Biomango en 7 questions

Qu'est-ce qu'une mangrove ?

C'est une forêt de palétuviers, arbres adaptés à pousser dans les sols salés et vaseux de la zone de balancement des marées en région tropicale. Selon la configuration de la côte, son exposition aux vagues, l'abondance des sédiments, l'extension de la mangrove le long du rivage est très variable. C'est un milieu difficilement pénétrable pour l'homme : sol généralement très mou, chenaux, racines aériennes enchevêtrées ("racines-échasses") ou pointant hors du sol (pneumatophores), etc.

On trouve des mangroves dans toute la ceinture intertropicale, où elles occupent environ les trois quarts des littoraux pour une surface totale de l'ordre de 140.000 km².

Répartition mondiale des mangroves (d'après Giri et al., 2010)

La mangrove est aussi un écosystème complexe abritant de nombreuses espèces animales terrestres, aériennes ou aquatiques et dont la productivité biologique est très élevée.

C'est enfin une source de "services écologiques" (ou "écosystémiques") que la perception négative de la mangrove occulte souvent aux yeux des sociétés riveraines, et qui apparaissent lorsque la destruction de la mangrove ne les rend plus disponibles : nourricerie pour des espèces côtières (crevettes, poissons,…), protection du trait de côte contre l'érosion causée par les houles ou les tsunamis, épuration des eaux de ruissellement, etc.

En quoi la mangrove guyanaise est-elle unique ?

La mangrove n'occupe qu'une proportion très faible de l'immense surface forestière de la Guyane française (environ 800 km² sur un total de près de 84 000 km², soit à peine 1%) mais elle couvre 80% du littoral et a des caractéristiques uniques au monde. La mangrove est l'écosystème naturel des littoraux tropicaux vaseux ; on trouve donc des palétuviers sur les rivages de très nombreux pays, dans toutes les mers chaudes. Mais les littoraux de la Guyane française, du Surinam et du Guyana offrent à la mangrove un environnement unique qui lui donne des caractères qu'on ne retrouve nulle part ailleurs. Cette portion de la côte sud-américaine est en effet affectée par le déplacement de "bancs de vase", accumulations de sédiments d'origine amazonienne s'étendant sur quelques kilomètres de large et une trentaine de kilomètres de long. Sous l'effet des courants et des houles, ces bancs migrent d'est en ouest le long de la côte à une vitesse de l'ordre de 900 m/an, faisant alterner des périodes de plusieurs années d'avancée et de recul du littoral : chaque partie de la côte est donc soumise à une alternance d’épisodes d’envasement (passage d'un banc) et d'érosion (phase appelée "interbanc").

Sources : Image Landsat retravaillée par R. Walcker (gauche), Allison et al., 2004 (milieu), Gensac, 2012 (droite)

Les mangroves ne peuvent donc pas s'y établir de façon pérenne et définitive comme partout ailleurs mais connaissent un développement cyclique en passant par des phases successives : colonisation des vases nues dès qu'elles sont suffisamment consolidées, extension de la mangrove pionnière, maturité de la forêt puis déracinement des arbres et régression de la mangrove par suite de l'érosion du substrat. C'est donc un écosystème très dynamique, en évolution constante.

Photos E. Michaud/CNRS (1, 2, 4), G. Fornet/CNRS (3), F. Fromard/CNRS (5, 6, 7, 8)

Cet écosystème instable et à durée de vie courte se caractérise paradoxalement par une productivité élevée et une forte biomasse sur pied (jusqu’à 350 t/ha). À chaque phase d’érosion, le matériel sédimentaire du banc est remobilisé et la mangrove détruite ; de très importantes quantités de débris végétaux, et plus généralement de matière organique, sont alors exportées vers les eaux et les fonds adjacents, alimentant à leur tour la productivité biologique de la zone côtière guyanaise.

Pourquoi choisir la mangrove guyanaise comme objet d'étude ?

Les menaces que la pression humaine fait peser sur les mangroves à travers le monde soulèvent de nombreuses questions scientifiques, par exemple sur leur réponse au changement climatique, l'impact de leur destruction, les modalités de leur gestion, etc. En Guyane française, département très peu peuplé, la pression subie par les mangroves est encore très faible mais ne peut qu'augmenter avec la croissance démographique, l'élévation du niveau marin et l'éventuelle exploitation pétrolière off-shore. Scientifiques, gestionnaires et politiques s’interrogent sur le devenir de ces mangroves en cas d’accident pétrolier et la répercussion sur le fonctionnement du littoral guyanais. La mise en place d'une stratégie de gestion, de conservation du littoral, mais aussi de restauration en cas d'accident passe par une description précise du littoral guyanais dominé par la mangrove.

Par ailleurs, la mangrove de Guyane est une des mieux préservées au monde, et sa dynamique particulière en fait un modèle unique pour étudier la résilience naturelle d'un écosystème côtier. La résilience d'un écosystème est sa capacité à s'adapter à des variations ou des altérations de paramètres extérieurs et à retrouver un état antérieur ; dans le cas présent, il s'agit de la capacité de la mangrove guyanaise à s'adapter aux variations rapides des processus sédimentaires qui conditionnent la structure et le fonctionnement de tous les compartiments de l'écosystème.

Quel est le fonctionnement écologique d'une mangrove ?

Malgré le caractère très particulier des mangroves, leur fonctionnement écologique n'est pas différent de celui des autres écosystèmes. Il résulte d'un réseau très complexe d'interactions entre les espèces et leur environnement physico-chimique et entre les espèces elles-mêmes : habitat, préférences écologiques, relations interspécifiques (prédation, concurrence, etc.). Les organismes vivants contribuent aussi à modifier leur milieu ; ainsi de nombreuses espèces de mangrove (des crabes, mais aussi d'autres crustacés, des vers ou certains poissons) creusent dans le sédiment des trous ou des terriers, par lesquels circulent de l'eau, des débris organiques et des substances dissoutes.

Les trous témoignent de l'emplacement des terriers, et parfois du transport de sédiment vers la surface (à droite). Echelle des règles : 1 m (photo de gauche), 15 cm (photo du milieu)

Un même rôle joué par des espèces ou des groupes différents est le fondement de ce qu'on appelle la biodiversité fonctionnelle, clé de voûte de la productivité d'un écosystème. Dans la mangrove guyanaise, cette dernière est étroitement liée à la bioturbation, ensemble des activités biologiques qui modifient l'environnement physique et chimique des sols : mobilité, excrétion, filtration, construction et maintien des terriers... Les processus microbiens de dégradation et minéralisation de la matière organique peuvent être fortement stimulés par la bioturbation et le milieu peut ainsi devenir plus productif (meilleure capacité à fixer le carbone, croissance de la biomasse végétale et animale).

Au sein d'un écosystème, la matière se transforme continuellement sous l'effet de processus physiques, chimiques et biologiques. Moins directement perceptible que les interactions directes entre espèces et avec l'environnement, cette dimension du fonctionnement écologique est pourtant essentielle. Les flux dits biogéochimiques désignent les échanges d'éléments ou de molécules qui peuvent prendre des formes physiques ou chimiques diverses et jouent rôle important pour la physiologie des organismes : oxygène, dioxyde de carbone, azote (ammonium, nitrates, nitrites,…), soufre (sulfates, sulfures,…), silicium (silicates, silice particulaire), phosphore, métaux, etc. De façon plus générale, la matière organique fait l'objet d'un cycle où les molécules complexes qui la composent sont synthétisées (notamment par la photosynthèse) et dégradées en molécules minérales simples (respiration, reminéralisation microbienne).

La forte productivité biologique de la mangrove est liée au fonctionnement de ces réseaux et de ces flux ; dans le contexte guyanais, ce fonctionnement n'atteint jamais un régime stable mais évolue en permanence sous l'effet de l'apport et de la consolidation progressive des sédiments puis de la succession des communautés des organismes vivant sur ou dans le substrat (qui forment le benthos). L'adaptation du benthos aux phases de stabilité et d’instabilité sédimentaire (peuplements pionniers, faible richesse spécifique) a été démontrée, mais la question reste à explorer en ce qui concerne la biodiversité fonctionnelle.

À quelles questions scientifiques s'intéresse Biomango ?

Biomango cherche à mieux comprendre les liens entre la biodiversité benthique et le fonctionnement écologique de la mangrove (respiration, production de matière vivante), et à déterminer comment ces caractéristiques influencent sa résilience. Parmi les organismes benthiques, une attention particulière sera accordée aux espèces fouisseuses car leur action de creusement et de transport de sédiment (la bioturbation) joue un grand rôle dans la circulation de l'eau et des débris organiques, des gaz dissous et des nutriments au sein du sol. Plus spécifiquement, certaines questions scientifiques sont au cœur de la recherche de Biomango :

• comment les facteurs de l'environnement agissent-ils sur la biodiversité benthique, à chaque stade du développement de la mangrove ? Les communautés benthiques de ces phases sont-elles stables ou variables, et leurs changements sont-ils reflétés par la biodiversité ?
• quels sont les flux biogéochimiques (oxygène, dioxyde de carbone, nutriments) liés à la respiration, la production biologique et le recyclage des nutriments à chaque stade du développement de la mangrove ? Ces flux sont-ils identiques ou variables au sein de chaque phase ?
• les variations de la biodiversité fonctionnelle dans la mangrove expliquent-ils les métabolismes benthiques ?
• La germination des graines et la croissance des jeunes plantules de palétuviers sur les bancs de vase ne dépendent-elles que des propriétés physiques et sédimentaires, ou aussi d'autres facteurs comme la bioturbation ?

Quelles actions de recherche le projet va-t-il mener ?

Les réponses à ces questions seront obtenues par un ensemble d'actions complémentaires, menées sur le terrain ou au laboratoire, qui ont été regroupées au sein de trois sous-projets appelés "tâches" :

La tâche 1 s'intéresse à la variabilité spatio-temporelle de la biodiversité benthique 

Elle testera l'hypothèse selon laquelle sa structure et sa composition dépendent du stade de développement de la mangrove. L'étude porte sur les micro-algues, les microorganismes et les animaux de toutes tailles : méiofaune (moins de 0,5 mm), macrofaune (0,5 à 10 mm) et mégafaune (plus de 10 mm). L'identification des espèces et la mesure de leur densité et de leur biomasse permettent de savoir si les espèces sont stables dans l'espace et dans le temps, si chaque stade de développement de la mangrove est représenté par une espèce en particulier, ou si les changements entre chaque stade de développement sont simplement d'ordre quantitatif.

Une première étape consistera à caractériser les sites d'étude :

- surface sédimentaire et couvert végétal : sur chaque site, une image satellite de haute résolution, une caméra embarquée sur un ULM puis un relevé topographique par un système de géopositionnement différentiel fourniront des images permettant de décrire de façon très précise la géomorphologie (chenaux, bancs, fentes de dessication,…) et la répartition spatiale des arbres

- structure de la mangrove : la densité, la hauteur, la biomasse des arbres, ainsi que la litière au sol, seront étudiés en tant qu'indicateurs de la production primaire des palétuviers

- nature du substrat : l'habitat sera décrit par différentes techniques de sédimentologie : compaction, porosité, processus d'érosion et de sédimentation,…

- environnement : plusieurs paramètres physiques et chimiques (température, salinité, oxygène, pH, turbidité…) seront mesurés dans le sédiment, dans la colonne d'eau et dans l'air

Parallèlement, la structure et composition de la biodiversité benthique seront étudiées :

- micro-algues benthiques : la quantification du biofilm de diatomées sera effectuée à titre expérimental avec la caméra infrarouge ; des échantillons seront observés au microscope pour en déterminer la composition et l'abondance, et des cultures permettront de déterminer quels sont les facteurs limitant leur développement

- faune benthique : les organismes prélevés à l'intérieur de périmètres d'échantillonnage seront identifiés (au niveau de l'espèce pour tous ceux mesurant plus de 0,2 mm), dénombrés et pesés au laboratoire, pour analyse statistique de l'ensemble de la communauté

La tâche 2 a pour rôle de caractériser la variabilité spatio-temporelle des flux biogéochimiques à chaque stade de développement de la mangrove

Elle testera l'hypothèse selon laquelle le métabolisme des communautés benthiques (lié au mécanisme de respiration et de photosynthèse), et l’intensité des échanges de nutriments entre l'eau et le sédiment dépendent du stade de développement des mangroves. Un lien sera établi entre la bioturbation et les flux biogéochimiques pour estimer l’impact de la faune dans la stimulation des échanges aux interfaces eau-sédiment.

La variabilité spatio-temporelle des flux biogéochimiques sera étudiée par deux approches :

- flux benthiques : des enceintes fermées seront disposées sur le fond pour mesurer in situ les échanges gazeux entre les communautés benthiques et l'eau (à marée haute) ou l'air (à marée basse), de jour comme de nuit

- flux de diffusion au sein du sédiment : des techniques traditionnelles ou innovantes de mesure de la composition chimique de l'eau interstitielle seront mises en œuvre pour étudier les flux d'oxygène, de carbone et de nutriments sous la surface du sédiment

La variabilité spatio-temporelle des activités de bioturbation sera étudiée par l'analyse de carottes de sédiment et par des techniques in situ. Des carottes seront prélevées à chaque stade de développement de la mangrove pour étudier les transports de matière dissoute ou particulaire. Les opérations de terrain s'appuieront sur l'utilisation de microbilles fluorescentes (traceurs des mouvements d'eau), de radiotraceurs naturels, l'introduction de capteurs dans les terriers, le moulage de terriers, etc.

La tâche 3 porte sur l'impact de la biodiversité fonctionnelle benthique sur les flux biogéochimiques et sur la productivité primaire

L'hypothèse à tester est que la présence du film de micro-algues benthiques favorise la croissance des propagules (graines) de palétuviers aux tous premiers stades de développement de la mangrove, alors que le développement des premières plantules serait accéléré par les activités de bioturbation par la faune benthique.

Pour caractériser le rôle de la biodiversité benthique sur les flux et les régimes de reminéralisation, et donc sur la croissance des graines et des jeunes palétuviers, la tâche 3 s'appuiera sur une démarche expérimentale. Cette croissance sera suivie dans des mésocosmes, enceintes soumises aux cycles naturels (marée, éclairement, température,…) mais où la présence ou l'absence micro-algues et de faune benthique sera contrôlée. De nombreux paramètre feront l'objet de mesures dans chaque mésocosme : microtopographie du sol, molécules excrétées par les micro-algues, production primaire (arbres et micro-algues), respiration, production et besoins en nutriments des graines et des jeunes arbres, propriétés du sédiment, abondance du silicium, activités de bioturbation, etc.

Où va se dérouler Biomango ?

Le travail de terrain de Biomango se déroule sur une barre vaseuse en voie de consolidation et de colonisation par la mangrove, située à l'ouest de l'embouchure du fleuve Sinnamary. Cette mangrove littorale et non estuarienne est dominée par le palétuvier Avicennia germinans dont les premières plantules ont été observées en 2011. Le site présente actuellement différents stades d'évolution de la mangrove, permettant de faire des mesures et de prélever des échantillons sur toutes les phases du cycle de croissance.

Selon la consolidation de la vase et la distance au bord, l'accès aux sites se fait par la terre ou à partir d'embarcations légères, à moteur ou à pagaie.

A proximité du site, un bâtiment loué pour les missions (le "carbet") est utilisé comme base pour l'hébergement (hamacs et moustiquaires) et les repas, et comme laboratoire de terrain pour les premières opérations : tamisage, tri, prélèvement et conservation des échantillons, entretien du matériel, saisie informatique de données, etc.

 Le traitement des échantillons et des données se font dans les laboratoires des scientifiques partenaires