SC Dispositifs Expérimentaux

Responsables du Service Commun Dispositifs Expérimentaux : Laurence Affre et Thierry Gauquelin

Présentation du SC Dispositifs expérimentaux

En écologie, après une phase de recensement, d’observation et de théorisation, il importe de compléter et approfondir les connaissances par des approches expérimentales qui permettent une compréhension intégrée des processus qui régissent les impacts du changement global et les réponses de la biodiversité à ces changements. La mission du Service Commun Dispositifs expérimentaux ex-in situ (SC DE) concerne la mise en place et le suivi d’expérimentations aussi bien en conditions contrôlées (ex situ, in vitro), de modélisation, qu’en milieu naturel (in situ) pour les modèles végétaux/ animaux terrestres/marins afin de préciser la dynamique et l’évolution de la biodiversité soumise aux changements globaux (réchauffement climatique, pollutions, invasions d’espèces...).
Le SC inclue (i) le jardin botanique et de 8 chapelles de serres expérimentales et de 17 phytotrons sur les 3 sites Arbois, Etoile, St Charles, (ii) le site CLIMED sur le site de l’Etoile, (iii) l’O3HP de St Michel l’Observatoire et (iv) les aquariums sur les sites de St Jérôme et d’Endoume.

Co-responsables
Laurence Affre & Thierry Gauquelin

Référents de sites
Jardin, Serres, Phytotrons : Arne Saatkamp
CLIMED : Jean Philippe Mévy
O3HP : Thierry Gauquelin
Aquariums : Carole Borchielini & Nicolas kaldonski

Pour une optimisation du fonctionnement du SCDE, merci d’intégrer une demande de financement spécifique dans les réponses aux Appels d’Offre et de citer le SCDE et son personnel dans les productions scientifiques.

Listing

9 personnels techniques
Alain BENCE (ATRF, AMU, 100%) – Etoile
Lenka BROUSSET (TCN, AMU, 100%) – Arbois
Virgile CALVERT (TCE, AMU, 50%) - Station Marine d’Endoume
Sylvie DUPOUYET (AJT, AMU, 10%) – St Charles
Jean Marie GREGORI (ATRF, AMU, 10%) - Etoile
Patrick METODINI (ATRF, AMU, 50%) – Etoile
Jean Philippe ORTS (AI, CNRS, 100%) – O3HP
Daniel PAVON (IGE, AMU, 100%) – Arbois
Marie-Dominique SALDUCCI (ASI, AMU, 10%) - St Charles

Utilisateurs

O3HP / CLIMED

Site O3HP
Le site expérimental O3HP (OaK Observatory at OHP), mis en place en 2009 sur 100ha à Saint Michel l’Observatoire (Alpes de Haute Provence), permet d’étudier la dynamique, le fonctionnement et la biodiversité d’une forêt méditerranéenne de Chêne pubescent face aux changements climatiques. Ce dispositif vient compléter, pour la région méditerranéenne, celui, précurseur, installé par le CEFE à Puechabon près de Montpellier concernant le Chêne vert et celui concernant le Pin d’Alep à Roquefort la Bedoule installé par l’INRA. Il est géré et coordonné par le Consortium IMBE/OSU PYTHEAS/ECCOREV et fortement soutenu par l’Institut Ecologie et Environnement (INEE) du CNRS. Il a aussi reçu l’appui financier de la région PACA et du Conseil Général des Alpes de Haute Provence.

L’O3HP fait officiellement partie du réseau SOERE F-ORE-T (http://www.gip-ecofor.org/f-ore-t/index.php) depuis 2016.

Le dispositif est organisé autour d’une plateforme expérimentale installée au sein d’une parcelle de Chêne pubescent (Quercus pubescens) dominant accompagné d’érables de Montpellier (Acer monspessulanum) :
1. Un système de passerelles instrumentées organisées sous forme d’une croix dont chacune branche est longue de 10m et installée à 2 niveaux de hauteurs : 0,80m et 3,5, permettant ainsi un accès facile à la canopée et aux strates inférieures sans perturber le sol.
2. Un système d’exclusion de pluie couvrant environ la moitié de la parcelle (300 m2) et conçu à partir d’un système de bâches déroulantes interceptant les précipitations et d’un système d’aspersion permettant de les redistribuer à volonté. Ceci permet de reconstituer dans la parcelle forestière étudiée un régime des précipitations proche de celui que nous prédisent les modèles climatiques pour les décennies à venir, tablant sur une baisse de ces précipitations de l’ordre de 30 à 40%. Quand il pleut, et à des périodes précises définies par le modèle choisi, les rideaux repliés le long de la structure métallique couvrant la canopée et les passerelles la traversant, se déploient automatiquement, limitant ainsi les précipitations incidentes. Tant au niveau de leur biodiversité que de leur fonctionnement écosystémique, zone d’exclusion de pluie et zone témoin située à proximité pourront alors être comparés afin de comprendre l’impact du changement climatique sur cet écosystème forestier méditerranéen.
3. Un réseau de capteurs (T°, humidité, à différents niveaux du sol et de la canopée, flux de sève, etc.), fournissant une information en temps réel sur les conditions méso et microclimatiques ainsi que sur l’activité des arbres.
L’O3HP est donc un véritable outil de terrain à fort potentiel scientifique, constituant une plateforme mutualisée entre différents laboratoires et largement ouvert à la communauté scientifique.

Ce programme associe des physiciens de l’atmosphère, des astrophysiciens, des physiologistes et des écologues, avec des interactions fortes entre personnel de l’OHP et ceux des laboratoires d’Ecologie ou Environnement (IMBE, CEREGE, etc). Ces interactions vont permettre par exemple, une optimisation de la gestion des bases de données... récoltées en très grand nombre.

L’O3HP s’intègre sur le même site de l’OHP concernant :
-  La Station Géophysique Gérard Mégie : mesures d’O3 stratosphérique par Lidar (2-80 km) et mesure par des sondages ballon hebdomadaire du profil d’O3 entre 0-35 km, de la totalité des aérosols dans la colonne verticale, des radiations UV et de la stratification de la température et du vent de l’atmosphère).
-  La station ICOS : mesures de concentrations (10 m, 50 m, 100 m) et flux des gaz à effet de serre (CO2, CH4, CO, H2O). La station ICOS est équipée avec un Lidar pour mesurer la couche limite planétaire (70m-4km) et conçue pour mesurer aussi des aérosols.
-  La station de surveillance de la pollution AirPaca : mesures continues d’O3, de NOx et des particules PM10, PM2.5 au niveau de la canopée (à 5 m).
La base de données COOPERATE mise en place à l’O3HP permet une interopérabilité effective des données et constitue un atout majeur pour cette complémentarité.

Installations O3HP

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Modalités d’utilisation

Site CLIMED
Programme de Recherche ANR CLIMED : Impacts des changements climatiques sur la biodiversité et conséquences pour le fonctionnement d’un écosystème Méditerranéen.
Pour ce programme de recherche, la ville de Marseille a mis à disposition des scientifiques de l’IMBE une parcelle de terrain sur le massif de l’Etoile.
Le site expérimental Climed (superficie de 2,5ha) situé à l’interface de la ville et des collines péri-marseillaises, offre la possibilité d’explorer les questions relatives (i) au lien entre biodiversité et fonctionnement des écosystèmes, (ii) à la sensibilité des espèces au changement climatique et (iii) au devenir des formations de garrigue dans le contexte du changement global. Ce site enclot une garrigue méditerranéenne dominée par 4 espèces arbustives caractéristiques de cette formation végétale, le Chêne kermès, le Ciste blanc, l’Ajonc de Provence, le Romarin et le Brachypode rameux.
Ce site dispose de deux stations météorologiques autonomes, d’une quarantaine de capteurs qui mesurent en continu 11 paramètres climatiques. Les données climatiques sont disponibles via la plateforme COOPERATE : https://cooperate.obs-hp.fr/db/index.php/fr/. CLIMED est équipé de 92 dispositifs d’exclusion de pluie installés en 2011 permettant de tester l’influence d’une diminution des précipitations (sous les dispositifs avec environ 15% de pluie en moins) sur la structure et le fonctionnement de la garrigue.

Installations CLIMED

Modalités d’utilisation
A la fois pour des besoins d’enseignement et de recherche, dans les demandes de financement penser à prévoir un budget pour la maintenance du site (capteurs à renouveler...).
Pour l’accès au site (clés), merci de contacter Jean-Philippe Mévy.
Faire une demande d’inscription auprès de Jean-Philippe Mévy pour avoir accès à la base de données météo Cooparate accessible à tous.

Etude végétation

Un grand nombre de programmes de recherche au sein de l’unité IMBE utilisent des données de végétation en termes de composition et d’abondance relative d’espèces végétales.

Pour garantir la grande qualité des données en termes d’identification des espèces végétales, Daniel Pavon, systématicien botaniste assure à la fois la formation des nouveaux doctorants, chercheurs et étudiants stagiaires aux relevés de végétation, la qualité des données et le transfert des compétences entre chercheurs IMBE, Conservatoires Botaniques Nationaux et un réseau de naturalistes associé.

Jean-Philippe Orts assure en plus de ses activités à l’O3HP ci-dessous la formation et le contrôle de qualité des données phénologiques au sein de l’IMBE.

Jardin / Serres

Le jardin botanique présente 2 orientations, l’une pédagogique et l’autre recherche.

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L’outil recherche
Le jardin botanique expérimental de St Jérôme comprend trois serres et plusieurs surfaces expérimentales. Ces surfaces expérimentales bénéficient d’un suivi détaillé du microclimat, notamment de la température du sol et de l’air, de la pluviométrie, du potentiel hydrique, du vent, de la lumière, de l’humidité de l’air avec une transmission et une gestion en ligne des données grâce à la base de données COOPERATE. Se rajoutent aux surfaces expérimentales des collections de végétaux vivantes à la fois en extérieur qu’en intérieur avec un focus sur les végétaux des climats méditerranéens. Le jardin botanique expérimental est complété par deux serres à l’Arbois et deux serres à St Charles. De plus, 17 enceintes de culture (phytotrons) sont utilisées pour la germination et la croissance de plantes au sein de l’IMBE ainsi que le développement de microorganismes. Les phytotrons permettent de contrôler température, lumière et en partie l’humidité de l’air pour des expérimentations de modification de climat et de croissance de végétaux, microorganismes et d’activité de la mésofaune du sol.
Toutes ces installations expérimentales servent à étudier, pour différents modèles, (i) l’effet du climat et des facteurs édaphiques et biotiques comme le stress hydrique, l’allélopathie, et les pollutions sur la germination et la croissance des végétaux et l’activité de mésofaune du sol et des microorganismes, (ii) l’importance des interactions biotiques comme la compétition, l’herbivorie, et la pollinisation pour la croissance/reproduction, (iii) la relation entre les facteurs climatiques de la germination et de la croissance in situ et les modèles développés in vitro et (iv) les variables environnementales pertinentes pour les processus concernés (température de l’air vs température du sol, précipitations vs potentiel hydrique du sol) ainsi que la résolution spatio-temporelle (mensuelle vs sub-horaire).

Jardin botanique expérimental et Serres de St jérôme

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Serres de l’Arbois

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Serres de St Charles

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Instrumentation microclimatique & pédologique du jardin expérimental
L’instrumentation pour la mesure de paramètres microclimatiques et pédologiques au jardin botanique de St Jérôme s’insère dans plusieurs programmes de recherche et permettent un suivi des variables de façon comparable aux autres sites d’observation O3HP et CLIMED.

De plus, sur le site de Saint Jérôme les surfaces expérimentales permettent de suivre en détail la phénologie des plantes herbacées et notamment leur germination depuis l’automne 2013. Ces expériences servent à étudier de façon comparative la phénologie de germination d’une trentaine d’espèces du genre Silene (Caryophyllaceae) et de plantes annuelles méditerranéennes.
Dans ce cadre, les mesures de potentiel hydrique et de température doivent être à un pas plus précis que la journée pour évaluer les temps hydriques et thermiques moyens. Pour la germination, les gammes de mesure du potentiel hydrique concernent la plage de valeurs de -0.1 MPa à environ -7 MPa dans lequel une résolution de 0.1 MPa est atteint par des sondes de potentiel hydrique matriciel Campbell.
Equipement existant
Station météo : une station météo avec les variables classiques (température de l’air, humidité, pluviométrie, vitesse et direction du vent a été installé. Elle est complétée par un pluviomètre digital Davies et deux capteurs de lumière globale.
Potentiel hydrique/Campbell : Deux surfaces expérimentales au jardin sont équipées de deux capteurs de potentiel hydrique (Campbell 229 water Matric Potential Sensor + excitation module CE4). Les capteurs de potentiel hydrique (Campbell 229 water Matric Potential Sensor) sont reliés à un CR1000 de Campbell, enregistrant les mesures 1 fois par heure, les données sont stockées et accessibles via la base de données COOPERATE.
Les raccords électriques ont été enfouis grâce à des moyens du projet GREATMED en 2015, et l’installation d’un réseau WIFI, il persiste actuellement des problèmes de transmission par WIFI des données un problème à régler en 2018 et 2019.
Equipement et mesures visées :
1) Température à 12 points 1 fois par heure (9 à la surface du sol, 1 à 1m du sol, 2 dans les serres)
2) Potentiel hydrique (-0.1 à -5MPa) à 4 points 1 fois par heure (à la surface du sol ou à -1cm)
3) Humidité de l’air à 4 points 1 fois par heure (résolution et plage de valeurs à définir)
4) Pluviométrie à 2 point (1/jours)
5) Paramètres d’une station de météo classique : vitesse de vent, heures d’ensoleillement
6) Un équipement de transfert et de stockage de données automatique dans la base COOPERATE mis en place par ECCOREV.

Plan des surfaces expérimentales dans le jardin expérimental

L’outil pédagogique
Le jardin botanique comprend un parcours pédagogique et d’une collection de plus de 100 espèces végétales d’origine géographique très diverses étiquetées et récoltées lors de différentes excursions
botaniques utilisés dans le cadre des enseignements de Licence et de Master de l’Université Aix-Marseille et aussi pour les écoles du quartier grâce à l’activité de l’association E4 Expertise Ecologique - Education à l’Environnement.

Université Aix-Marseille
Conservation ou mise en culture d’échantillons végétaux utilisés pour les travaux pratiques (L1, L2, L3, M et préparation aux concours du CAPES et de l’Agrégation).
Visite par les groupes d’étudiants pour observer des végétaux d’origines diverses (plantes tropicales, plantes des milieux arides…) ou rares (espèces protégées…).
Mise en place de protocoles expérimentaux simples développés par des étudiants dans le cadre de stages de L ou de M s’appuyant sur des petits projets de recherche.

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Chasse au trésor en anglais - Professeur Agrégé d’Anglais Laurence d’Alifé-Martinez (Professeur Agrégé d’Anglais).

Association E4 - Expertise Ecologique - Education à l’Environnement
http://expertiseecologique.free.fr - http://e4asso.over-blog.com/
Depuis 2008, 60 classes du CP au Lycée ont visité le jardin botanique sur la base d’enseignements sur « la morphologie des plantes », « la ronde des saisons », « jardin botanique et biodiversité« et »plantes méditerranéenne », « à chacun son écorce », « histoire de la vie sur terre », « morphologie des plantes », « à chacun sa feuille », « les plantes face au climat ».

Modalités d’utilisation

Aquariums

La station marine d’Endoume (SME) est dotée de 40 aquariums en utilisation constante, à la fois d’eau de mer courante et artificielle permettant le maintien et l’expérimentation des organismes marins étudiés à l’IMBE.
Un parc d’aquariums d’eau de mer courante de petits volumes (de 13L à 24L) est dédié à l’expérimentation sur la thermo-tolérance, l’impact des polluants sur les organismes et les cycles de vie. Les réponses du vivant sont observées à différentes échelles : morphologique, anatomique, génétique et épigénétique. Ces analyses sont facilitées par la proximité de ces aquariums avec les autres services communs présents également à la Station Marine d’Endoume : service commun biologie moléculaire et service commun histologie.
Les aquariums (4 de 150L) d’eau de mer artificielle offrent des systèmes contrôlés (pH, température, photopériode, salinité) pour l’analyse séparée de l’effet de la variation de différents paramètres.
Ces aquariums sont actuellement utilisés pour les manipulations d’organismes modèles étudiés à l’IMBE mais pourront aussi nous permettre d’attirer des chercheurs d’autres unités souhaitant travailler sur le vivant.
Nous disposons également d’un parc d’aquariums de plus grand volume permettant le maintien de différents organismes dédiés à l’expérimentation.

Ces approches ex situ sont complétées par des approches in situ réalisées par les plongeurs de l’IMBE dans le cadre du service commun de plongée OSU-PYTHEAS. La présence de ce service commun sur le site d’Endoume également assure un transport rapide et efficace depuis le prélèvement en mer jusqu’aux aquariums, limitant ainsi les perturbations et facilitant l’acclimatation de nos modèles.

Installations des aquariums

Modalités d’utilisation

Programmes

Liste des programmes de recherche
LIFE, 2017-2022. Nature et Biodiversité : Habitats Calanque : Integrated management in Mediterranean on remarkable coastal habitats suburban of Calanques related to southern Europe.

Projet OTmed : Aix‐Marseille Carbon Pilot Study, 2016-2019. Régulation stomatique de la pollution due à l’ozone et au CO2 et ses conséquences sur les écosystèmes terrestres méditerranéens. Andréas Paya M2R 2018 - Encadrants : J.P. MEVY et Ilja Reiter.

Programme AXA, 2017-2018. Impact de la sécheresse sur les traits floraux et les conséquences sur les pollinisateurs, Coline Jaworsky, Benoit Geslin et Catherine Fernandez.

ATMOFLEX, 2017. Monitoring Solar induced Fluorescence emissions in Ecosystems, European Space Agency (ESA)

HUMI -17, 2017-2021. Past dynamic of continental atmospheric humidity and vegetation : new insights from the triple isotopic composition of oxygen [HUMI-17], AAPG ANR

TRANS C3, 2016. Le Transcriptome du Chêne pubescent en réponse au Changement Climatique, FR ECCOREV

AMC, 2016-2018. Aix-Marseille Carbon Pilot Study, Labex OT-MED

BouLOn, 2017-2018. Boundary Layer Composition and Dynamics at the Observatoire de Haute-Provence, FR ECCOREV

Conf Ecohydrologie, 2017. FR ECCOREVGFHN

REGION PACA, 2012-2015. Comparer les niches de germination pour prévoir l’évolution et la vulnérabilité future de la flore en région PACA dans le cadre du changement climatique.

Liste des publications
Genard-Zielinski A-C, Boissard C., Ormeño E, Lathière J., Reiter I., Wortham H., Orts J.P., Temine-Roussel B., Guenet B., Bartsch S., Gauquelin T., Fernandez C.2018. Simulating precipitation decline under a Mediterranean deciduous Oak forest : effects on isoprene seasonal emissions and predictions under climatic scenarios. BioGeosciences DOI10.5194/bg-2017-17

Hashoum H., Santonja M., Gauquelin T., Bousquet-Melou A. 2017. Biotic interactions in a Mediterranean oak forest : role of allelopathy along phenological development of woody species, European Journal of Forest Research DOI10.1007/s10342-017-1066-z
Santonja M., Fernandez C., Proffit M., Gers C., Gauquelin T., Reiter I., Cramer W., Baldy V. 2017 Plant litter mixture partly mitigates the negative effects of extended drought on soil biota and litter decomposition in a Mediterranean oak forest. Journal of Ecology, 105(3):801-815 ·DOI : 10.1111/1365-2745.12711

Liste des communications
Saunier A., Viros J., Ormeno E., Temime-Roussel B., Wortham H., Lecareux C., Fernandez C. Isoprene emissions under climate change, future impact on allelopathy.

Viros J., Elena Ormeno E., Saunier A., Mévy J.P., Fernandez C. Role of terpene emission in chemical plant-plant interactions under water deficit between Mediterranean forest species.

Hazem Hashoum H., Jordane Gavinet 1, Virginie Baldy 1, Thierry Gauquelin 1, Arne Saatkamp 1, Catherine Fernandez 1, Anne Bousquet-Mélou. Does climate change affect plant-plant interactions in Mediterranean Oak forest ?

Participation à l’Emission FR3 « 9h50 de Carine Aigon » le 4 décembre 2017 : https://france3-regions.francetvinfo.fr/provence-alpes-cote-d-azur/emissions/9h50-matin-provence-alpes-cote-azur : La forêt en PACA.

T. Gauquelin, Octobre 2017.La forêt sur la rive Nord de la Méditerranée : entre extension spatiale et abandon des pratiques Conférence introductice. 7emes journées Petites paysanneries CNRS/IRD.

Organisation à l’OHP des journées annuelles d’intercalibration du groupe de phénologie du SOERE TEMPO : visite et utilisation du site O3HP.