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Offre de stage

Intégration de Données de Suivi Haute Fréquence d’Oxygène Dissous pour la Détermination du Métabolisme de Plans d’Eau


Structure d’accueil :

Centre de Géosciences, MINES ParisTech (Fontainebleau)

Responsable du stage :
Nom : Sophie GUILLON
Tél : 01 64 69 47 48 / 06 76 52 73 49
Email : sophie.guillon chez mines-paristech.fr

Références dans le domaine :

Garnier, J. ; Billen, G. Ecological interactions in a shallow sand-pit lake (Lake Créteil, Parisian Basin, France) : a modelling approach. Hydrobiologia. 275-276:97-114 ; 1994
Guillon, S. ; Thorel, M. ; Flipo, N. ; Oursel, B. ; Claret, C. ; Fayolle, S. ; Bertrand, C. ; Rapple, B. ; Piegay, H. ; Olivier, J.-M. ; Vienney, A. ; Marmonier, P. ; Franquet, E. Functional classification of artificial alluvial ponds driven by connectivity with the river : Consequences for restoration. Ecol Eng. 127:394-403 ; 2019
Staehr PA, Bade D, Van de Bogert MC, Koch GR, Williamson C, Hanson P, Cole JJ, Kratz T, 2010. Lake metabolism and the diel oxygen technique : State of the science. Limnology and Oceanography : Methods 8.
Winslow, L.A. ; Zwart, J.A. ; Batt, R.D. ; Dugan, H. ; Woolway, R.I. ; Corman, J. ; Hanson, P.C. ; Read, J.S. LakeMetabolizer : An R package for estimating lake metabolism from free-water oxygen using diverse statistical models. Inland Waters. 6:622-636 ; 2016
Yvon-Durocher G, Hulatt CJ, Woodward G, Trimmer M, 2017. Long-term warming amplifies shifts in the carbon cycle of experimental ponds. Nat Clim Chang 7.

Description du stage :
Objectifs du stage – L’objectif principal du stage est d’intégrer des données de suivi haute fréquence de teneur en oxygène dissous afin de déterminer le métabolisme de plans d’eau. Spécifiquement, il s’agit dans un premier temps de développer un outil opérationnel, fiable et robuste, de calcul du métabolisme, en précisant ses limites d’utilisation, en particulier concernant la fréquence de mesure et la stratification verticale des lacs. Dans un second temps, une analyse statistique de la dynamique du métabolisme ainsi calculé sera réalisée.
Méthodologie – Les données environnementales du projet seront issues de la plateforme expérimentale des macrocosmes de l’Equipex PLANAQUA (CEREEP-Ecotron IDF, St-Pierre-lès-Nemours) qui consiste en 16 petits lacs expérimentaux (750 m3 chacun) faisant l’objet depuis 2016 d’un suivi biochimique mensuel et d’un suivi physico-chimique haute fréquence (2h), incluant l’oxygène dissous, et ce à plusieurs profondeurs. Depuis l’été 2019, le suivi de la teneur en oxygène dissous est également réalisé à plus haute fréquence (10 min) à 70 cm de profondeur dans tous les lacs, ce qui permettra d’étudier dans le détail l’impact de la fréquence de mesure sur le calcul du métabolisme.
L’expérience en cours consiste à contraster les apports en nutriments limitant potentiellement la production primaire (enrichissement ou non en N et P), ainsi que la présence de prédateurs de sommet de chaîne (absence ou présence de perches), entre les différents lacs selon un plan factoriel équilibré (2 facteurs croisés, 4 réplicats). Tous les lacs ont été initialement empoissonnés avec des communautés semblables de Cyprinidés. Un jeu de données unique et conséquent est généré en continu par cette expérience et organisé dans une base de données centralisée, afin d’être exploité par des outils d’analyses statistique et de modélisation.
Le métabolisme journalier (respiration et production primaire) sera calculé par la méthode des courbes journalières en oxygène dissous (Staehr et al., 2010, Guillon et al., 2019) à partir des chroniques de concentration en oxygène dissous mesurées in situ dans les lacs. Cette méthode est simple d’utilisation, et ne requiert que peu d’hypothèses simplificatrices sur le fonctionnement biologique, contrairement aux modèles biogéochimiques plus lourds, tels que RIVE (Garnier et Billen, 1994). Des travaux préliminaires ont montré la faisabilité du calcul du métabolisme avec la méthode des courbes journalières en oxygène dissous sur les données des lacs de la plateforme PLANAQUA, mais ont également souligné les limites de cette méthode, en particulier concernant la fréquence des données d’oxygène dissous (un pas de temps de moins de 1 h s’avère nécessaire).
Une fois le métabolisme journalier calculé, de nouveaux outils statistiques en séries temporelles seront utilisés pour chercher à identifier les effets de l’enrichissement en nutriments et des poissons piscivores (Yvon-Durocher et al., 2017), mais également la dynamique naturelle saisonnière, ainsi que les effets potentiels d’événements climatiques extrêmes (en particulier la canicule de l’été 2019). Les outils de traitement des données, de modélisation du métabolisme et d’analyse statistique seront développés en langage R, et en partie basés sur des packages R existants (Winslow et al., 2016).

Calendrier :
Février 2020 : analyse exploratoire du jeu de données haute fréquence d’oxygène dissous dans les lacs, comparaison avec le jeu de données à moins haute fréquence.
Février-Mars : calcul du métabolisme des lacs à partir des chroniques haute fréquence de concentration en O2 et test de sensibilité à une dégradation du pas de temps de mesure.
Mars-Avril 2020 : analyse statistique des résultats de métabolisme obtenus pour identification de l’effet des traitements et des événements climatiques.
Mai 2020 : écriture du rapport, le cas échéant écriture d’un plan de valorisation sous forme de publication scientifique.

Inscription du stage dans un(des) menu(s) EVEF du master BEE /EBE :
- Menu Biodiversité et Fonctionnement des Écosystèmes (BIFE)
- Menu « EVEF Libre »
Si besoin, description des menus EVEF sur : http://www.master-ebe.u-psud.fr/spip.php?article925

Ce stage peut se poursuivre par une thèse. Le sujet sera déposé pour une demande de financement dans une école doctorale (ED 398 GRNE ou ED IEES).