Interactions Plantes-Plantes Positives et Patrons spatiaux dans les résidus Post-mines des Pyrénées – SixP

En réunissant des chercheurs et partenaires investis dans l’acquisition de données aéroportées, dans la gestion des anciens sites miniers, dans la biogéochimie des sols contaminés, dans l’écologie végétale dans les écosystèmes contraignants, et dans le développement de méthodes d’intelligence artificielle, le projet SIXP s’est organisés en trois grands lots.

Le premier lot était dédié à la caractérisation des gradients environnementaux présents sur les sites étudiés, que ce soit en termes de contamination, de contextualisation de cette pollution (par la caractérisation de la topographie locale, des directions de ruissellement des eaux pluviales), ou d’autres variables nécessaires pour comprendre la dynamique de la végétation (comme la mesure de la fertilité des sols). L’ensemble des données acquises a été intégré dans un SIG utilisable par les partenaires du projet, permettant de contextualiser précisément les zones d’observations et d’expérimentations utilisées. Le deuxième lot était dédié à l’étude des interactions entre plantes le long des gradients de contamination. La variation de ces interactions a été étudiée le long de gradients situés à différentes altitudes, par des approches observationnelles (en mesurant la répartition des espèces les unes par rapport aux autres) et expérimentales (en transplantant des espèces à proximité de plantes potentiellement améliorantes ou sans plantes voisines).

Le troisième lot était dédié à la cartographie automatique des plantes par des méthodes IA appliquées sur les images aéroportées acquises à très haute résolution. Nous avons évalué plusieurs modèles de référence en segmentation sémantique et en détection d’objet, caractérisé les images issues des différentes zones d’étude, contourné l’erreur spatiale inhérente aux campagnes d’acquisition, régressé les variables biophysiques et biochimiques, et générer des modèles numériques de terrain à partir de nuages de points 3D.

Les mesures sur site ont montré l’importance de réaliser une cartographie détaillée des contaminations et de leur disponibilité en tenant compte du contexte géologique, minéralogique et géomorphologie des sites. La mesure concentration des sols en métaux par extraction à l’acide acétique s’est avérée être un bon indicateur de la disponibilité environnementale sur les sols étudiés. Enfin, les résultats ont démontré un risque écotoxicologique très élevés pour les sols étudiés vis-à-vis de Cd, Zn et Pb. Pour compléter cette caractérisation environnementale, l’acquisition de données par drone a permis d’obtenir des nuages de point lidar et des images aériennes avec résolutions milli ou centimétriques rarement obtenues en contexte montagneux.

En écologie, les résultats ont confirmé l’importance de la facilitation dans les zones fortement contaminées. La facilitation est d’autant plus importante que les espèces/individus en interactions sont fonctionnellement différenciés. En particulier, les plantes très adaptées à la présence des métaux semblent favoriser la présence des espèces moins adaptées. La facilitation contribue donc au maintien de la diversité dans les zones contaminées. Concernant les effets en jeu, les améliorations microclimatiques sont particulièrement importantes. En effet, dans les zones peu végétalisées, des journées chaudes et sèches en été peuvent être particulièrement stressantes pour la végétation, même en altitude. Ces améliorations microclimatiques sont liées à l’ombrage et à la transpiration des espèces tolérantes au métaux. Aussi, les résidus miniers en montagne et en pente présentent des sols instables et pierreux. La possibilité que des effets positifs soient liés à la stabilisation des sols est en cours n’analyse. Enfin, des effets négatifs (contraire à la facilitation) ont aussi été démontrés, mais dans les parties peu contaminées des gradients. Certaines plantes ont la capacité de prélever et d’accumuler les métaux dans leurs feuilles. Lorsque ces feuilles tombent et se décomposent, cela peut augmenter la concentration locale en métaux, nuisant aux plantes voisines sensibles dans ces zones peu contaminées. Enfin, l’ensemble de ces effets a disparu pendant la canicule de l’été 2022 où la végétation a été très impactée. Considérant le rôle important de la facilitation dans les zones contaminées, cela pose la question de l’impact à plus long terme du changement climatique sur la végétation étudiée.

Dans le domaine de l’intelligence artificielle, nous avons obtenu plusieurs résultats significatifs. Nous avons montré que la problématique de classification des plantes devait être traitée comme une tâche de détection d’objet, et que l’imprécision spatiale des annotations nécessitait une prise en compte particulière. Nous avons également proposé une approche semi-supervisée de régression des variables biophysiques, ainsi qu’une solution pour apprendre à produire un modèle numérique de terrain à partir d’un nuage de points 3D.

Les sites étudiés présentent encore de fortes concentrations en métaux dans les sols même plusieurs décennies après l’arrêt des activités minières. Les risques écotoxicologiques restent très élevés pour tous les sols étudiés, en particulier pour le Cd, le Zn et le Pb. Même dans les sols moins impactés, nous avons trouvé plusieurs espèces capables d’hyperaccumuler des métaux dans leurs feuilles. Suite au projet SIXP, plusieurs perspectives sont envisagées pour l’étude des plantes accumulatrices de métaux dans d’autres contextes (autre régions, autres type de sols riche en métaux), pour avoir une compréhension plus générale de cette capacité singulière dans le règne végétal. Les perspectives concernent aussi l’évolution sur le long terme des communautés végétales présentes sur les sols riches en métaux dans le contexte du changement climatique. De manière plus appliquée, la connaissance acquise sur la végétation sur les sols miniers, et en particulier sur le rôle prépondérant de la facilitation, permet maintenant d’envisager l’utilisation de mélanges d’espèces entre lesquelles la facilitation est attendue. Ces mélanges pourraient aider la végétalisation de sites miniers, tant dans la zone d’étude, que dans d’autres région, afin de répondre à l’enjeu sanitaire de limiter la dispersion de particules contaminées dans l’environnement. Ces applications viendraient compléter les méthodes de phyto-management déjà bien avancées. Au niveau local, les réunions régulières avec les parties prenantes ont permis un partage de la connaissance acquise. Des contacts fréquents avec les fédérations pastorales ont abouti à la planification d’une visite commune des sites étudiés, afin d’identifier les zones problématiques pour l’élevage ovins, ou tant la végétation que les poussières possiblement ingérées sont contaminées.

Aussi, les perspectives concernent le développement de méthodes pour qualifier et quantifier précisément et à large échelle l’état de contamination des sols et la disponibilité environnementale des contaminants. Des caractérisations indirectes sont aussi envisagées à travers l’étude complémentaire de l’évolution de la végétation le long de gradient de pollution. Ces méthodes sont focalisées sur l’acquisition de données aéroportées à haute résolution et des mesures ponctuelles sur site de validation. L’acquisition de ces données originales très haute résolution, les efforts apportés à leur correction et à leur annotation, permettent de disposer d’un jeu de données de grande qualité à partir duquel il est possible d’entraîner des modèles d’apprentissage profond. Les solutions existantes ayant montré leurs limites dans ce contexte particulier, des travaux plus poussés doivent être menés pour réussir à tirer profit des images disponibles afin de cartographier non seulement les espèces mais leurs interactions. Le couplage 2D/3D est également prometteur.

Les résidus miniers sont des témoins de l’exploitation des corps métalliques qui ont eu lieu jusqu’au siècle dernier. Ils forment des haldes qui sont une part importante des 100 000 sites pollués au métaux-metalloïdes en Europe et qui nécessitent des actions de réhabilitation. En effet, ces résidus représentent une importante quantité de matériaux contaminés qui se dispersent dans l’environnement. Malgré leur toxicité pour les plantes non adaptées à l’exposition à ces contaminants, des communautés végétales rares et patrimoniales se sont établies progressivement sur ces résidus : les pelouses métallicoles. Le projet Six-P propose d’étudier les interactions plantes-plantes dans ces communautés végétales particulières, en tant que système clé pour comprendre les interactions le long des gradients de stress, et en tant que potentiel outil de restauration et de re-végétalisation. En montagne ces résidus forment un environnement particulièrement difficile (métaux toxiques, contraintes climatiques) où des interactions positives entre plantes sont attendues selon une hypothèse dominante en écologie : l'Hypothèse du Gradient de Stress (SGH). L’application de cette hypothèse aux gradients de pollution (métallique) reste jusqu’à maintenant peu explorée. Par ailleurs, indépendamment des gradients de pollutions, certaines conditions d’application de la SGH sont actuellement débattues. SixP vise à contribuer à ce débat en se concentrant sur quatre points : i) caractériser les variations des interactions le long des gradients de biodisponibilité en métaux, tout en explicitant le rôle spécifique des espèces métallicoles dans ces interactions ; ii) mieux définir l’effet de stress multiples sur ces interactions ; iii) préciser les stratégies fonctionnelles végétales en jeux ; et enfin iv) analyser l’effet les interactions entre plantes à l’échelle de la communauté. Pour cela, le projet est mis en place au niveau de plusieurs haldes dans les Pyrénées à différentes altitudes (dans l’étage montagnard et au niveau subalpin-alpin). Au niveau de chaque site, plusieurs aires seront définies depuis la zone périphérique vers le centre des zones de résidus, pour identifier un gradient de bio-disponilibité en métaux. Les trois premiers points seront alors abordés par des expérimentations manipulant les espèces en interaction. Pour le dernier point, la combinaison de données aériennes (lidar, image multi-spectrales) à résolution millimétrique couvrant les zones d’études avec des reconnaissances directes de terrain dans une approche par apprentissage profond sera utilisée pour cartographier les espèces présentes et caractériser leur position géomorphologique. Les patrons de distribution des différentes espèces en interaction (agrégation vs répulsion) permettront d’observer l’effet des interactions entre plantes sur le long terme. Six-P est basé sur un consortium multidisciplinaire rassemblant des compétences en écologie végétale, en biogéochimie des métaux, en acquisition de données aériennes et leur interprétation par méthode d’apprentissage automatique et en gestion des sites après mine. En plus de la progression de la connaissance générale concernant les interactions entre plantes, des retombées sont attendues dans le domaine du phyto-management, en proposant d’intégrer l’utilisation d’associations entre plantes aux techniques déjà disponibles. La gestion des pelouses métallicoles rares ayant une forte valeur patrimoniale pourrait aussi être améliorée par les connaissances produites par SixP. Enfin SixP augmentera l'intérêt des domaines liés à la vision par ordinateur et à l’intelligence artificielle pour les problèmes écologiques. Les modèles de réseaux neuronaux profonds conçus dans SixP pourraient être appliqués à d'autres problèmes écologiques, car la transférabilité des réseaux profonds s'améliore régulièrement.