Développement d'une boîte à outils pour comprendre et prédire la dynamique spatiale et temporelle des macrophytessubmergés : application aux écosystèmes fluviaux

Because of their multiple ecological roles, macrophytes are an important component of hydrosystems, and are thus essential to conserve. However, during the summer season, high densities of submerged species cause recurrent problems in certain rivers, especially in urban areas for users and managers, and can have negative consequences for ecosystem health. In a context of global change, the overgrowth of submerged macrophytes calls for new tools to better understand the dynamics of macrophytes meadows and to predict their dynamics according to different environmental scenarios. In this context, this thesis aims to develop a toolbox accompanying a multispecific mechanistic model for the production of submerged aquatic plants, the DEMETHER model. This model simulates the spatial and temporal biomass dynamics for two common species of the mid-part of the Garonne (Myriophyllum spicatum and Ranunculus fluitans) over river section of about one kilometer. It takes into account the variability of local hydromorphological and meteorological conditions. To do this, the model requires determining certain ecophysiological parameters and having spatialized biomass data for its calibration, as well as bathymetric and substrate data.The first phase of this work then consisted in field surveys to characterize the study site and in developing numerical or experimental tools for the acquisition of these data. The first tool developed aims to monitor submerged macrophytes by remote sensing. The method explored here confirmed the potential of high spatial resolution (50 cm) multispectral imagery of Pléiades satellites, processed by machine learning algorithms, to map the distribution of macrophyte beds and quantify their biomass in situ. This approach has also led us to propose an optimized sampling strategy for macrophytes in large rivers for future investigations. This work opens up interesting perspectives for applying the method to drone imagery, and continuing its development for automated monthly monitoring. In parallel, a tool was developed for measuring physiological parameters via oximetry and applied to the two species of interest. The data obtained provide information in particular on the photosynthetic and respiratory capacities of each species in response to limiting factors (light, temperature). The second phase of this work consisted in applying the DEMETHER model to explore different climate change scenarios. Simulations of the macrophyte dynamics in terms of biomass were carried out for current thermal conditions and for a foreseeable rise in temperatures by 2041-2070. The results showed the importance of the temperature sensitivity of certain physiological processes to explain the distribution patterns of the two species studied, highlighting the interest of mechanistic modelling to understand the structuring of macrophyte communities.The first results obtained with this toolbox confirmed its functionality. However, in order to extend its application range, each of the tools developed during the thesis will need to be further improved, in particular to refine the calibration of the DEMETHER model. Specific suggestions have been made to this aim.; De par leurs rôles écologiques multiples, les macrophytes sont une composante importante des hydrosystèmes, qu’il est essentiel de conserver. Toutefois, durant la saison estivale, des densités importantes des espèces submergées entraînent des problèmes récurrents dans certains cours d’eau, notamment en milieu urbain pour les usagers et les gestionnaires, et peuvent avoir des conséquences négatives pour la santé des écosystèmes. Dans un contexte de changements globaux, les enjeux liés à la prolifération des macrophytes submergés incitent à proposer des outils permettant de mieux comprendre la dynamique des herbiers et de prédire leur évolution selon différents scénarios environnementaux. Dans cette optique, la présente thèse a pour objectif le développement d’une boîte à outils accompagnant un modèle mécaniste multispécifique de production des végétaux aquatiques submergés, le modèle DEMETHER. Ce modèle permet de simuler la dynamique spatiale et temporelle de la biomasse de deux espèces communes de la Garonne moyenne (Myriophyllum spicatum et Ranunculus fluitans), sur des tronçons d’environ un kilomètre, et tient compte de la variabilité des conditions hydromorphologiques et météorologiques locales. Pour ce faire, il nécessite de connaître certains paramètres écophysiologiques et de disposer de données spatialisées de biomasse pour sa calibration, ainsi que de données bathymétriques et de substrat.La première phase de ce travail a alors consisté à réaliser des relevés sur le terrain pour caractériser le site d’étude et à développer des outils numériques ou expérimentaux pour l’acquisition de ces données. Le premier outil développé a pour objet le suivi des macrophytes submergés par télédétection. La méthode explorée a confirmé le potentiel de l’imagerie multispectrale à haute résolution spatiale (50 cm) des satellites Pléiades, traitée par des algorithmes d’apprentissage automatique, pour cartographier la distribution des herbiers et quantifier leur biomasse in situ. Cette approche nous a par ailleurs conduits à proposer une stratégie d’échantillonnage optimisée des macrophytes en grand cours d’eau pour de futures investigations. Ce travail ouvre des perspectives intéressantes pour appliquer la méthode à de l’imagerie drone, et poursuivre son développement pour un suivi mensuel automatisé. En parallèle, un outil de mesure de paramètres écophysiologiques par oxymétrie a été développé et appliqué aux deux espèces d’intérêt. Les données obtenues renseignent en particulier sur les capacités photosynthétique et respiratoire de chaque espèce en réponse à des facteurs limitants (lumière, température). La seconde phase de ce travail a consisté en l’application du modèle DEMETHER pour l’exploration de différents scénarios d’évolution climatique. Des simulations de la dynamique des herbiers en termes de biomasse ont été réalisées pour les conditions thermiques actuelles et pour une hausse des températures prévisible à l’horizon 2041-2070. Les résultats ont montré l’importance de la sensibilité de certains processus physiologiques à la température pour expliquer les patrons de distribution des deux espèces étudiées, soulignant l’intérêt de la modélisation mécaniste pour comprendre la structuration des communautés de macrophytes.Les premiers résultats obtenus avec cette boîte à outils ont confirmé sa fonctionnalité. Toutefois, en vue d’étendre son champ d’application, chacun des outils développés durant la thèse devra encore être amélioré, notamment pour affiner la calibration du modèle DEMETHER. Des propositions précises ont été formulées dans ce sens.