spectre spécifique à écosystème. Modélisation de la biodiversité dans les modèles de spectre de taille: Au niveau des communautés au sein d'un écosystème - Représentation des communautés par des “compartiments” séparés interagissant par le biais de puis et sources. Au niveau des espèces au sein de la communauté - Représentation des espèces par une structuration en fonction de la taille. - Interactions par prédation structurées en taille ou alléatoires - Différentiation des étapes de développement (reproduction biphasique) - Le spectre de la communauté représente la somme des contributions spécifiques. La modélisation de la biodiversité au sein du spectre de taille doit être formulée de façon générique. Réunion MACROES (Septembre 2013) Jérôme GUIET 2 Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Le modèle: Modélisation du spectre spécifique (du nombre N d'individus à V pour k) Equation logistique pour la production primaire + Pour chaque espèce k Représentation des flux d'énergie au niveau individuel en utilisant la théorie DEB Maury et al. 2013 N Reproduction Pred Growth Starv mortality i Maturity i i+1 V Fig 4. Schéma d'un individu avec le formalisme DEB. Au niveau d'un individu d'une espèce k Réunion MACROES (Septembre 2013) Jérôme GUIET 3 Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Le modèle: Modélisation du spectre spécifique (du nombre N d'individus à V pour k) Equation logistique pour la production primaire + Pour chaque espèce k Des processus additionnels au niveau de l'espèce Disease+predation mortality N Maury et al. 2013 Pred Growth Ageing mortality Starv mortality i Maturity i i+1 V Fig 4. Schéma d'un individu avec le formalisme DEB. Au niveau de l'espèce k Réunion MACROES (Septembre 2013) Jérôme GUIET 4 Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Le modèle: Modélisation du spectre spécifique (du nombre N d'individus à V pour k) Equation logistique pour la production primaire + Pour chaque espèce k Un couplage entre les espèces par prédation N k2 k1 k Pred Sélectivité en taille sur tous les individus de toutes les espèces. Introduction du “schooling” pour stabilisation Growth i i i+1 V Au niveau de la communauté Réunion MACROES (Septembre 2013) Jérôme GUIET 5 Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Résolution numérique: Schéma - Spectre de production primaire : Résolution analytique. - Spectres d'espèces : Résolution par différences finies. D'individus, à espèce, à communauté - Résolution au niveau des espèces (discrétisation numérique), le spectre de communauté est déduit par sommation des contributions spécifiques. Vérification numérique: Convergence de la discrétisation en taille Fig 5. Spectre de communauté et convergence des écarts en fonction du raffinement en taille. Réunion MACROES (Septembre 2013) Convergence de la discrétisationen espèces Fig 6. Spectre de communauté et convergence des écarts en fonction du raffinement en espèces. Jérôme GUIET 6 Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Vérification écologique: E Des niveaux de biomasse réalistes - Sorties NEMO-PISCES 1deg. - Observation grossière de la distribution moyenne de K. - Comparaison à COPEPOD2005 et 2007. K= 230 J/m 3 3 +2sd= 3540 J/m 3 - 2sd= 15 J/m K Lmin 1.E-3cm Lmax L 2.E-1cm Fig 7. Distribution de probabilité des niveaux de production primaire des sorties NEMO-PISCES. Un spectre de communauté alligné avec le spectre de biomasse à différents niveaux Pente -3 K Espèces Communauté Espèces Fig 8. Spectre de densité de biomasse à haut niveau de production primaire K. Réunion MACROES (Septembre 2013) Fig 9. Réponse fonctionelle à haut niveau de production primaire K. Jérôme GUIET 7 Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Vérification écologique: E Des niveaux de biomasse réalistes - Sorties NEMO-PISCES 1deg. - Observation grossière de la distribution moyenne de K. K - Comparaison à COPEPOD2005 et 2007. K= 230 J/m 3 3 +2sd= 3540 J/m 3 - 2sd= 15 J/m Lmin 1.E-3cm Lmax L 2.E-1cm Fig 7. Distribution de probabilité des niveaux de production primaire des sorties NEMO-PISCES. Un spectre de communauté alligné avec le spectre de biomasse à différents niveaux Pente -3 K Communauté Espèces Espèces Fig 10. Spectre de densité de biomasse à niveau moyen de production primaire K. Réunion MACROES (Septembre 2013) Fig 11. Réponse fonctionelle à niveau moyen de production primaire K. Jérôme GUIET 8 Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Vérification écologique: E Des niveaux de biomasse réalistes - Sorties NEMO-PISCES 1deg. - Observation grossière de la distribution moyenne de K. K - Comparaison à COPEPOD2005 et 2007. K= 230 J/m 3 3 +2sd= 3540 J/m 3 - 2sd= 15 J/m Lmin 1.E-3cm Lmax L 2.E-1cm Fig 7. Distribution de probabilité des niveaux de production primaire des sorties NEMO-PISCES. Un spectre de communauté alligné avec le spectre de biomasse à différents niveaux Pente -3 K Communauté Espèces Espèces Fig 12. Spectre de densité de biomasse à bas niveau de production primaire K. Réunion MACROES (Septembre 2013) Fig 13. Réponse fonctionelle à bas niveau de production primaire K. Jérôme GUIET 9 Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Vérification écologique: Pentes - Une pente de -3 en accord avec la théorie. - Ecarts et irrégularités. - A bas K: Écroulement de la communauté ? - A haut K: Role du schooling ? Et intercept - Un intersept de la communauté qui suit celui de la production primaire en accord avec la théorie. Fig 14. Pente du spectre de communauté en fonction du niveau de production primaire. - Ecarts. - A bas K: Écroulement de la communauté ? - A haut K: Role du schooling ? Fig 15. Intercept du spectre de communauté en fonction du niveau de production primaire. Réunion MACROES (Septembre 2013) Jérôme GUIET 10 Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Vérification écologique: Mortalité par espèce - Même ordre de grandeur. K max K med K min - Résultats insuffisants. - Valeurs élevées. Croissance par espèce - Même ordre de grandeur. Fig 16. Taux de mortalité par espèce comparé à des données globales (Fishbase). - Résultats insuffisants. - Valeurs basses.. K max Fig 17. Taux de croissance par espèce comparée à des données de la mer du nord. Réunion MACROES (Septembre 2013) Jérôme GUIET 11 Modélisation du spectre de taille des écosystèmes marins avec considération de la biodiversité Futur: Vérification du modèle sur des niveaux de biomasse réalistes en stationnaire: - Au niveau du spectre de communauté (pente, intercept). - Au niveau des espèces (mortalité moyenne, croissance moyenne, production d'oeufs, ratio proie/prédateur observé). Vérification du modèle en transitoire: - Schéma numérique. - Au niveau du spectre de communauté. Analyse de la sensibilité aux paramètres principaux et aux variations environmentales : - Analyse de sensibilité. - Détermination d'indicateurs. Considération des interactions spatiales (3D), simulations à l'échelle de l'océan global, scénarios. Réunion MACROES (Septembre 2013) Jérôme GUIET 12