Section 30 Surface continentale et interfaces

IV. Paléoécologie et paléoenvironnements

A. Enjeux et difficultés

Ces dernières années, les recherches portant sur l'étude des processus au sein des communautés et des écosystèmes, quantifiant les interactions émergentes entre les compartiments biotiques et abiotiques qui se mesurent sur le temps long (> 10 ans) se sont très fortement développées. Ces questionnements abordent les relations productivité-biodiversité, les substitutions ou changements fonctionnels de taxons, les interactions entre assemblages bio- ou géo-indicateurs et perturbations et les interactions entre perturbations. L'évaluation de la productivité est toutefois un enjeu majeur, tant que les biomasses, diversités et perturbations resteront difficiles à reconstruire, de la placette au terroir.

L'amélioration du traçage des paléoenvironnements passe par une meilleure prise en compte de la variabilité spatiale et temporelle des processus mis en jeu. En effet, l'étude de certains processus continentaux écologiques et biogéochimiques demande de documenter des périodes de temps courtes et des périodes de temps pouvant aller jusqu'au million d'années, voire au-delà. Une bonne compréhension des cycles glaciaires-interglaciaires et de leur mise en place requiert des études quaternaires et pré-quaternaires. De la même façon, comprendre le fonctionnement et le rôle de la Zone Critique (cf. chapitre II) sur l'évolution climatique et biogéochimique de la surface de la Terre peut nécessiter une ouverture à des échelles de temps très variables, allant de l'échelle infra-annuelle aux millions d'années. Les couplages entre érosion, altération chimique, végétation et évolution climatique sont explorés à l'actuel sur les bassins versants équipés, mais l'étude de ces systèmes dans le cadre d'événements du passé est indispensable pour tester les hypothèses avancées et appréhender le spectre complet des rétroactions sur une large gamme d'échelles de temps.

En parallèle, notre communauté s'est attelée au cours de la dernière décennie à retracer les changements majeurs caractérisant la période quaternaire à différentes échelles de temps (e.g., interannuelle, saisonnière, centennale, millénaire) et d'espace (locale à régionale, voire interrégionale). Certains événements méritent en effet un effort de l'ensemble de la communauté. Il s'agit notamment de quantifier la variabilité environnementale au cours (i) de la transition mi-Pléistocène où de nombreux changements apparaissent en terme d'amplitude et fréquence du phénomène glaciaire, (ii) des cycles glaciaires-interglaciaires, (iii) des transitions et des événements climatiques rapides, et (iv) de l'Holocène et des deux derniers millénaires. Les événements que l'on veut appréhender peuvent être continus (ou pas), rapides ou abrupts (e.g., changement climatique, seuils). Afin d'intégrer les variations des écosystèmes sur le long terme et d'appréhender les variations de fonctionnement des écosystèmes pour les périodes clés du passé, il est primordial que notre communauté scientifique se focalise davantage sur ces phénomènes multi-échelles temporelles et spatiales et sur l'ajustement des différentes échelles entre elles.

Depuis 4 ou 5 ans, on observe un développement des recherches portant sur les questions liées à l'impact potentiel des activités humaines sur la dynamique et le fonctionnement des écosystèmes en termes de processus. Ces études visent (i) à prendre en compte et quantifier les impacts respectifs des changements climatiques et des activités anthropiques sur les différents milieux et la résilience de ces derniers et (ii) à comprendre et approfondir les relations entre changements environnementaux et sociétés humaines, en particulier au cours des derniers 10 000 ans et pour les périodes plus récentes par lesquelles il est possible de faire un lien avec les sciences archéologiques et historiques. Des études récentes sont focalisées sur le développement de traceurs univoques de l'activité humaine au cours de l'Holocène, tels que les marqueurs de plantes cultivées.

B. Forces et défis

Approfondir notre connaissance des processus régissant les SIC est indispensable dans le contexte actuel de changement global. Ceci requiert un aller-retour constant entre l'actuel et le passé, qui est de plus en plus pris en compte et a permis de réels progrès ces dernières années dans la compréhension des écosystèmes actuels et passés.

La calibration sur l'actuel des marqueurs biotiques et abiotiques est indispensable pour réduire les incertitudes inhérentes à toute reconstitution paléoenvironnementale. À titre d'exemple, la calibration du millet cultivé en milieu contrôlé permet désormais de relier la composition isotopique en hydrogène de la miliacine avec certains paramètres climatiques. De la même façon, réfléchir en termes de biodiversité, biomasse ou productivité des écosystèmes est primordial dans l'étude des processus et demande également un effort de calibration. Cette étape de calibration passe par l'expérimentation en conditions naturelles et par le développement de modèles mathématiques reliant variables environnementales et traceurs. Pouvoir disposer de données actuelles mesurées est indispensable à cet égard, la mise en place de sites instrumentés permettant l'acquisition continue de données clés (paramètres météorologiques et variables environnementales) sur plusieurs années.

Distinguer le signal lié aux activités anthropiques du signal écologique et/ou climatique dans les enregistrements sédimentaires reste aujourd'hui encore un défi. Les nouveaux marqueurs géochimiques, chimiques ou biologiques et les biomarqueurs moléculaires indubitablement liés à certaines activités humaines (e.g., cultures ou pastoralisme) qui émergent actuellement présentent un fort potentiel dans ce domaine.

Un défi concerne l'acquisition d'enregistrements de type multi-indicateurs. Il s'agit de pratiquer différentes analyses paléoenvironnementales (e.g., analyse de végétation vs perturbations, niveaux lacustres, biomarqueurs moléculaires, analyses sédimentologiques et granulométriques ou autres marqueurs biotiques et abiotiques) à partir de la même archive (carottes de sédiments, tourbes ou sols) pour mieux comprendre la variabilité des résultats issus de ces données.

Au sein d'études multi-proxies, il apparaît indispensable de miser sur des approches couplant les marqueurs paléoclimatiques et paléoécologiques classiques et les indicateurs émergents ou sous-représentés en France (e.g., spéléothèmes, thécamoebiens, diatomées, chironomes ou autres arthropodes). L'utilisation d'indicateurs classiques (e.g., pollens ou cernes des arbres) est légitime et reste nécessaire car leurs méthodes d'interprétation ont elles aussi beaucoup progressé ces dernières années avec l'apport de la haute résolution temporelle, des approches intégrées et des traitements mathématiques appliqués : ces indicateurs sont robustes et le recul que l'on possède désormais permet d'interpréter au mieux le signal qu'ils représentent. Des marqueurs récemment développés ou en cours de développement en France offrent des perspectives nouvelles et prometteuses. Il s'agit de l'analyse des isotopes de l'hydrogène sur des molécules individuelles extraites de végétaux, de sédiments, de sols et de roches qui permettent de retracer les régimes hydriques. Il s'agit aussi de l'utilisation récente de l'ADN dans les archives sédimentaires en tant que nouvelle source d'information sur l'évolution des écosystèmes. Il s'agit encore du développement de biomolécules qui sont d'excellents indicateurs organiques de température de surface marine. D'autres marqueurs organiques nouvellement développés, comme les tétraethers (MBT/CBT, BIT) et les n-alkanes à longues chaînes utilisés comme traceurs de végétation, permettent une reconstruction quantitative des températures (et du pH) directement comparable aux reconstitutions paléoclimatiques basées sur d'autres marqueurs. Enfin, de nouveaux marqueurs sont basés sur le dépôt et l'accumulation d'excréments d'animaux en région aride et d'amas coquillers en milieu intertropical.

Un autre défi réside dans l'acquisition et l'étude de nouvelles séquences, en particulier dans des zones géographiques où les données manquent. Il faudrait en effet cibler des séquences clés dans des zones prioritaires (e.g., interfaces climatiques et d'écotones, milieux tropicaux et subtropicaux d'Afrique et de Guyane, milieux méditerranéens continentaux terrestres, côtiers et lagunaires). Focaliser notre effort sur ces chantiers ainsi que sur des questions bien précises (en s'éloignant un peu de l'approche séquentielle utilisée jusqu'à présent de façon trop systématique) peut s'avérer particulièrement précieux pour (i) mieux comprendre le fonctionnement de ces écosystèmes peu documentés, (ii) favoriser les comparaisons interrégionales pour appréhender les mécanismes et les processus dans leur globalité et comprendre les téléconnexions, souvent climatiques, et (iii) disposer de données à haute résolution temporelle permettant la comparaison avec les modèles.

Parallèlement aux défis scientifiques évoqués précédemment, des défis méthodologiques ont émergé au cours de la dernière décennie, dont le but est de repousser les limites analytiques ou conceptuelles des méthodes utilisées par les sciences paléoenvironnementales. Ainsi l'un des défis actuels est de mesurer de façon optimale (et de réduire) les incertitudes des reconstructions basées sur les différents indicateurs ainsi que celles des simulations issues des modèles. Ce type d'étude est rare, mais indispensable pour améliorer leurs estimations. Un autre défi est de repousser les limites des techniques de datation. La datation est un élément essentiel en paléoécologie, permettant d'accéder à la haute résolution temporelle prônée par la plupart des études récentes. La France possède une expertise forte dans la datation à l'échelle du siècle, par l'analyse des radioéléments à courte vie (e.g., 210Pb et 137Cs). Les datations par téphrachronologie, paléomagnétisme et géochimie isotopique (osmium, isotopes cosmogéniques 10Be, 36Cl, U/Th) permettent dorénavant un meilleur contrôle chronologique. Il s'agira également d'approfondir les modèles mathématiques âge-profondeur et de comparer différentes approches de datation sur les mêmes séquences.

Sur cette base et pour répondre à des demandes scientifiques de plus en plus pointues, la communauté se doit de développer son parc technologique et analytique grâce (i) au regroupement des moyens sous forme de plateformes locales ou régionales et (ii) au développement de nouveaux outils et équipements, notamment en géochimie isotopique (ASTER-CEREGE). L'élaboration de bases de données doit encore être poursuivie avec, pour le passé plus lointain, l'établissement de bases de données isotopiques ou sédimentologiques présentant une résolution spatiale sur les continents et les marges continentales. De la même façon, des moyens financiers pour le fonctionnement des bases de données existantes (e.g., EPD) devraient être dégagés au niveau national.

C. Faiblesses et verrous

Le développement des nouveaux indicateurs est particulièrement prometteur et permettra d'avoir enfin accès à des paléothermomètres directs et quantifiés. Toutefois, beaucoup reste à faire dans la calibration de ces marqueurs et dans la compréhension du signal qu'ils représentent. Des calibrations sont également nécessaires pour améliorer la géochimie des éléments difficiles à appréhender jusqu'ici comme les terres rares, les isotopes du silicium et du carbone, notamment pour l'étude des sols, de l'érosion des bassins, de la productivité des systèmes et des transferts.

Les études multi-proxies, de plus en plus nombreuses, doivent être encouragées. Ces études privilégient systématiquement la haute résolution temporelle. L'exploration de la haute résolution temporelle et spatiale est en effet nécessaire pour traquer les événements rapides et pour établir des ponts entre scientifiques et gestionnaires des ressources ou des territoires permettant de dialoguer sur des objets spatialement et temporellement communs. Ces études requièrent de nombreuses datations qui peuvent rapidement se révéler onéreuses. Il ne faut en aucun cas occulter ces problèmes de datations et peut-être demander l'amélioration du service national de datation par le 14C qui, avec des moyens et des personnels supplémentaires, permettrait de répondre à la demande de datation, actuellement forte au sein de la communauté des paléoenvironnementalistes.

L'analyse multi-marqueurs des archives sédimentaires pourrait être pratiquée de façon quasi-systématique, notamment en structurant davantage la communauté scientifique au travers de projets financés. Force est de constater que les études visant à améliorer notre compréhension du fonctionnement des écosystèmes au cours du temps n'ont encore que peu accès aux financements européens. Or, depuis la disparition des programmes Éclipse et Paleo2, les financements sont souvent limités à l'ANR, dont le taux de succès extrêmement bas constitue un véritable frein pour les recherches rétrospectives ou paléoenvironnementales.

Un dernier verrou important est le cloisonnement de la recherche au sein des différentes communautés de paléoenvironnementalistes. Ce décloisonnement peut se faire au travers de programmes de recherche communs financés qui permettront l'acquisition de résultats plus robustes et l'ouverture de nouvelles perspectives de recherche, essentielles dans le contexte actuel d'évolution climatique. Outre la connexion évidente avec les modélisateurs du climat et avec les communautés SHS (archéologues et historiens), il faut continuer à créer du lien entre les chimistes, les archéologues, les biologistes, les écologues, les sédimentologues et les géologues tout en intégrant et en croisant les résultats issus des disciplines émergentes (e.g., biomarqueurs moléculaires). Ceci implique un réel effort de collaboration, qui doit être encouragé.