L’évolution interannuelle du plancton en Méditerranée contrôlée par la convection hivernale

Mardi, 10 juin 2014

Des chercheurs du Laboratoire d’aérologie (UPS / CNRS), en collaboration avec des chercheurs de l’Institut méditerranéen d'océanographie (MIO/PYTHEAS (Université Aix-Marseille, Université du Sud-Toulon-Var / CNRS / IRD), du Laboratoire d'océanographie de Villefranche (LOV/OOV, UPMC / CNRS) et du Groupe d'étude de l'atmosphère météorologique (GAME/CNRM, (Météo France / CNRS), ont réalisé une simulation sur 30 ans de l’évolution du plancton en Méditerranée occidentale. Ils ont ainsi pu mettre en évidence le rôle majeur de la convection hivernale dans le contrôle de la variabilité interannuelle à la fois du phytoplancton et du zooplancton. Une réduction de la convection hivernale provoquée par les changements climatiques pourrait ainsi conduire à une diminution des stocks de poissons pélagiques et à une réduction du stockage de carbone organique dans les couches profondes.

Premier maillon de la chaîne alimentaire marine, le phytoplancton joue un rôle majeur dans le piégeage du carbone atmosphérique. Il est donc primordial de comprendre les processus qui régulent son développement et la sensibilité de ces processus au climat, et ce notamment en Méditerranée, une région identifiée comme particulièrement sensible au changement climatique.

En Méditerranée Nord-Occidentale et durant l’hiver, les coups de vent refroidissent les eaux de surface de la mer qui deviennent plus denses et plongent alors (processus de convection), produisant un brassage vertical intense des eaux jusqu’à une profondeur pouvant varier entre 100 et 2500 mètres. Cette convection induit la redistribution d’une part des nutriments initialement présents en profondeur, là où ils sont produits par décomposition de la matière organique, et d’autre part du phytoplancton initialement présent en surface, là où il y a le plus de lumière. Cette redistribution limite l’abondance phytoplanctonique aussi bien en surface qu’en profondeur, le phytoplancton ayant besoin pour croître à la fois de nutriments et de lumière.
À l’opposé, en mars-avril, lorsque la colonne d’eau se stratifie à nouveau, l’abondance des nutriments apportés en surface durant l'hiver et la disponibilité de la lumière donnent lieu à un bloom printanier intense qui conduit aux productions phyto- puis zooplanctoniques(1) les plus importantes de l’année.

Concentration en chlorophylle, déduite de données satellitaires de couleur de l’eau, faibles en hiver (à gauche) et fortes au printemps (à droite). Images fournies par F. D’Ortenzio (LOV).

Par le passé, différents travaux ont mis en évidence une évolution interannuelle de la biomasse phytoplanctonique et suggéré qu’elle pouvait être attribuée à des changements intervenus dans la convection hivernale.

Afin de mieux comprendre la variabilité interannuelle de la biomasse planctonique, une  équipe constituée de chercheurs issus de plusieurs laboratoires (LA, MIO, LOV et GAME) s’est donnée pour objectif de quantifier les processus reliant la convection océanique hivernale à la dynamique du plancton. Les observations in situ étant beaucoup trop partielles et éparpillées dans le temps et l’espace, les chercheurs se sont appuyés sur la modélisation numérique. Ils ont utilisé un modèle tridimensionnel de la Méditerranée Nord-Occidentale(2), capable de représenter à la fois ses propriétés physiques (température, courant, éclairement…), la répartition en concentration des différents nutriments ainsi que les biomasses phyto- et zooplanctonique, dont ils ont simulé l’évolution sur une période de 30 ans présentant des conditions hivernales très contrastées (1975-2005). Les résultats de ces simulations ont été analysés de manière statistique.

Ces travaux ont permis de montrer qu’une analyse basée sur la chlorophylle (pigment du phytoplancton) de surface, telle que la fournissent les satellites, n’est pas suffisante pour comprendre la dynamique planctonique dans cette région. Il s’avère en effet que la convection hivernale induisant une dilution de la biomasse sur la verticale, la diminution drastique de la biomasse observée en surface est partiellement compensée par la présence de biomasse sur l’ensemble de la colonne d’eau, laquelle conduit à une biomasse intégrée certes faible mais non négligeable.
Par ailleurs, la convection semble n’avoir que peu d’effet, en moyenne annuelle, sur la production phytoplanctonique, en raison d’une compensation saisonnière entre les conditions défavorables de l’hiver et le bloom printanier. En revanche, elle semble avoir un effet sur l’assemblage phytoplanctonique, en favorisant les plus grandes cellules, une situation qui devrait conduire à une séquestration plus importante du carbone en profondeur du fait de la plus grande vitesse de chute des grandes cellules par rapport aux petites.

Les chercheurs ont aussi pu mettre en évidence qu’en diminuant la probabilité de rencontre entre proies (phytoplancton) et prédateurs (zooplancton), la dilution hivernale liée à la convection nuit au développement du zooplancton. Cette raréfaction du zooplancton pourrait alors expliquer l’importance du bloom printanier de phytoplancton, ce dernier pouvant se développer plus rapidement du fait de la réduction de la pression de broutage exercée par le zooplancton.
Néanmoins, à l’échelle annuelle, si la convection reste préjudiciable au petit zooplancton, elle s’avère favorable au mésozooplancton (le plus gros) qui se développe sur les détritus du bloom de printemps et sur les plus petits zooplanctons dont il contrôlerait ainsi le développement. Ce résultat conduit à penser que la convection pourrait avoir un impact sur le développement des larves et juvéniles des petits poissons pélagiques (sardines, anchois …) qui se nourrissent de mésozooplancton.

Cycles annuels de la biomasse phytoplanctonique et zooplanctonique intégrée sur la verticale (en mmol de carbone par m2). Les courbes rouges (bleues) correspondent aux années pour lesquelles la convection est la plus forte (faible). Les pourcentages indiquent les modifications de biomasse entre les 15 années de plus forte convection et les 15 années de plus faible convection, en hiver, au printemps-été et en moyenne annuelle.

Comme le changement climatique pourrait s’accompagner d’une réduction de la convection dans cette région, ces résultats suggèrent que - dans ce cas - on pourrait s’attendre à une réduction du stockage de carbone organique dans les couches profondes, à une augmentation du petit zooplancton et à une raréfaction des poissons se nourrissant de mésozooplancton.
Les deux campagnes en mer DEWEX réalisées en 2013 dans le cadre du programme MERMEX (Marine ecosystems response in the mediterranean experiment) devraient apporter les données nécessaires à la validation de ces résultats.

Ce travail est une contribution au programme MerMEx (Marine Ecosystems Response in the Mediterranean Experiment) développé dans le cadre du programme MISTRALS du CNRS.

Note(s): 
  1. Le zooplancton est le second maillon de la chaine alimentaire. Il consomme le phytoplancton, premier maillon de la chaine alimentaire.
  2. Ce modèle était constitué du modèle Symphonie pour l’aspect physique et du modèle ECO3M-S pour l’aspect biologie.
Source(s): 

P. A. Auger, C. Ulses, C. Estournel, L. Stemmann, S. Somot, F. Diaz, 2014: Interannual control of plankton communities by deep winter mixing and prey/predator interactions in the NW Mediterranean: results from a 30-year 3D modeling study. Progress in Oceanography, Volume 124, May 2014, Pages 12–27

Contact(s):
  • Claude Estournel, LA/OMP
    claude [dot] estournel [at] aero [dot] obs-mip [dot] fr, 05 61 33 27 77

La reprise des actualités du site est autorisée avec la mention "Source : Actualités du CNRS-INSU" et un lien pointant sur la page correspondante.