Écohydrologie

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L’écohydrologie (du grec οἶκος, oikos, "maison"; ὕδωρ, hydōr, "l'eau", et -λογία, -logia, "étude") est un domaine interdisciplinaire qui étudie les interactions entre l'eau et les écosystèmes. Ces interactions peuvent avoir lieu dans les plans d'eau (les rivières et les lacs), ou sur la terre (les forêts, les déserts et les autres écosystèmes terrestres). Les domaines de recherche en écohydrologie comprennent l'évapotranspiration et l'utilisation de l'eau de la plante, l'adaptation des organismes dans leur environnement aquatique, l'influence de la végétation sur l'écoulement et la fonction des cours d'eau et les réactions entre les processus écologiques et le cycle hydrologique.

Concepts clés[modifier | modifier le code]

Le cycle hydrologique décrit le mouvement continu de l'eau sur, au-dessus et au-dessous de la surface sur la terre. Ce flux est modifié par les écosystèmes à plusieurs points. La transpiration des plantes fournit la majeure partie du débit d'eau dans l'atmosphère. L'eau est influencée par la couverture végétale alors qu'elle coule sur la surface de la terre, tandis que les canaux de la rivière peuvent être façonnés par la végétation.

Les écohydrologues étudient les systèmes terrestres et aquatiques. Dans les écosystèmes terrestres (comme les forêts, les déserts et les savanes), les interactions entre la végétation, la surface terrestre, la zone vadose et les eaux souterraines sont l'axe principal. Dans les écosystèmes aquatiques (comme les rivières, les ruisseaux, les lacs et les zones humides), on met l'accent sur la façon dont la chimie de l'eau, la géomorphologie et l'hydrologie affectent leur structure et leur fonction.

Principes[modifier | modifier le code]

Les principes de l'Écohydrologie sont exprimés en trois composants séquentielles:

  1. Hydrologique: La quantification du cycle hydrologique d'un bassin, devrait être un modèle pour l'intégration fonctionnelle de l'hydrologie et des processus biologiques.
  2. Écologique: Les processus intégrés à l'échelle des bassins hydrographiques peuvent être orientées de manière à accroître le bassin de la capacité de charge des écosystèmes et des services.
  3. Génie écologique: La régulation des processus hydrologiques et écologiques, basées sur l'intégration, le système d'approche, est  un nouvel outil pour la gestion Intégrée de l'eau du bassin de la gestion.

Leur expression comme des hypothèses testables (Zalewski et coll., 1997) peuvent être vu comme:

  • H1: Les processus hydrologiques régissent généralement le biote ;
  • H2: Le Biote peut être façonné comme un outil de régulation des processus hydrologiques ;
  • H3: Ces deux types de règlements (H1 et H2) peuvent être intégré avec une infrastructure hydro-technique pour améliorer la gestion durable de l'eau et de l'écosystème des services.

La végétation et le stress hydrique[modifier | modifier le code]

Un concept fondamental de l'écohydrologie est que la physiologie végétale est directement liée à la disponibilité de l'eau. Là où il y a de l'eau suffisante, comme dans les forêts tropicales, la croissance des plantes dépend davantage de la disponibilité des éléments nutritifs. Cependant, dans les zones semi-arides, comme les savanes africaines, le type de végétation et la distribution, se rapportent directement à la quantité d'eau que les plantes peuvent extraire du sol. Lorsque l'eau du sol est insuffisante, une condition d'étanchéité à l'eau se produit. Les plantes sous stress hydrique diminuent leur transpiration et leur photosynthèse à travers un certain nombre de réponses, y compris la fermeture de leurs stomates. Cette diminution du flux d'eau de canopée et du flux de dioxyde de carbone peut influencer le climat environnant et la météo.

L'humidité insuffisante du sol produit un stress dans les plantes et la disponibilité de l'eau est l'un des deux facteurs les plus importants (la température étant l'autre) qui déterminent la répartition des espèces. Les vents forts, l'humidité relative atmosphérique faible, le dioxyde de carbone faible, la température élevée et l'irradiation élevée exacerbent l'insuffisance d'humidité du sol. La disponibilité de l'humidité du sol est également réduite à faible température du sol. L'une des premières réponses à l'insuffisance d'apport d'humidité est une réduction de la pression de la turgescence; L'expansion et la croissance des cellules sont immédiatement inhibées, et les poussées non absorbées disparaissent rapidement.

Le concept de déficit hydrique, développé par Stocker dans les années 1920[1],[2],[3], est un indice utile de l'équilibre dans la plante entre l'absorption et la perte d'eau. Les légers déficits d'eau sont normaux et ne nuisent pas au fonctionnement de la plante[4], tandis que les déficits plus importants perturbent les processus normaux des plantes.

Une augmentation du stress hydrique dans le milieu d'enracinement aussi faible que 5 atmosphères affecte la croissance, la transpiration et l'équilibre hydrique interne dans les semis, bien plus encore en épinette de Norvège que dans le bouleau, le tremble ou le pin sylvestre[5]. La diminution du taux net d'assimilation est plus élevée dans l'épinette que dans les autres espèces et, de ces espèces, seule l'épinette ne présente aucune augmentation de l'efficacité de l'utilisation de l'eau à mesure que le sol devient plus sec. Les deux conifères montrent des différences plus importantes dans le potentiel d'eau entre la feuille et le substrat que les feuillus. Le taux de transpiration diminue moins en épinette de Norvège que dans les trois autres espèces, car le stress hydrique du sol augmente jusqu'à 5 atmosphères dans des environnements contrôlés. Dans les conditions sur le terrain, les aiguilles d'épinette de Norvège perdent trois fois plus d'eau de l'état complètement turgide que les feuilles de bouleau et de tremble et deux fois plus que le pin sylvestre, avant la fermeture apparente des stomates (bien qu'il y ait une certaine difficulté à déterminer le point exact de fermeture)[6]. L'assimilation peut donc se prolonger plus longtemps dans les épinettes que dans les pins lorsque les contraintes de l'eau de la plante sont élevées, bien que l'épinette soit probablement la première à «manquer d'eau».

La dynamique de l'humidité du sol[modifier | modifier le code]

L'humidité du sol est un terme général décrivant la quantité d'eau présente dans la zone de Vadose, ou la partie insaturée du sol sous le sol. Comme les plantes dépendent de cette eau pour effectuer des processus biologiques critiques, l'humidité du sol fait partie intégrante de l'étude de l'écohydrologie. L'humidité du sol est généralement décrit comme la teneur en eau, [Quoi ?] ou de saturation, [Quoi ?]. Ces termes sont liés par la porosité, [Quoi ?], par le biais de l'équation [Quoi ?]. Les changements dans l'humidité du sol au cours du temps sont connus comme la dynamique de l'humidité du sol.

Des études mondiales récentes utilisant des isotopes stables à l'eau montrent que l'humidité du sol n'est pas également disponible pour la recharge des eaux souterraines ou pour la transpiration des plantes[7],[8].

Les considérations temporelles et spatiales[modifier | modifier le code]

La théorie écohydrologique met également l'accent sur les considérations de relations temporelles (temporelles) et spatiales (spatiales). L'hydrologie, en particulier le moment des événements de précipitation, peut être un facteur critique dans la façon dont un écosystème évolue avec le temps. Par exemple, les paysages méditerranéens connaissent des étés secs et des hivers humides. Si la végétation a une saison de croissance estivale, elle éprouve souvent du stress hydrique, même si les précipitations totales tout au long de l'année peuvent être modérées. Les écosystèmes de ces régions ont généralement évolué pour soutenir les graminées élevées en eau pendant l'hiver, lorsque la disponibilité de l'eau est élevée et les arbres adaptés à la sécheresse en été, quand ils sont faibles.

L'écohydrologie se préoccupe également des facteurs hydrologiques de la répartition spatiale des plantes. L'espacement optimal et l'organisation spatiale des plantes est au moins partiellement déterminée par la disponibilité de l'eau. Dans les écosystèmes à faible humidité du sol, les arbres se situent généralement plus loin que dans les zones bien arrosées.

Les équations de base et les modèles[modifier | modifier le code]

L'équilibre de l'eau à un point[modifier | modifier le code]

Une équation fondamentale dans l'écohydrologie est le bilan hydrique à un point du paysage. Un bilan hydrique indique que la quantité d'eau entrant dans le sol doit être égale à la quantité d'eau qui laisse le sol plus la variation de la quantité d'eau stockée dans le sol. Le bilan hydrique comporte quatre composantes principales: l'infiltration des précipitations dans le sol, l'évapotranspiration, la fuite d'eau dans des parties plus profondes du sol non accessibles à la plante et le ruissellement de la surface du sol. Il est décrit par l'équation suivante:

[Quoi ?]

Les termes du côté gauche de l'équation décrivent la quantité totale d'eau contenue dans la zone d'enracinement. Cette eau, accessible à la végétation, a un volume égal à la porosité du sol ([Quoi ?]) multipliée par sa saturation ([Quoi ?]) et de la profondeur des racines de la plante ([Quoi ?]). L'équation différentielle [Quoi ?] décrit comment la saturation du sol les changements au fil du temps. Les termes à droite décrivent les taux de précipitations ([Quoi ?]), de l'interception ([Quoi ?]), du ruissellement des eaux ([Quoi ?]), de l'évapotranspiration ([Quoi ?]), et de fuite ([Quoi ?]). Ceux-ci sont généralement donnés en millimètres par jour (mm / j). Le ruissellement, l'évaporation et les fuites dépendent fortement de la saturation du sol à un moment donné.

Afin de résoudre l'équation, il faut connaître le taux d'évapotranspiration en fonction de l'humidité du sol. Le modèle généralement utilisé pour le décrire indique que, au-dessus d'une certaine saturation, l'évaporation ne dépendra que de facteurs climatiques tels que la lumière du soleil disponible. Une fois sous ce point, l'humidité du sol impose des contrôles sur l'évapotranspiration, et elle diminue jusqu'à ce que le sol atteigne le point où la végétation ne peut plus extraire d'eau. Ce niveau de sol est généralement appelé «point de flétrissement permanent». Ce terme est source de confusion car beaucoup d'espèces végétales ne "fanent" pas réellement.

Références[modifier | modifier le code]

  1. Stocker, O. 1928.
  2. O Stocker, « Das Wasserdefizit von Gefässpflanzen in verschiedenen Klimazonen », Planta, vol. 7,‎ 1929a, p. 382–387 (DOI 10.1007/bf01916035)
  3. Stocker, O. 1929b.
  4. P.A. Henckel, « Physiology of plants under drought », Annu. Rev. Plant Physiol, vol. 15,‎ , p. 363–386 (DOI 10.1146/annurev.pp.15.060164.002051)
  5. Jarvis, P.G.; Jarvis, M.S. 1963.
  6. G.W. Schneider et N.F. Childers, « Influence of soil moisture on photosynthesis, repiration and transpiration of apple leaves », Plant Physiol, vol. 16,‎ , p. 565–583 (DOI 10.1104/pp.16.3.565)
  7. (en) Stephen P. Good, David Noone et Gabriel Bowen, « Hydrologic connectivity constrains partitioning of global terrestrial water fluxes », Science, vol. 349, no 6244,‎ , p. 175–177 (ISSN 0036-8075, PMID 26160944, DOI 10.1126/science.aaa5931, lire en ligne)
  8. (en) Jaivime Evaristo, Scott Jasechko et Jeffrey J. McDonnell, « Global separation of plant transpiration from groundwater and streamflow », Nature, vol. 525, no 7567,‎ , p. 91–94 (PMID 26333467, DOI 10.1038/nature14983, lire en ligne)
  • G. García-Santos, L.A. Bruijnzeel et A.J. Dolman, « Modelling canopy conductance under wet and dry conditions in a subtropical cloud forest », Journal Agricultural and Forest Meteorology, vol. 149, no 10,‎ , p. 1565–1572 (DOI 10.1016/j.agrformet.2009.03.008)
  • L'écohydrologie dans une forêt de nuages de montagne dans le Parc National de Garajonay, La Gomera (Îles Canaries, Espagne). García-Santos, G. (2007), Thèse de Doctorat, Amsterdam: l'Université VU d'. http://dare.ubvu.vu.nl/handle/1871/12697
  • "Lignes directrices pour la Gestion Intégrée du Bassin versant, – Phytotechnology & Écohydrologie", par Zalewski, M. (2002) (Ed). Nations Unies Pour L'Environnement Programme De Gestion De L'Eau Douce De La Série N ° 5. 188pp, (ISBN 92-807-2059-7).
  • "L'écohydrologie. Un nouveau paradigme pour l'utilisation durable des ressources aquatiques", par Zalewski, M., Janauer, G. A. & Jolankai, G. 1997. L'UNESCO-PHI Document Technique en Hydrologie n ° 7.; PHI - V Projets 2.3/2.4, de l'UNESCO à Paris, 60 pp.
  • L'écohydrologie: Darwinienne de l'Expression de la Végétation, la Forme et la Fonction, par Peter S. Eagleson, 2002. [1]
  • L'écohydrologie - pourquoi les hydrologues de soins doivent, Randall J Chasse et Douglas Une Wilcox, 2003, Sol, Eau, Vol. 41, n ° 3, pg. 289.
  • L'écohydrologie: Une perspective hydrologique du climat-sol-la dynamique de la végétation, Ignacio Rodriguez-Iturbe, 2000, les Ressources en Eau de la Recherche, Vol. 36, n ° 1, es. 3-9.
  • L'écohydrologie au service de l'Eau contrôlé par les Écosystèmes : l'Humidité du Sol et la Dynamique des Végétaux, Ignacio Rodriguez-Iturbe, Amilcare Porporato, 2005. (ISBN 0-521-81943-1)
  • Les Zones Arides De L'Écohydrologie, Paolo D'Odorico, Amilcare Porporato, 2006. (ISBN 1-4020-4261-2) [2]
  • L'éco-hydrologie défini, William Nuttle, 2004. [3]
  • "Un écologiste du point de vue de l'écohydrologie", David D. Breshears, 2005, Bulletin de l'Ecological Society of America 86: 296-300. [4]
  • L'écohydrologie - Revue Internationale de publication d'articles scientifiques. Rédacteur en Chef: Keith Smettem, Rédacteurs Associés: David D Breshears, Han Dolman Et James Michael Waddington [5]
  • L'écohydrologie et Hydrobiologie - revue scientifique Internationale sur l'écohydrologie et de l'écologie aquatique (ISSN 1642-3593). Rédacteurs: Maciej Zalewski, David M. Harper, Richard D. Robarts [6]
  • G. García-Santos, M. V. Marzol et G. Aschan, « Water dynamics in a laurel montane cloud forest in the Garajonay National Park (Canary Islands, Spain) », Hydrol. Earth Syst. Sci., vol. 8,‎ , p. 1065–1075 (DOI 10.5194/hess-8-1065-2004, lire en ligne)