Écosystèmes, biodiversité et services écosystémiques face au changement climatique
Synthèse du chapitre 8 de la Cinquième évaluation nationale du climat des États-Unis (NCA5, 2023)
Un changement climatique qui reconfigure les systèmes écologiques
Les écosystèmes constituent le support de nombreuses fonctions écologiques dont dépendent directement les sociétés humaines : production alimentaire, approvisionnement et régulation de l’eau, pollinisation, stockage du carbone, régulation microclimatique, protection contre certains aléas, ressources biologiques, ainsi que de nombreuses dimensions culturelles et récréatives. Ces fonctions contribuent au bien-être humain par l’intermédiaire des services écosystémiques.
Le changement climatique affecte ces systèmes à plusieurs niveaux. Il modifie les conditions abiotiques — température, précipitations, régime hydrologique, couverture neigeuse, conditions océaniques — et interagit avec des facteurs de pression non climatiques tels que le changement d’usage des terres, la fragmentation des habitats, la pollution, les espèces exotiques envahissantes et la surexploitation.
Le chapitre 8 de la Cinquième évaluation nationale du climat des États-Unis (NCA5) souligne que ces interactions peuvent conduire à des transformations conséquentes de certains écosystèmes, caractérisées par des modifications de leur composition spécifique, de leur structure, de leur productivité ou de leur fonctionnement. Ces transformations ont des conséquences potentielles importantes pour les services écosystémiques et, par conséquent, pour le bien-être humain. Le niveau de confiance associé à ce constat est élevé.
Le cadre conceptuel présenté par la NCA5 articule ainsi quatre dimensions interdépendantes : biodiversité, écosystèmes, services écosystémiques et bien-être humain, auxquelles s’ajoutent les facteurs de forçage climatiques et non climatiques.
Figure 8.1 — Chaîne exposition → impacts → adaptation → atténuation pour les écosystèmes. Source : NCA5, chapitre 8, adapté de Lipton et al. (2018).
L’un des principaux enseignements de cette synthèse est que les réponses des écosystèmes ne peuvent pas être appréhendées uniquement à partir de l’évolution moyenne des températures. Elles résultent d’interactions entre exposition climatique, sensibilité biologique et capacité d’adaptation, auxquelles s’ajoutent les pressions anthropiques préexistantes.
Des déplacements d’aires de répartition à la modification de la phénologie
Les réponses biologiques au changement climatique sont multiples. Deux des réponses les mieux documentées concernent les aires de répartition et la phénologie.
Déplacement des aires de répartition
De nombreuses espèces modifient leur distribution géographique en réponse aux changements des conditions climatiques. Chez les espèces terrestres, ces déplacements s’effectuent notamment vers des latitudes plus élevées et vers des altitudes supérieures. Dans les systèmes marins, les déplacements observés peuvent être plus rapides et plus importants, en raison notamment d’une plus grande continuité des habitats et de capacités de dispersion différentes.
La capacité à suivre le déplacement des conditions climatiques favorables dépend cependant fortement de l’écologie des espèces. Les organismes ayant une faible capacité de dispersion, des exigences d’habitat spécifiques ou occupant déjà des environnements proches de leurs limites thermiques sont particulièrement contraints.
Cette situation est particulièrement critique pour les espèces de haute montagne ou des régions polaires : lorsque les conditions favorables se déplacent au-delà des limites physiques de leur habitat, aucune migration altitudinale ou latitudinale supplémentaire ne permet nécessairement de maintenir une population viable.
La NCA5 souligne ainsi que les changements d’aires de répartition constituent à la fois une réponse au changement climatique et un mécanisme potentiel de restructuration des communautés biologiques (KM 10.1).
Modification des rythmes saisonniers
Le changement climatique affecte également la phénologie, c’est-à-dire le calendrier des événements biologiques saisonniers tels que le débourrement, la floraison, la migration, la reproduction ou l’éclosion.
Ces modifications ne sont pas nécessairement synchrones entre espèces. Une modification différenciée des rythmes phénologiques peut ainsi entraîner des décalages temporels dans les interactions biologiques.
Le risque concerne notamment les relations trophiques et mutualistes : une ressource alimentaire peut atteindre son pic d’abondance avant ou après la période où un consommateur en dépend fortement ; la floraison peut être décalée par rapport à l’activité des pollinisateurs ; ou encore la période de reproduction d’une espèce peut ne plus coïncider avec les conditions environnementales qui maximisaient auparavant le succès reproducteur.
Ces changements ont également des conséquences pour les sociétés humaines. L’allongement de certaines saisons polliniques peut accroître l’exposition aux allergènes, tandis que la modification des conditions thermiques peut affecter la dynamique de certains ravageurs.
Figure 8.11 — Modifications observées des aires de répartition et de la phénologie. Source : NCA5, chapitre 8 ; University of Arizona et USFWS.
Une vulnérabilité fortement dépendante des traits biologiques
La réponse d’une espèce au changement climatique ne dépend pas uniquement de l’amplitude du changement environnemental. Elle dépend également de ses traits fonctionnels, de son écologie et de sa capacité d’adaptation.
Les espèces de grande taille, les espèces occupant des habitats polaires ou montagnards, ainsi que les organismes caractérisés par une faible mobilité, une longue durée de vie ou une maturité sexuelle tardive peuvent présenter une vulnérabilité accrue dans certaines conditions.
Les organismes sessiles constituent un cas particulier. Les arbres ou les coraux ne peuvent pas déplacer rapidement leur aire de présence en réponse à une modification locale des conditions thermiques ou hydriques. Leur persistance dépend donc davantage de leur tolérance physiologique, de leur plasticité, de leur capacité de recrutement et de la possibilité pour leurs populations de se maintenir ou de se déplacer à l’échelle générationnelle.
La situation de la baleine franche de l’Atlantique Nord (Eubalaena glacialis) illustre l’effet potentiel de plusieurs facteurs de vulnérabilité convergents. L’espèce combine une grande taille, une longévité importante, une maturité sexuelle tardive et une faible fécondité. À ces caractéristiques intrinsèques s’ajoute une modification de la distribution de ses ressources alimentaires associée au changement climatique. La redistribution du zooplancton peut modifier les zones d’alimentation et accroître l’exposition de l’espèce aux collisions avec les navires et aux engins de pêche.
Le changement climatique agit donc fréquemment comme un facteur multiplicatif de risque, en modifiant l’exposition d’espèces déjà soumises à d’autres pressions anthropiques.
Des changements parfois non linéaires : seuils et transitions de régime
L’un des enjeux majeurs identifiés par la NCA5 concerne la possibilité de transitions non linéaires des écosystèmes.
Dans certains systèmes, l’augmentation d’un facteur de stress ne produit pas nécessairement une dégradation proportionnelle de l’état écologique. Au-delà d’un certain seuil, une perturbation supplémentaire peut provoquer une transition rapide vers un état alternatif, caractérisé par une composition spécifique, une structure ou un fonctionnement différents.
C’est dans ce contexte qu’est mobilisé le concept de point de basculement (tipping point).
Une propriété importante de certains systèmes soumis à de tels changements est l’hystérésis : le retour des conditions environnementales à leur état antérieur ne suffit pas nécessairement à restaurer spontanément l’état écologique initial. Les mécanismes écologiques qui stabilisent le nouvel état peuvent persister après la disparition du facteur de stress initial.
La NCA5 présente plusieurs exemples de transitions de ce type, notamment la conversion de steppes arbustives vers des prairies dominées par des espèces invasives favorisées par les incendies, la transformation de forêts sèches en formations arbustives et les transformations associées au dégel du pergélisol arctique.
La probabilité et la sévérité de ces transitions peuvent être renforcées par l’action simultanée de plusieurs facteurs de stress. Les interactions entre chaleur extrême, sécheresse, incendies, espèces invasives et perturbations liées aux usages des terres peuvent notamment produire des effets supérieurs à ceux attendus de chacun de ces facteurs considéré isolément.
Cette dimension est essentielle pour l’évaluation des risques climatiques : la réponse d’un écosystème ne peut pas toujours être extrapolée linéairement à partir de sa réponse à des variations modérées des conditions environnementales.
Changement climatique, maladies et espèces envahissantes
Le changement climatique modifie également les interactions biotiques, notamment les relations entre hôtes, pathogènes et vecteurs.
Les modifications de température et d’humidité peuvent affecter l’aire de distribution des vecteurs, les taux de développement des pathogènes, la dynamique des populations réservoirs ou encore la susceptibilité des hôtes soumis à des stress environnementaux.
La NCA5 documente ainsi plusieurs pathosystèmes dont la dynamique est associée à des changements environnementaux, notamment le virus du Nil occidental, le syndrome du nez blanc affectant les chiroptères, ou encore une maladie provoquant la perte de tissu chez les coraux. Cette dernière, observée pour la première fois en Floride en 2014, s’est ensuite propagée dans la région caraïbe et affecte plus de 30 espèces de coraux. Le cas du verdissement des agrumes liés à la propagation d’une maladie bactérienne sensible aux conditions thermique, illustre également les interactions entre changement climatique, pathologie et production agricole. Elle constitue l’un des facteurs associés au déclin marqué de la production d’agrumes en Floride depuis 2005.
Les effets du changement climatique sur les espèces exotiques envahissantes sont cependant plus complexes qu’une simple généralisation selon laquelle le réchauffement favoriserait systématiquement leur expansion. La réponse dépend des groupes taxonomiques, des conditions locales et des interactions avec les communautés résidentes. La NCA5 indique notamment que l’aire de certaines plantes et de certains vertébrés envahissants pourrait diminuer, tandis que celle de nombreux invertébrés et pathogènes envahissants pourrait augmenter.
Des transformations écologiques aux services écosystémiques
Les changements observés au niveau des espèces et des communautés ont des implications fonctionnelles. Lorsque la composition, la structure ou la productivité d’un écosystème évoluent, les services écosystémiques associés peuvent eux aussi être modifiés.
La dégradation des zones humides peut par exemple réduire certaines fonctions de régulation hydrologique ; les transformations des écosystèmes marins peuvent affecter les ressources halieutiques ; la modification des régimes hydrologiques peut affecter la disponibilité en eau ; et les transformations des écosystèmes associés à certains territoires peuvent affecter des pratiques culturelles et des formes de subsistance autochtones.
Le niveau de risque n’est toutefois pas uniforme. Il augmente avec l’ampleur du réchauffement et varie fortement selon la sensibilité des systèmes considérés.
La NCA5 identifie notamment des niveaux de risque très élevés pour certains écosystèmes particulièrement sensibles, parmi lesquels les récifs coralliens d’eaux chaudes, dès environ 2 °C de réchauffement global par rapport au niveau préindustriel. Pour ces systèmes, certaines transformations peuvent devenir difficiles à inverser à mesure que le réchauffement augmente (figure 8.3).
Cette relation entre niveau de réchauffement et risque souligne l’importance de considérer les impacts climatiques non seulement en termes de moyennes globales, mais également en termes de seuils, d’extrêmes climatiques et d’interactions entre pressions.
Adapter la gestion à des écosystèmes en transformation
La transformation des écosystèmes pose un problème particulier à la conservation : que signifie conserver un écosystème lorsque les conditions climatiques qui ont permis son état actuel ne sont plus réunies ?
Les stratégies d’adaptation identifiées par la NCA5 comprennent notamment la protection et la restauration des habitats, le maintien de la connectivité écologique, l’identification et la conservation de refuges climatiques et, dans certains contextes, la migration assistée d’espèces.
Les refuges climatiques correspondent à des espaces dans lesquels certaines caractéristiques environnementales évoluent plus lentement ou restent temporairement plus favorables que dans les territoires environnants. Leur identification peut constituer un levier important pour maintenir des populations ou des fonctions écologiques pendant des phases de transformation climatique.
La migration assistée constitue une stratégie beaucoup plus controversée. Elle consiste à déplacer intentionnellement des populations ou des espèces vers des zones où les conditions climatiques futures pourraient être plus favorables. Elle soulève néanmoins des incertitudes importantes concernant les interactions écologiques, les risques d’invasion et les conséquences imprévues sur les communautés réceptrices.
La NCA5 mobilise dans ce contexte le cadre Résister–Accepter–Diriger (Resist–Accept–Direct, RAD), qui propose de distinguer trois grandes orientations de gestion :
- Résister : chercher à maintenir ou restaurer l’état actuel face aux changements attendus ;
- Accepter : reconnaître qu’une transformation est inévitable et accompagner cette évolution ;
- Diriger : intervenir activement pour orienter le système vers une trajectoire ou un état futur considéré comme souhaitable.
Figure 8.9 — Cadres décisionnels adaptatifs pour la gestion des écosystèmes en contexte de changement climatique. Source : NCA5, chapitre 8, adapté de West et al. (2017, 2018) et Lynch et al. (2022).
Le cadre RAD fournit ainsi une grille permettant d’expliciter les objectifs de gestion, les trajectoires attendues et les arbitrages associés à différentes situations écologiques.
Conclusion : protéger le vivant dans un climat en transformation
Le chapitre 8 de la NCA5 met en évidence une transformation des écosystèmes résultant de l’interaction entre changement climatique et pressions anthropiques non climatiques. Les réponses observées concernent aussi bien les distributions géographiques et les rythmes phénologiques que les interactions entre espèces, la structure des communautés et le fonctionnement des écosystèmes.
Ces changements peuvent avoir des conséquences sur les services écosystémiques et, par conséquent, sur le bien-être humain. Leur dynamique n’est toutefois pas nécessairement linéaire. Dans certains systèmes, l’accumulation de facteurs de stress peut conduire à des transitions de régime, à des effets de seuil et à des états écologiques dont la restauration est difficile.
Cette perspective modifie progressivement le cadre de la conservation. Lorsque les conditions climatiques futures diffèrent substantiellement de celles qui ont permis l’établissement d’un écosystème donné, le maintien de l’état historique ne constitue plus nécessairement un objectif réaliste ou écologiquement pertinent.
La gestion doit alors intégrer explicitement la notion de trajectoire : quels éléments de biodiversité cherche-t-on à maintenir ? Quelles fonctions écologiques sont prioritaires ? Quels changements peuvent être acceptés ? Quels changements peuvent encore être évités ? Et dans quels cas est-il pertinent d’orienter activement la trajectoire d’un écosystème ?
La réponse à ces questions dépend du système considéré, de son degré de transformation, de ses capacités de résilience et des objectifs sociaux associés.
Le principal enseignement de la NCA5 est donc moins que « le changement climatique détruit les écosystèmes » que celui d’une reconfiguration progressive des systèmes socio-écologiques, dont l’ampleur dépendra à la fois du niveau de réchauffement, des pressions non climatiques et des choix de gestion.
L’enjeu pour les décennies à venir sera ainsi de développer des stratégies capables de maintenir la biodiversité et les fonctions écologiques essentielles tout en accompagnant, lorsque cela est nécessaire, la transformation des écosystèmes.
Source principale
U.S. Global Change Research Program (2023). Fifth National Climate Assessment (NCA5), Chapter 8: Ecosystems, Ecosystem Services, and Biodiversity.
Cinquième évaluation nationale du climat — NCA5
Le chapitre 8 rassemble les éléments de synthèse relatifs aux réponses des espèces, aux changements d’aires de répartition et de phénologie, aux transitions d’écosystèmes, aux maladies et espèces envahissantes, aux services écosystémiques et aux stratégies d’adaptation.