FireSwitch: Modifications des communautés d'espèces après les incendies de forêt comme opportunité d'adaptation au changement climatique
Martin Gossner
Marco Moretti
Barbara Moser
Daniel Scherrer
Thomas Wohlgemuth
2023 - 2025
Coopération FinancementL'augmentation prévue de la fréquence des incendies de forêt dans le cadre du changement climatique souligne la nécessité d'études à long terme sur la régénération des arbres et la succession des arbres après les incendies de forêt. Ces données servent de base à la gestion adaptative et aux plans d'intervention. Des relevés supplémentaires sur la végétation et les arthropodes seront effectués sur deux surfaces incendiées présentant des conditions environnementales différentes : Leuk (20 ans après l'incendie et 10 ans après le dernier relevé) et Viège (12 ans après l'incendie et 5 ans après le dernier relevé). L'analyse de ces successions à long terme doit permettre de répondre (1) à la question de savoir comment la composition des espèces, la répartition des caractéristiques fonctionnelles et les interactions entre les plantes et les arthropodes évoluent au cours de 20 ans de succession forestière et (2) quelles conditions environnementales peuvent déclencher un changement durable de la composition forestière après un événement perturbateur majeur.
Origine du projet
Les incendies de forêt de Loèche (2003, surface brûlée 300 ha, 900-2100 m d'altitude) et de Viège (2011, 130 ha, 700-1600 m d'altitude) font partie des plus grands incendies catastrophiques au nord des Alpes suisses depuis 1900. L'impact socio-économique de ces incendies de forêt - 4 millions de francs rien qu'à Loèche - a non seulement conduit à une nouvelle stratégie en matière d'incendies de forêt en Valais (Gerold 2019), mais aussi à une recherche continue sur mandat du canton, notamment dans le domaine de la régénération et de la biodiversité. Le WSL a observé la dynamique de la végétation après les incendies à Loèche (2004-2007 et 2013) et à Viège (2013, 2018), ainsi que la (re)colonisation par les arthropodes (Loèche ; 2005, 2006, 2008 et 2013), et a publié les résultats de la succession précoce de la forêt dans plusieurs revues scientifiques et spécialisées (par ex, Moser, Gimmi & Wohlgemuth 2006 ; Wohlgemuth et al. 2008a ; Moretti et al. 2010 ; Moser et al. 2010 ; Wohlgemuth et al. 2010a ; Wohlgemuth et al. 2010b ; Wohlgemuth et al. 2012 ; Nussbaumer & Wohlgemuth 2016 ; Moretti et al. 2018 ; Wohlgemuth et al. 2018 ; Wohlgemuth & Moser 2018). L'héritage de l'incendie de Loèche a aidé les autorités forestières à réagir rapidement lors du prochain grand incendie de forêt à Viège (2011) et a favorisé notre compréhension de la capacité de résistance de la forêt après un incendie (Wohlgemuth et al. 2015).
Il est intéressant de noter que les relevés de végétation de Loèche et de Viège montrent des évolutions différentes après la perturbation. Des analyses préliminaires ont montré que le rajeunissement et la succession précoce de la succession après un incendie semblent se dérouler beaucoup plus lentement sur le versant sec et exposé au sud de Leuk que sur le versant exposé au nord, plus humide et plus riche en nutriments de Viège (Wohlgemuth 2015). A Leuk, des résultats provisoires indiquent un possible changement de végétation (Wilson & Agnew 1992) d'une forêt de pins (avant l'incendie) vers une forêt dominée par le chêne à plus basse altitude (Moser et al. 2010 ; Nussbaumer & Wohlgemuth 2016). Aucun changement de végétation n'a été observé jusqu'à présent dans les zones plus élevées de Leuk et sur le versant plus humide et plus riche en nutriments de Viège. Les évolutions contrastées de la succession semblent être causées par les interactions entre la destruction par le feu et le changement climatique et ont déjà été décrites dans le cadre des effets de la sécheresse en Valais (Rigling et al. 2013).
Le changement climatique modifie les écosystèmes, les modèles prévoyant des changements spectaculaires dans la répartition des espèces et la composition des communautés (par exemple, Lenoir et al. 2020 ; Scherrer et al. 2020), qui pourraient avoir un impact sur les principaux services écosystémiques fournis par les forêts (par exemple, Lindner et al. 2014 ; Jandl et al. 2019). Toutefois, les enquêtes représentatives les plus récentes sur la végétation n'ont fait état que de changements marginaux dans la composition des espèces et de déplacements d'aire de répartition au cours des dernières décennies (par exemple, Lenoir et al. 2008 ; Bertrand et al. 2011 ; Scherrer et al. 2017). Une explication possible est liée à la dynamique de succession qui résulte de grandes perturbations. Tant les modèles (Bugmann et al. 2019 ; Scherrer et al. 2020) que les études de terrain (Wohlgemuth et al. 2018 ; Scherrer et al. 2022) montrent que les grandes perturbations jouent un rôle clé dans l'ouverture de la voie aux déplacements d'espèces en éliminant les effets de concurrence asymétrique (c'est-à-dire entre les essences dominantes établies et les nouveaux colonisateurs) et en permettant ainsi une transition plus rapide vers des compositions d'espèces parfaitement adaptées aux "nouvelles" conditions climatiques. Toutefois, la dynamique de régénération après une perturbation majeure, en particulier après un incendie, dépend de plus de facteurs que le seul climat, tels que le pool d'espèces, la dispersion des graines et les interactions biotiques. Les espèces disposant d'un stock de graines important, d'organes souterrains pour la repousse ou d'une grande capacité de dispersion pourraient avoir un avantage considérable pour coloniser une zone récemment perturbée, ce qui entraînerait une modification de la composition des espèces indépendamment du changement climatique (par exemple, Wohlgemuth et al. 2008b). De la même manière, la communauté d'arthropodes des zones récemment brûlées était très différente de celle de la forêt environnante, reflétant des conditions plus ouvertes et une grande quantité de nouvelles ressources libérées par des processus d'exclusion de la concurrence (Moretti et al. 2010 ; Moretti et al. 2018). Ces déplacements des caractéristiques des arthropodes et des plantes reflètent en grande partie la dynamique de la succession et montrent que des observations à long terme sont indispensables pour identifier les déplacements de caractéristiques persistants et potentiellement liés au climat. Cela revêt également une grande importance pour les fonctions écosystémiques, car des évolutions différentes des changements de succession chez les plantes et les arthropodes modifient probablement les interactions trophiques qui sont liées à des processus écosystémiques importants.
Dissocier la dynamique de succession et les adaptations des forêts liées au climat est essentiel pour développer des méthodes de gestion adaptatives pour les "climate-smart forests" et pour prédire les effets sur la biodiversité. Actuellement, notre compréhension de cette dynamique est limitée par le manque d'études à long terme dans les forêts, en particulier dans les régions traditionnellement moins exposées aux incendies comme les vallées sèches des Alpes centrales. Avec des séries d'études de la végétation et des arthropodes avant et après les incendies, les incendies de forêt de Leuk et de Viège offrent une occasion unique d'étudier des sites "voisins" aux conditions environnementales contrastées. Le versant sec de Loèche était (avant l'incendie) une forêt dominée par le pin sylvestre, mais de nombreuses études indiquent que l'augmentation prévue de la sécheresse estivale entraînera un déplacement des forêts de pins sylvestres vers des espèces de chênes plus résistantes à la sécheresse, en particulier aux altitudes les plus basses (Rigling 2006 ; Gimmi et al. 2010). Une étude plus récente de Scherrer et al. (2021) prévoit même des forêts déjà dominées par le chêne à basse altitude à Loèche. En revanche, on s'attend à ce que le versant de Viège, plus humide et plus riche en nutriments, continue à porter une forêt d'épicéas (c'est-à-dire une composition d'espèces similaire à celle d'avant l'incendie). L'analyse de la succession à long terme de ces deux sites contrastés offre de nouvelles perspectives sur le rôle du climat, de l'histoire de la colonisation et des caractéristiques des espèces qui influencent la composition des essences après les grands incendies dans des écosystèmes traditionnellement réfractaires au feu. En outre, les données sur les insectes et les araignées nous permettent d'analyser si les décalages de caractéristiques observés dans la végétation entraînent également un décalage durable des caractéristiques dans les communautés d'arthropodes et les interactions trophiques, avec des conséquences importantes pour le fonctionnement de l'écosystème.
Procédure et méthodes
Dans le cadre de ce projet, l'interaction entre la perturbation par le feu et le réchauffement climatique est analysée à l'aide de jeux de données uniques du WSL sur la régénération de la forêt et la composition des espèces après les incendies à Loèche et à Viège. Cinq relevés de végétation (2004, 2005, 2006, 2007 et 2013) et quatre relevés d'arthropodes (2005, 2006, 2008, 2013) ont été effectués à Loèche, tandis que deux autres relevés de végétation ont été réalisés à Viège (2013, 2018). Dans le cadre de ce projet, nous étudions la végétation (en particulier la régénération des arbres) et la diversité des arthropodes à Loèche (2023, 20 ans après l'incendie et 10 ans après le dernier relevé), complétée par un relevé de la végétation à Viège (2023, 12 ans après l'incendie et 5 ans après le dernier relevé).
Nous utiliserons ces ensembles de données à long terme sur la dynamique forestière après l'incendie pour répondre aux questions clés suivantes :
(1) Comment la diversité générale des espèces, la répartition des caractéristiques fonctionnelles et la composition des espèces ont-elles évolué au cours des décennies qui ont suivi l'incendie (c'est-à-dire les stades de succession) ?
(2) Existe-t-il un lien entre la dynamique de succession (c'est-à-dire les décalages de caractéristiques et les changements d'espèces) des plantes et des arthropodes ? Une approche intégrée de la dynamique de succession des plantes et des arthropodes peut-elle contribuer à une meilleure compréhension de la mise en place des communautés après une perturbation et des conséquences sur les interactions trophiques et le fonctionnement des écosystèmes ?
(3) À quelles altitudes les communautés forestières sont-elles revenues à un état similaire à celui d'avant l'incendie en termes de diversité des espèces, de distribution des traits fonctionnels et de composition des espèces, ou ont-elles évolué vers de nouvelles communautés ?
(4) Quels sont les facteurs environnementaux qui influent sur la résistance des communautés et sur le changement de communautés ?
Les études répétées de la végétation seront réalisées sur la grille d'échantillonnage systématique de 125 m x 125 m déjà mise en place à l'intérieur des zones brûlées. La régénération des essences sera étudiée sur 50 m2 à Loèche (n = 150) et à Viège (n = 45). La diversité des espèces de toutes les plantes vasculaires est recensée sur des parcelles de 200 m2 dans la zone brûlée de Loèche (Wohlgemuth et al. 2010a).
La diversité des arthropodes est à nouveau relevée sur 18 sites le long de trois transversales d'altitude (1200, 1450 et 1700 m d'altitude), répartis en trois écosystèmes : (1) forêts intactes (contrôle), (2) bordure intérieure de la zone brûlée et (3) au centre de la zone brûlée. Sur chaque site, deux jeux de pièges standard sont installés, ciblant les arthropodes volants et terrestres (Obrist & Duelli 2010).
Bibliographie
Bertrand, R., Lenoir, J., Piedallu, C., Riofrio-Dillon, G., de Ruffray, P., Vidal, C., Pierrat, J.C. & Gegout, J.C. (2011) Changes in plant community composition lag behind climate warming in lowland forests. Nature, 479, 517-520.
Bugmann, H., Seidl, R., Hartig, F., Bohn, F., Brůna, J., Cailleret, M., François, L., Heinke, J., Henrot, A.J. & Hickler, T. (2019) Tree mortality submodels drive simulated long‐term forest dynamics: assessing 15 models from the stand to global scale. Ecosphere, 10, e02616.
Gerold, P. (2019) Waldbrandmanagement im Kanton Wallis und Lehren aus dem Brand von Visp im Jahr 2011. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 170, 251-257.
Gimmi, U., Wohlgemuth, T., Rigling, A., Hoffmann, C.W. & Bürgi, M. (2010) Land-use and climate change effects in forest compositional trajectories in a dry Central-Alpine valley. Annals of forest science, 67, 701.
Jandl, R., Spathelf, P., Bolte, A. & Prescott, C.E. (2019) Forest adaptation to climate change—is non-management an option? Annals of forest science, 76, 48.
Lenoir, J., Bertrand, R., Comte, L., Bourgeaud, L., Hattab, T., Murienne, J. & Grenouillet, G. (2020) Species better track climate warming in the oceans than on land. Nature ecology & evolution, 4, 1044-1059.
Lenoir, J., Gegout, J.C., Marquet, P.A., de Ruffray, P. & Brisse, H. (2008) A significant upward shift in plant species optimum elevation during the 20th century. Science, 320, 1768-1771.
Lindner, M., Fitzgerald, J.B., Zimmermann, N.E., Reyer, C., Delzon, S., van der Maaten, E., Schelhaas, M.J., Lasch, P., Eggers, J., van der Maaten-Theunissen, M., Suckow, F., Psomas, A., Poulter, B. & Hanewinkel, M. (2014) Climate change and European forests: what do we know, what are the uncertainties, and what are the implications for forest management? Journal of Environmental Management, 146, 69-83.
Moretti, M., De Cáceres, M., Pradella, C., Obrist, M.K., Wermelinger, B., Legendre, P. & Duelli, P. (2010) Fire‐induced taxonomic and functional changes in saproxylic beetle communities in fire sensitive regions. Ecography, 33, 760-771.
Moretti, M., Wermelinger, B., Gossner, M.M. & Obrist, M.K. (2018) Wiederbesiedlung der Waldbrandfläche von Leuk durch Gliederfüsser. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 169, 290-298.
Moser, B., Gimmi, U. & Wohlgemuth, T. (2006) Ausbreitung des Erdbeerspinats Blitum virgatum nach dem Waldbrand von Leuk, Wallis (2003). Botanica Helvetica, 116, 179-207.
Moser, B., Temperli, C., Schneiter, G. & Wohlgemuth, T. (2010) Potential shift in tree species composition after interaction of fire and drought in the Central Alps. European Journal of Forest Research, 129, 625-633.
Nussbaumer, C. & Wohlgemuth, T. (2016) Verbiss bremst die jungen Flaumeichen. Wald und Holz, 97, 31-33.
Obrist, M. & Duelli, P. (2010) Rapid biodiversity assessment of arthropods for monitoring average local species richness and related ecosystem services. Biodiversity and Conservation, 19, 2201-2220.
Rigling, A. (2006) Verdrängen Flaumeichen die Walliser Waldföhren? Merkblatt für die Praxis. pp. 1-16. Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf.
Rigling, A., Bigler, C., Eilmann, B., Feldmeyer‐Christe, E., Gimmi, U., Ginzler, C., Graf, U., Mayer, P., Vacchiano, G. & Weber, P. (2013) Driving factors of a vegetation shift from Scots pine to pubescent oak in dry Alpine forests. Global Change Biology, 19, 229-240.
Scherrer, D., Ascoli, D., Conedera, M., Fischer, C., Maringer, J., Moser, B., Nikolova, P.S., Rigling, A. & Wohlgemuth, T. (2022) Canopy Disturbances Catalyse Tree Species Shifts in Swiss Forests. Ecosystems, 25, 199-214.
Scherrer, D., Baltensweiler, A., Fischer, C., Frehner, M., Wüest Karpati, R. & Wohlgemuth, T. (2021) Räumlich explizite Modellierung der NaiS-Standorttypen zur Analyse der Waldbestockung. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 172, 278-285.
Scherrer, D., Massy, S., Meier, S., Vittoz, P. & Guisan, A. (2017) Assessing and predicting shifts in mountain forest composition across 25 years of climate change. Diversity and Distributions, 23, 517-528.
Scherrer, D., Vitasse, Y., Guisan, A., Wohlgemuth, T. & Lischke, H. (2020) Competition and demography rather than dispersal limitation slow down upward shifts of trees’ upper elevation limits in the Alps. Journal of Ecology, 108, 2416-2430.
Wilson, J.B. & Agnew, A.D. (1992) Positive-feedback switches in plant communities. Advances in Ecological Research, pp. 263-336. Elsevier.
Wohlgemuth, T. (2015) Baumverjüngung in der Waldbrandfläche Visp (2011). Kurzer Bericht an den Kanton Wallis. pp. 6. Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf.
Wohlgemuth, T., Brigger, A., Gerold, P., Laranjeiro, L., Moretti, M., Moser, B., Rebetez, M., Schmatz, D., Schneiter, G. & Sciacca, S. (2012) Leben mit Waldbrand am Beispiel von Leuk (VS) 2003. Vierteljahrsschrift der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich, 157, 97-106.
Wohlgemuth, T., Brigger, A., Gerold, P., Laranjeiro, L., Moretti, M., Moser, B., Rebetez, M., Schmatz, D., Schneiter, G., Sciacca, S., Sierro, A., Weibel, P., Zumbrunnen, T. & Conedera, M. (2010a) Leben mit Waldbrand. Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf.
Wohlgemuth, T., Conedera, M., Albisetti, A.K., Moser, B., Usbeck, T., Brang, P. & Dobbertin, M. (2008a) Effekte des Klimawandels auf Windwurf, Waldbrand und Walddynamik im Schweizer Wald| Effects of climate change on windthrow, forest fire and forest dynamics in Swiss forests. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 159, 336-343.
Wohlgemuth, T., Conedera, M., Engesser, R., Wermelinger, B., Reinhard, M., Forster, B. & Meier, F. (2015) Waldschäden. Zustand und Nutzung des Schweizer Waldes (eds A. Rigling & H.P. Schaffer). BAFU, Bern, Switzerland.
Wohlgemuth, T., Conedera, M., Kupferschmid, A., Moser, B., Usbeck, T., Brang, P. & Dobbertin, M. (2008b) Effekte des Klimawandels auf Windwurf, Waldbrand und Walddynamik im Schweizer Wald. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 159, 336-343.
Wohlgemuth, T., Doublet, V., Nussbaumer, C., Feichtinger, L. & Rigling, A. (2018) Baumartenwechsel in den Walliser Waldföhrenwäldern verstärkt nach grossen Störungen. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 169, 260-268.
Wohlgemuth, T., Hester, C., Jost, A.-R., Wasem, U. & Moser, B. (2010b) Dynamik der Wiederbewaldung im Waldbrandgebiet von Leuk (Wallis)| Recruitment dynamics following the forest fire near Leuk (Valais). Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 161, 450-459.
Wohlgemuth, T. & Moser, B. (2018) Zehn Jahre Vegetationsdynamik auf der Waldbrandfläche von Leuk (Wallis). Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 169, 279-289.