Nouveau mécanisme spatial pour la coexistence des espèces d’arbres

Les ensembles de données sont très importants: avec plus de 75 parcelles de dynamique forestière permanentes dans 29 pays du monde, le Forest Global Observatory Network (Forestgeo) du Smithsonian Tropical Research Institute (STRI) fournit d’excellents inventaires forestiers pour étudier la dynamique des écosystèmes forestiers et mieux comprendre les processus qui stimulent la structure et la fonction des forêts. Sur ces parcelles de 20 à 50 hectares, chaque arbre avec un diamètre pas beaucoup plus grand qu’un crayon a été identifié, mesuré et cartographié tous les cinq ans, totalisant souvent plus de 200 000 arbres. Les deux chercheurs de l’UFZ, le Dr Thorsten Wiegand et le professeur Dr. Andreas Huth, ont examiné de plus près 21 de ces mégaplots forestiers, qui couvrent un gradient des zones tropicales aux zones subtropicales et tempérées. Leur équipe internationale a ensuite utilisé les données Forestgeo pour analyser la distribution des espèces d’arbres dans les forêts et quels processus sont responsables de leurs schémas spatiaux. « La recherche de principes simples sous-jacents à la structure spatiale et à la dynamique des communautés végétales est un défi de longue date de l’écologie théorique », explique le premier auteur Thorsten Wiegand, décrivant leur question de recherche.

Pour leurs analyses, l’équipe de recherche a examiné tous les arbres individuels de diamètre à une hauteur de sein d’au moins 10 centimètres comme dans les forêts. « Plus la parcelle de forêt était proche de l’équateur, moins il était probable que des arbres d’espèces rares avaient un arbre de la même espèce à proximité », explique Andreas Huth. Dans les forêts tempérées, en revanche, ils n’ont trouvé que de légères différences entre les espèces communes et rares. Il en résulte des changements inattendus et systématiques dans les modèles spatiaux des tropiques par rapport aux subtropiques aux latitudes tempérées. Cette constatation intrigante a immédiatement soulevé deux questions: quelles conséquences ces changements ont-ils pour la coexistence des espèces d’arbres et quels processus les provoquent?

Pour trouver des réponses à ces questions, les chercheurs ont utilisé des informations sur les mécanismes de dispersion des différentes espèces. « Environ 70 à 80% des espèces d’arbres sous les tropiques sont dispersées par des animaux, mais beaucoup moins dans les forêts tempérées », explique Thorsten Wiegand. Un autre facteur important est les champignons mycorhiziens. Ce réseau de champignons forme une relation symbiotique avec les racines fines des arbres au profit des deux organismes: les champignons fournissent aux arbres des nutriments et de l’eau, recevant du glucose en retour. « Dans les forêts tempérées, Mycorrhiza protège généralement les racines des jeunes arbres dans le quartier de grands conspécifiques contre les agents pathogènes ou les insectes », explique le chercheur de l’UFZ, le Dr Samuel M. Fischer, qui a également participé à l’étude. Dans les forêts tropicales, en revanche, ce n’est surtout pas le cas. « C’est pourquoi les graines sous les tropiques doivent s’assurer qu’elles sont dispersées loin de leurs arbres parents, un travail principalement accompli par les animaux », dit-il. La conclusion: « Dans les forêts tropicales, des mécanismes tels que la dispersion des graines par les animaux conduisent aux modèles observés, tandis que dans les forêts tempérées, les modèles sont façonnés par les champignons mycorhiziens », explique Thorsten Wiegand.

Afin de mieux comprendre les conséquences des modèles spatiaux observés pour la coexistence des espèces, les chercheurs de l’UFZ ont utilisé des simulations spatialement explicites et une nouvelle théorie mathématique. « Nous voulions savoir dans quelles circonstances les espèces d’arbres pourraient coexister », explique Andreas Huth. La coexistence stable nécessite généralement que les espèces qui sont devenues rares puissent augmenter à nouveau en abondance. Sur la base des modèles mathématiques de la dynamique des forêts, les chercheurs de l’UFZ ont développé une nouvelle formule pour décrire le taux de croissance démographique à faible abondance. Un élément clé de leur formule est un facteur de risque qui combine plusieurs facteurs d’influence. Le résultat: plus l’espèce est actuellement courante et plus les voisins de la même espèce ont, plus le facteur de risque est petit et plus la probabilité que l’espèce puisse coexister. Les espèces des forêts tempérées ont généralement un faible facteur de risque. Cependant, les facteurs de risque sont souvent plus importants dans les forêts tropicales, mais la formule comprend des facteurs supplémentaires qui compensent ce désavantage, tels que les schémas spatiaux spécifiques générés par la dispersion des graines d’animaux. « Dans l’ensemble, il s’est avéré que les espèces dans les forêts tropicales et tempérées présentent des structures spatiales optimales – mais contrastées – qui favorisent chacune la coexistence », conclut Thorsten Wiegand.

Ce mécanisme spatial nouvellement découvert fournit désormais le point de départ pour de nouvelles recherches. Thorsten Wiegand et Andreas Huth veulent développer une théorie plus générale pour comprendre la dynamique spatiale et la stabilité des forêts riches en espèces dans le cadre de leurs recherches financées par une subvention ERC avancée acquise l’année dernière. « Nous voulons étendre considérablement nos méthodes et nos analyses, par exemple en tenant compte de la taille des arbres, de l’immigration des espèces et des caractéristiques plus détaillées des espèces, ainsi qu’en utilisant des données de télédétection », dit-il. Environ 2,5 millions d’euros seront disponibles pour ce travail au cours des cinq prochaines années.