L’Anthropocène : Le défi de la multiplicité des impacts sur les écosystèmes marins

L’Anthropocène : Le défi de la multiplicité des impacts sur les écosystèmes marins

L’Anthropocène et ses conséquences pour les écosystèmes

Tout au long de son histoire, la Terre a traversé de nombreuses époques géologiques, chacune caractérisée par leurs particularités biogéochimiques. La Terre a donc cheminé depuis l’Hadéen jusqu’à l’Holocène il y a à peu près 12000 ans. Cependant en 2000, Monsieur Paul Crutzen, vice-président du programme international sur la géosphère et la biosphère (IGBP en anglais), proposa que la terre eût quitté l’époque de l’Holocène et était entrée dans l’Anthropocène (Crutzen, 2002). Cette transition vers l’Anthropocène coïncide avec l’avènement de l’ère industrielle au milieu du 18ème siècle, marqué par l’invention de la machine à vapeur en 1784 par James Watt. Cela suppose, qu’à partir de la révolution industrielle, dans les années 1800, la Terre entre dans une phase de changements drastiques par rapport à l’Holocène. Ces changements coïncident avec une importante augmentation de l’activité humaine sur Terre. Ceci se reflète dans le nom choisi pour l’époque, avec Anthropo du grec anthropos qui veut dire « être humain » et cène du grec kainos qui veut dire « nouveau », relatif à l’époque géologique. Même si le point de départ exact de l’Anthropocène est encore débattu (ex. Steffen et al. 2015), les signes de son commencement sont indéniables et biens reconnus.

Le début de l’Anthropocène se caractérise par une modification importante de multiples indicateurs de la structure et du fonctionnement du système biogéochimique terrestre. Ces indicateurs sont très nombreux et témoignent de la grande diversité des effets de l’homme moderne sur la Terre. Ces indicateurs sont également corrélés à l’augmentation d’indices de l’activité humaine sur Terre. Ainsi, on observe depuis le 19ème siècle, jusqu’à aujourd’hui : une importante augmentation de la population humaine sur Terre, une urbanisation toujours plus élevée, un accroissement continue du transport sur Terre (routier, aérien, maritime), une augmentation de l’utilisation de fertilisants pour l’agriculture, une augmentation de l’utilisation de l’eau mais également une augmentation d’un très grand nombre d’autres indices relatifs au développement des sociétés humaines. Ceci s’accompagne d’une modification importante des concentrations en gaz à effet de serre dans l’atmosphère, d’une augmentation de la température globale de la Terre, d’une augmentation des concentrations en nutriments dans les eaux côtières et lacustres, d’une augmentation de l’utilisation des sols, de la dégradation des habitats, et des captures liées à la pêche ainsi que de nombreux autres indicateurs. Ces tendances indiquent que nous sommes entrés dans une phase de grande accélération. Il existe un grand nombre de preuves qui montrent que les changements dans la structure et le fonctionnement du système terrestre sont principalement dus aux activités humaines (Steffen et al., 2015).

Avec un peu plus de 50% de la population mondiale vivant à moins de 200 kilomètres des côtes maritimes (Creel, 2003), cette grande transformation va fortement impacter les systèmes maritimes, depuis les estuaires, jusqu’aux côtes et aux océans. Les hommes ont ainsi impacté près de 87 à 90% de la surface globale des océans (Halpern et al., 2015). On estime qu’en 2010, les populations de poissons avaient décliné de 38% par rapport aux années 1970 (Hutchings et al., 2010), et que la surface en « habitat côtier exceptionnel » avait chuté de deux tiers (des habitats comme les mangroves, les herbiers marins, les récifs coraliens : Lotze et al. 2006). Cela a conduit à des pertes de biodiversité mondiale comparables aux précédentes grandes extinctions de masse sur terre (Ceballos et al., 2015). Ceci est le résultat des nombreuses activités humaines et leurs effets sur les écosystèmes marins. La pêche est l’activité humaine principale qui impacte les écosystèmes marins (Jennings and Kaiser, 1998; Bell et al., 2017). C’est pour cette raison que les captures des pêcheries mondiales sont souvent utilisées comme indicateur de l’activité humaine en mer. Mais la pêche n’est pas la seule activité humaine à fortement affecter les organismes des océans et des mers. Les systèmes marins sont également victimes de pollutions en tous genres, du transport maritime, de la bétonisation des côtes mais également des fonds marins, de l’aquaculture et d’un bon nombre d’autres activités (Griffiths et al., 2005; Brander et al., 2010). L’augmentation du nombre d’impacts sur les systèmes marins ne semble d’ailleurs pas prête de s’arrêter. On estime ainsi que la part de la population mondiale vivant près des côtes va augmenter dans le futur (Creel, 2003). De plus, de nombreux projets cherchent à « mieux exploiter le milieu marin» comme on peut le voir à travers les projets « Pavillon Bleu » (https://www.pavillonbleu.org/) ou encore « Plan bleu » (https://planbleu.org/) mais également le PPR « Océan et Climat » (Programme Prioritaire de Recherche piloté par le CNRS et l’Ifremer). Ceci peut être attribué à l’épuisement des ressources continentales, poussant l’homme à exploiter de nouveaux milieux, ici la mer (McCauley et al., 2015). Ainsi, de nouvelles activités fleurissent dans tous les océans à travers de grands projets d’énergie marine renouvelable (EMR, ex. Nachtane et al. 2018), des projets d’exploitation de minerais rares dans le fond des océans (Paulikas et al., 2020; Mukherjee et al., 2021) et bien d’autres.

Un autre élément vient se rajouter à cette multiplicité des activités humaines : le changement climatique. En effet, les activités humaines n’impactent pas uniquement les espèces à travers leurs actions directes (mortalité des espèces par capture, modification des cycles biologiques par la pollution, destruction des habitats par la bétonisation), elles les impactent aussi de manière indirecte. Les activités humaines émettent en effet des gaz à effet de serre, gaz qui ont un effet sur le climat et donc sur l’environnement. Ainsi, le changement climatique a une grande variété d’effets sur les espèces marines et donc sur les écosystèmes (Hoegh-Guldberg and Bruno, 2010). L’effet principal du changement climatique passe par une modification de la température atmosphérique, qui va elle-même modifier la température des eaux. Cette modification de la température des eaux a de nombreux effets sur les espèces marines. Une modification de la température des eaux peut modifier la distribution des espèces en fonction de leur préférence bioclimatique (Raitsos et al., 2010; Hastings et al., 2020), mais également modifier leur rythme physiologique (Brierley and Kingsford, 2009; Byrne, 2011). Cette modification des rythmes physiologiques des espèces peut être soit lié à une modification du métabolisme des espèces (effet de la température sur la cinétique métabolique des espèces) ou bien à un dérèglement des rythmes saisonniers des espèces, de par une modification des températures saisonnières. La température peut impacter d’autres paramètres environnementaux comme la densité des eaux, qui joue un rôle majeur dans la stratification verticale de la colonne d’eau (Capotondi et al., 2012). La température des eaux agit aussi sur la solubilité de l’oxygène et donc sur sa concentration dans l’eau (Matear et al., 2000). L’effet du changement climatique sur la chimie de l’eau ne s’arrête pas uniquement à la concentration en oxygène, le changement climatique peut également impacter d’autres paramètres. D’abord, les gaz à effet de serre responsables du changement climatique peuvent, comme l’oxygène, se dissoudre dans l’eau, modifiant ainsi le PH des eaux (Harrould-Kolieb and Herr, 2012). Cette modification de l’acidité des eaux peut avoir un impact important sur les organismes calcifiants, comme certaines espèces de phytoplanctons (Flynn et al., 2012). Le changement climatique est également capable de modifier la salinité des eaux, à travers la fonte des glaces aux pôles, mais également à travers un changement des rythmes pluviométriques (Durack and Wijffels, 2010). Toutes ces modifications environnementales ont/vont avoir un effet direct sur les espèces marines en plus des effets de chacune des activités humaines.

Le cumul d’impacts et les effets cumulés en résultant

Le concept d’effet cumulé résultant du cumul de multiples facteurs de changement est un concept utilisé dans de nombreux domaines de la science. Ceci rend donc difficile la traçabilité d’une origine commune au concept. Les premières traces de la notion de cumul en écologie apparaissent dans les années 1970. Le cumul d’impacts est à ce moment déjà connu en médecine et est souvent cité en lien avec l’effet d’éléments toxiques sur la santé d’organismes (Dubos, 1964). Le cumul est donc très tôt apparenté aux potentiels risques liés à l’interaction de plusieurs éléments possiblement néfastes, pouvant agir ensemble vers la dégradation d’un système (en médecine et biologie : un organisme). De plus, le cumul d’impacts apparait dès ses origines comme intrinsèquement lié à la notion de connectivité et à une vision intégrative des systèmes (Dubos, 1964) : pour étudier le cumul d’impacts, une vision plus globale est nécessaire, car on ne regarde pas uniquement l’effet de A sur X, mais également l’effet de B, C jusqu’à N sur X .

La notion d’effet cumulé apparait en écologie dans les années 1970, en Amérique du Nord, suite aux préoccupations du public face aux impacts environnementaux de la planification des territoires (Cobourn, 1989). Cette préoccupation a reçu un soutien institutionnel avec la promulgation de l’acte américain sur l’environnement (U.S. National Environmental Policy Act, or NEPA). C’est à la suite de la promulgation de la NEPA que l’évaluation des impacts environnementaux, dans le cadre de projets de planification, devient une pratique courante (Cocklin et al., 1992a). C’est dans le cadre de la NEPA qu’en Amérique du Nord, dans les années 1970, les gestionnaires de l’environnement mettent en avant la notion de gestion et d’évaluation des effets cumulés. Ils mettent alors en évidence qu’un projet devrait être proposé en fonction de son emplacement et en relation avec les autres usages environnants, ceci afin de limiter les risques de pollution, de compétition ou d’autres interactions néfastes entre les différents usages (https://www.iaia.org/index.php). C’est donc le conseil pour la qualité de l’environnement (CEQ) qui, dans le cadre de la rédaction de directives pour l’évaluation des impacts environnementaux (environmental impact assessment ou EIA), cite pour une des premières fois la notion d’effet cumulé sur les écosystèmes. Les effets cumulés sont alors définis comme :

« Impact sur l’environnement qui résulte de l’effet incrémental d’une action lorsqu’elle est rajoutée à d’autres actions passées, présentes et raisonnablement prévisibles dans le futur, quelle que soit l’agence (fédérale ou non) ou la personne qui entreprend ces autres actions.

Les impacts cumulatifs peuvent résulter d’actions individuellement mineures, mais collectivement significatives, qui se déroulent sur une période donnée. » (CEQ, cité dans Cobourn 1989, p. 268) .

Par la suite, c’est dans les années 1980 et 1990 que le concept de cumul d’impacts prend racine en écologie. Le concept d’évaluation des effets cumulés ou “cumulative effect assessment” en anglais (CEA), est donc d’abord utilisé à des fins pratiques pour la gestion des territoires, puis à des fins plus académiques pour la recherche scientifique. Alors que les gestionnaires sont plus perturbation-centrés, s’intéressant aux impacts des perturbations sur un système et sur les usages qui en résultent (ex. Spaling and Smit 1993), les chercheurs se concentre d’avantage sur les effets et sur les mécanismes produisant ces effets (ex. Breitburg et al. 1998; Folt and Chen 1999). L’évaluation des effets cumulés étant encadrée par la loi américaine, puis canadienne (Canadian Environmental Assessment Research Council (CEARC) and U.S. National Research and (NRC), 1986; Canadian Environmental Assessment Research Council (CEARC), 1988), de nombreuses études ont être mises en place pour étudier le cumul d’impacts sur les écosystèmes terrestres (ex. Gillespie et al. 1980; Johnston et al. 1988; Ross 1990). Le concept a par la suite été exporté vers de nombreux autres pays, devenant une évidence dans beaucoup de programmes de planification (Commission for the Environment, 1981; Cooper and Sheate, 2002).

Table des matières

INTRODUCTION
I Introduction
1 L’Anthropocène : Le défi de la multiplicité des impacts sur les écosystèmes marins
1.1 L’Anthropocène et ses conséquences pour les écosystèmes
1.2 Le cumul d’impacts et les effets cumulés en résultant
1.3 Approche fonctionnelle et gestion des écosystèmes
1.4 Le cumul d’impacts sur le fonctionnement des écosystèmes
2 Les études en baie de Seine
2.1 Les caractéristiques de la baie de Seine
2.2 Les activités humaines en baie de Seine
2.3 Les études d’impacts du parc éolien offshore de Courseulles-sur-Mer
3 Objectifs de la thèse
II Chapitre 1 : Cumulative effects of marine renewable energy and climate change on ecosystem properties: Sensitivity of ecological network analysis
Résumé
Abstract
1 Introduction
2 Materials and methods
2.1 Study area
2.2 Cumulative impact models
2.2.1 Wind farm effect on the food web
2.2.2 Climate change simulation
2.2.3 Ecological network analysis
2.2.4 The different types of cumulative effects
2.2.5 Statistical comparison
3 Results
3.1 Reef effect on the food web
3.2 Effects of climate change on the food webs before offshore wind farm construction
3.3 Combined effects of climate change and of an offshore wind farm on the food web
3.4 Changes in the structure and functioning of the food web
3.5 Cumulative effects on ENA indices
4 Discussion
4.1 The structuring role of the reef effect
4.2 Role of the group impacted by climate change in the response of the ecosystem
4.3 Understanding the mechanism behind the unexpected effect of the cumulative impact
4.4 Ecological network analysis indices: sensitive tools to manage the cumulative impact of the REEF and climate change effects
Acknowledgements
III Chapitre 2A : Spatialized ecological network analysis for ecosystembased management: effects of climate change, marine renewable energy and fishing on ecosystem functioning in the Bay of Seine
Résumé
Abstract
Highlights
1 Introduction
2 Materials and methods
2.1 Study area
2.2 Food web modeling
2.3 Effect of climate change on species distribution
2.4 Fishing scenarios
2.5 Offshore wind farm
2.6 Ecological network analysis
2.7 Statistical analysis
3 Results
3.1 Regionalization of the model
3.2 Effects of climate change and fishing on the functioning and organization of the system
3.3 Effect of the offshore wind farm on the system
4 Discussion
4.1 Climate change and species distribution: consequences on food web functioning
4.2 ENA indices in fishing scenarios
4.3 Effect of the offshore wind farm on the extended bay of Seine
Conclusion
Acknowledgements
IV Chapitre 2B : An ecosystem wide approach for assessing the spatialized cumulative effects of local and global changes on coastal ecosystem functioning
Résumé
Abstract
Highlights
1 Introduction
2 Materials and methods
2.1 Study area
2.2 Ecospace spatialized food web modeling
2.3 Modeling of anthropogenic drivers: effects of climate change, fishing and the offshore wind farm of Courseulles-sur-Mer
2.4 Ecological network analysis
2.5 Functional & structural regions of the extended Bay of Seine
2.6 Assessment of cumulative effects
2.7 Comparison of additive effects and combined effects
3 Results
3.1 Cumulative effects in the eBoS regions
3.2 Spatial cumulative effects
4 Discussion
4.1 Mapping of cumulative effects using ecosystem approaches
4.2 Cumulative effects and climate change
Conclusion
Acknowledgements
V Chapitre 3 : An ecosystem approach based on ecological network analysis to quantify ecosystem services supply in scenarios combining climate change and an offshore wind farm
Résumé
Abstract
1 Introduction
2 Materials and methods
2.1 Study area
2.2 Spatial food web modeling of the eBoS using Ecospace
2.3 Ecological drivers modeling
2.4 Ecosystem services quantification
2.5 Mapping and evolution of ES supply in the eBoS
3 Results
4 Discussion
4.1 Food web model: toward a more ecosystem-based approach of ecosystem services
4.2 Climate change effect on the ecosystem services supply of the eBoS
4.3 Offshore wind farm effect on ecosystem services supply in the eBoS
4.4 The combined effects of both drivers
limits and perspectives
VI Discussion générale
CONCLUSION

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