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Last update: May 2021

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UMR CARRTEL

Centre Alpin sur les Réseaux Trophiques et Ecosystèmes Lacustre

Sujet de thèse : Dynamiques non-linéaires des écosystèmes lacustres : des chroniques paléolimnologiques aux scénarios de changements globaux (EDM_PALEO)

Des chroniques paléolimnologiques aux scénarios de changements globaux (EDM_PALEO)

Sujet de thèse : Dynamiques non-linéaires des écosystèmes lacustres
Thèse proposée à l'UMR CARRTEL pour 2022

RESUME / ABSTRACT 

Le projet EDM_PALEO propose d’utiliser les informations conservées dans les archives sédimentaires lacustres afin de reconstituer la dynamique à long-terme (200-1000 ans) de l’état écologique des écosystèmes lacustres et d’identifier l’impact des forçages anthropiques locaux (e.g. émission de nutriments) et globaux (climat) sur leurs dynamiques par le biais de modélisation dynamique empirique (EDM). L’EDM se base sur la reconstruction d’espaces de phase (attracteurs) en lien avec les théories des systèmes dynamiques et permet de contourner les contraintes liées aux approches déterministes basées sur des équations mécanistes. Deux indicateurs clés caractérisant l’état écologique des écosystèmes lacustres seront considérés (i.e. oxygène profond et phytoplancton) et confrontés aux dynamiques climatiques et d’eutrophisation afin d’établir des schémas de causalité et de quantifier la variabilité temporelle des interactions indicateur-forçage. Des scénarios de changements de forçages anthropiques seront établis pour évaluer la vulnérabilité écologique des lacs aux changements environnementaux futurs. Les investigations seront déployées au niveau national et international pour bénéficier de différentes échelles spatiales et temporelles d’analyses. 

The EDM_PALEO project aims at reconstructing the long-term trajectories (200-1000 years) of lake ecological states (conditions?) using sediment archives to decipher the respective influence of local (nutrients) and global (climate) anthropogenic forcings on their dynamics using empirical dynamic modeling (EDM). EDM is based on state space reconstructions in connection with dynamical system theories and enables to overcome constraints related to mechanistic equation-based approaches. Two key indicators characterizing the lake ecological states will be considered (deep oxygen and phytoplankton) and confronted to climatic and eutrophication dynamics in order to establish causality patterns and quantify the temporal variability indicator-forcing interactions. Scenarios of global changes will be established to assess the ecological vulnerability of the lakes to future environmental changes. The investigations will be deployed at the national and international level to benefit from different spatial and temporal scales of analysis. 

PROJET DE RECHERCHE DETAILLE 

Le projet EDM-PALEO se propose d’étudier les dynamiques à long terme de deux caractéristiques fondamentales de l’état écologique des écosystèmes lacustres (oxygène profond et phytoplancton) par le biais des chroniques paléolimnologiques obtenues à partir de l’étude des archives sédimentaires lacustres. Un cadre de travail original et enraciné dans la théorie des systèmes dynamiques se basant sur la reconstruction d’espaces de phase (attracteurs) soutiendra les investigations menées et permettra une modélisation empirique et dynamique des écosystèmes étudiés (Empirical dynamic modeling, EDM), (Sugihara & May 1990, Sugihara 1994, Munch et al. 2020). Dans cette approche, l’attracteur reconstitué d’après les chroniques paléolimnologiques représente un objet géométrique résumant l’ensemble des relations dynamiques déterministes de l’écosystème étudié relaxant toute contrainte liée à la spécification d’équations mécanistes et n’implique aucun présupposé sur la dynamique du système étudié. Cette méthodologie est donc particulièrement flexible et permet d’aborder explicitement l’interdépendance de l’ensemble des variables d’un système dynamique (par ex. effet de X sur Y dépendant de l’état de Z). Ce cadre de travail rend ainsi les brusques variations d’états des écosystèmes explicables d’un point de vue physique et par conséquent prédictibles dans une certaine mesure (McGowan et al. 2017). L’EDM a ainsi récemment permis de revisiter différentes questions fondamentales du fonctionnement des écosystèmes aquatiques comme le lien entre diversité et l’efficacité de l’utilisation des ressources (Ye et al. 2019), l’influence du climat sur la stabilité des écosystèmes (Chang et al. 2020), l’impact de la pêche sur les populations piscicoles (Giron-Nava et al. 2021). Ces études se sont basées sur les récentes avancées méthodologiques de l’EDM qui seront mobilisées pour l’étude des chroniques paléolimnologiques. 

Ce projet comprend 3 objectifs principaux : 

1) tester la causalité entre les variables-clés des écosystèmes lacustres et des variables de forçages (nutriments, climat) (Sugihara et al. 2012) dans le but d’identifier des chémas de causalité entre l’oxygène profond, le phytoplancton et ces forçages dans le but de hiérarchiser leurs impacts, 

2) quantifier les forces d’interactions entre les variables-clés des écosystèmes lacustres et des variables de forçages afin de mettre à jour leurs fluctuations temporelles (Deyle et al. 2016b) dans le but d’appréhender l’influence synergique des forçages sur les dynamiques du phytoplancton et l’oxygène profond, 

3) identifier les temps de réponses (time-lags) entre les variables-clés des écosystèmes lacustres et des variables de forçages (Ye et al. 2015) dans le but d’élaborer des scénarios de changement de contextes environnementaux et explorer les réponses des variables-clés des écosystèmes lacustres (Deyle et al. 2016a). 

Les questions de recherche posées au/ à la candidat.e suivent le cheminement de réflexion par étapes de la façon suivante : 

Les dynamiques d’oxygène profond et du phytoplancton sont-elles non linéaires ? 

Dans ce cas, ces dynamiques sont-elles contraintes causalement par le climat et les nutriments et quelle est l’importance de ces contraintes causales ? 

Il en découle la nécessité de préciser la nature des relations dynamique par la question suivante : De quelle manière le climat et les nutriments présentent une interdépendance dans leurs effets sur l’oxygène profond et le phytoplancton ? 

D’après les questions préalables, nous aboutissons à une caractérisation d’inter-relations causales entre les variables-clés des écosystèmes lacustres et les forçages locaux et globaux et pouvons aborder l’élaboration d’une démarche prospective : quelles seraient les changements d’oxygène profond et de phytoplancton dans différents scénarios de changements des forçages locaux et globaux ?Enfin nous pourrons nous questionner sur la similarité des réponses des écosystèmes lacustres aux forçages locaux et globaux par le biais d’une méta-analyse: Les contraintes causales des forçages locaux et globaux sur les caractéristiques écologiques clés des écosystèmes lacustres varient-elles spatialement ? Si oui, est-il possible d’identifier des variables (par ex. taille des lacs) permettant d’expliquer ces variations ? 

Par le biais de scénarios, il est attendu que le futur changement climatique favorise la production phytoplanctonique et amplifie la désoxygénation profonde induisant une limitation des gains écologiques associés à la réduction des nutriments entreprise dans de nombreux des écosystèmes depuis plusieurs décennies. Il serait toutefois possible d’identifier des configurations climatiques et de conditions de nutriments maximisant les attentes en termes d’oxygène profond et de caractéristique phytoplanctonique pouvant servir d’objectifs dans la gestion des écosystèmes. Ces objectifs pourraient être variables au cours du temps (i.e. dépendant de l’état du système). 

CANDIDAT.E RECHERCHE 

Pour réaliser le projet de recherche EDM-PALEO, nous recherchons un.e candidat.e ayant une formation de base (niveau M2) en dans différents champs disciplinaires : physique (possiblement avec une spécialisation sur les systèmes dynamiques linéaires ou non-linéaires), en mathématique appliquée ou en écologie. Il/elle devra avoir avoir des compétences en programmation informatique (R, Python), maîtriser l’anglais (écrit et parlé), être capable de travailler en équipe, faire preuve d’autonomie dans sa réflexion, être curieux.se et imaginatif.ve, pouvoir effectuer des déplacements nationaux et internationaux pour échanger avec les partenaires du projet. 

CONTACT : 

Nom prénom : Frossard Victor 

Tél : 04.79.75.88.68 

Email :victor.frossard@univ-smb.fr