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Rapport technique thématique no. 17. - Surveillance à distance des écosystèmes : sélection de tendances mesurées à partir d’observations par satellite du Canada

Indice des Habitats Dynamiques moyen de 2000 à 2006

L’indice des habitats dynamiques (IHD) canadien est une image composite de trois indicateurs de la dynamique de la végétation. Il s’agit d’un indice de télédétection relativement nouveau fondé sur un ensemble de données commençant en 2000, dont les utilisations potentielles sont toujours en cours d’essai et de perfectionnement. L’IHD présenté ici n’est actuellement qu’une mesure ponctuelle; les tendances ne sont pas encore établies.

Les trois indicateurs qui composent l’IHD canadien sont : 1) la verdure annuelle cumulative; 2) la fPAR minimale annuelle; 3) la variation saisonnière de la verdure (Coops et al., 2008). Ces trois indicateurs sont dérivés d’estimations de la fraction de rayonnement photosynthétiquement actif qui est absorbé par la surface terrestre (fPAR), obtenue au moyen des capteurs MODIS lancés en 1999 et 2001 (Heinsch et al., 2006). La fPAR varie entre 0 et 1. Les valeurs les plus élevées, moyennées sur l’ensemble de la saison de croissance, correspondent aux paysages productifs de dense végétation, tandis que les valeurs les plus faibles, aussi moyennées sur l’ensemble de la saison de croissance, correspondent aux paysages moins productifs (Coops et al., 2008). La fPAR des régions couvertes de neige approche 0, mais les zones d’ombre et l’absorption par la chlorophylle des conifères contribuent quand même à une valeur de fPAR positive.

Même si la fPAR est semblable à l’IVDN, l’estimation de la fPAR est plus directement reliée à la physiologie des plantes que celle de l’IVDN, puisqu’elle est calculée à partir d’un modèle fondé sur la physique de la propagation de la lumière dans le feuillage (Coops et al., 2008). En outre, la fPAR n’est pas soumise comme l’IVDN aux mêmes problèmes associés à la saturation à des valeurs plus élevées (Coops et al., 2009b) (voir Vérifications de la qualité et limites, à la page 20). Les estimations de la fPAR utilisent un certain nombre de bandes spectrales du capteur MODIS (jusqu’à sept), tandis que l’IVDN est basé sur deux bandes spectrales, soit la rouge et l’infrarouge proche (voir IVDN, à la page 17).

L’IHD a été élaboré en Australie (Mackey et al., 2004), et il a été adapté à une utilisation canadienne par Coops et al. (2008), dont les résultats forment la base de la présente section et ont été résumés par écozone+ aux fins du RETE.

Méthodes

Coops et al. (2008) ont obtenu des estimations des valeurs maximales mensuelles de la fPAR à une résolution de 1 km à partir des données recueillies par les capteurs MODIS des satellites Terra et Aqua du système d’observation de la Terre de la NASA, de 2000 à 2005. Ces données sont calibrées par la NASA de manière à tenir compte de l’angle du soleil, de la réflectance de fond et de l’angle de visualisation, et sont accessibles au public. Les valeurs maximales mensuelles de la fPAR sont utilisées pour réduire au minimum l’incidence des nuages, de la couverture de neige, de la variation atmosphérique et d’autres conditions environnementales confondantes. À partir de ces valeurs, Coops et al. (2008) ont calculé les trois composantes de l’IHD pour chaque année :

  1. La fPAR annuelle cumulative : la fPAR annuelle intégrée, fondée sur les valeurs mensuelles maximales de la fPAR pour l’année. On interprète cette valeur comme étant la verdure annuelle cumulative.
  2. La fPAR minimale annuelle : la valeur la moins élevée parmi les valeurs mensuelles maximales de la fPAR pour l’année. On interprète cette valeur comme représentant le couvert annuel minimal de végétation verte. Toutefois, cette interprétation n’est pas exacte en hiver en raison des effets des ombres; c’est pourquoi nous évitons de l’utiliser.
  3. Le coefficient annuel de variation de la fPAR : l’écart-type des valeurs mensuelles maximales de la fPAR pour l’année, divisé par la moyenne des valeurs mensuelles maximales de la fPAR pour l’année. On interprète cette valeur comme étant le degré annuel de saisonnalité de la végétation.

Coops et al. ont ensuite calculé une moyenne à partir de l’ensemble de données sur six ans pour chacune des trois composantes, puis ont produit une carte pour chaque composante ainsi qu’une carte composite (Coops et al., 2008). Leurs résultats sont analysés ci-après, par écozone+. Comme les données représentent une moyenne sur six ans, elles ne fournissent à l’heure actuelle qu’une estimation de la situation dans chaque écozone+, sans information sur les tendances.

Vérifications de la qualité et limites

L’algorithme du capteur MODIS a été considérablement perfectionné depuis ses débuts (Yang et al., 2006a), mais très peu d’activités de validation des estimations de la fPAR ont été effectuées (Yang et al., 2006b).

Nous avons constaté une petite ligne bien distincte le long du 60e parallèle dans la composante de la couverture annuelle minimale, qui pourrait être associée à un changement de l’algorithme à cette latitude. Cette ligne ne change pas notre interprétation, puisque la composante est très faible à cette latitude.

Résultats

Les trois composantes de l’IHD sont montrées séparément aux figures 11a à 11c. La dynamique de la végétation est résumée par composante et par écozone+ au tableau 2.

Du point de vue de la verdure annuelle cumulative moyenne à l’échelle nationale (figure 11a), on constate que les forêts constituent les régions les plus productives du Canada, et que la verdure la plus marquée se situe dans les climats maritimes méridionaux (du côté de l’Atlantique comme du Pacifique; la verdure diminue à mesure qu’on monte vers la limite des arbres). L’effet de l’altitude dans les montagnes les plus hautes du pays est visible, tout comme celui de l’aridité dans la région des Prairies.

La configuration nationale de la fPAR minimale annuelle moyenne (figure 11b) est semblable à celle de la verdure cumulative moyenne, mais elle est fortement compressée vers le sud. Autrement dit, la couverture minimale est très faible dans l’ensemble du pays, sauf dans le sud et dans les zones de basse altitude. Les valeurs les plus élevées de la fPAR minimale moyenne sont situées dans une bande de dense forêt mixte, dans l’est du Canada. La fPAR est relativement élevée dans cette région, même en hiver, en raison des ombres projetées par les arbres et de l’absorption par la chlorophylle des conifères.

La variation saisonnière moyenne de la verdure (figure 11c) affiche un profil différent de celui des deux autres composantes de l’IHD. Parmi les écarts les plus marqués, on constate qu’il n’y a pas de différence entre la région des Prairies et les forêts. La variation saisonnière augmente vers le nord et dans les zones d’altitude plus élevée du sud. Cette augmentation résulte d’une fPAR moyenne moins élevée dans ces régions, plutôt que d’une augmentation de l’écart-type. Cette composante affiche certaines variations subtiles et inattendues à l’intérieur des écozones+, décrites brièvement au tableau 2. Quand on inspecte la composante de près, on constate qu’elle est très sensible aux variations relativement faibles de l’altitude.

En examinant chaque année de 2000 à 2005, Coops et al. (2008) ont aussi constaté que les écozones+ des plaines boréales, des plaines à forêts mixtes et des plaines hudsoniennes (au moyen du Cadre écologique national (Groupe de travail sur la stratification écologique, 1995)) présentaient les plus grandes variations de l’IHD.

Figure 11. Dynamique de la végétation dans les écozones+ du Canada par composante de l’indice des habitats dynamiques (moyenne de 2000 à 2005).

a. Verdure annuelle cumulative (moyenne de 2000 à 2005)
carte

b. fPAR minimale annuelle (moyenne de 2000 à 2005)
carte

c. Variation saisonnière de la verdure (moyenne de 2000 à 2005)
carte

Description longue pour la figure 11

Ces trois cartes montrent les valeurs des trois indicateurs qui forment l’indice des habitats dynamiques (IHD) canadien (moyenne de 2000 à 2005) : a) verdure annuelle cumulative; b) fraction de rayonnement photosynthétiquement actif qui est absorbé par la surface terrestre (fPAR) minimale annuelle; c) degré de saisonnalité de la verdure. La verdure annuelle cumulative est la plus marquée dans les forêts du Canada, principalement dans les climats maritimes méridionaux (du côté tant de l’Atlantique que du Pacifique; la verdure diminue à mesure qu’on monte vers la limite des arbres). Les zones en haute altitude affichent des valeurs plus faibles, tout comme les zones arides telles que la région des Prairies canadiennes. La configuration nationale de la fPAR minimale annuelle moyenne est semblable à celle de la verdure cumulative moyenne, mais elle est fortement comprimée vers le sud. La variation saisonnière moyenne de la verdure affiche un profil différent de celui des deux autres composantes de l’IHD. Parmi les constats les plus évidents figure l’absence de différences entre les prairies et les forêts. La variation saisonnière augmente vers le nord et dans les zones d’altitude plus élevée du sud.

Source : image adaptée de Coops et al. (2008)

 

Tableau 2. Caractéristiques de la dynamique de la végétation, par écozone+ (moyenne de 2000 à 2005)
Écozone+Verdure annuelle cumulativefPAR minimale annuelleDegré annuel de saisonnalité de la végétation
Écozone+ de l’ArctiqueVariable : très faible dans la Cordillère arctique, plus élevée dans l’ouest de l’île Banks, dans la grande plaine de Koukdjuak sur l’île de Baffin et dans la région d’UngavaTrès faibleÉlevé, mais légèrement plus bas dans certaines régions, comme celle d’Ungava
Écozone+ de la taïga des plainesFaible à moyenne : diminution du sud au nordTrès faible à faibleDiminue vers le sud : quelques zones intéressantes au Québec et au Labrador, surtout autour du ruisseau Hamilton
Écozone+ de la taïga du BouclierVariable : élevée au sud, faible au nord; effets de l’altitude évidentsFaible, mais augmente vers le sudÉlevé dans le nord; devient moyen dans le sud; effets de l’altitude évidents
Écozone+ des plaines hudsoniennesÉlevée au sud; devient moyenne le long du littoral de la baie d’HudsonFaible dans l’ensembleDégradé d’élevé à faible entre le nord et le sud
Écozone+ du Bouclier boréalÉlevée au sud; devient plus faible vers le nord, particulièrement dans le nord-ouest, où les incendies sont fréquentsVariable : très faible dans le nord à très élevée dans le sudDégradé d’élevé à faible entre le nord et le sud; plus faible à l’extrémité sud du Bouclier canadien, dans l’est de l’Ontario
Écozone+ maritime de l’AtlantiqueÉlevée à très élevée dans le sud du Nouveau-Brunswick et de la Nouvelle-ÉcosseVariable : faible à Gaspé et dans le nord du cap Breton à très élevée dans le sud du Nouveau-Brunswick et de la Nouvelle-ÉcosseÉlevé, mais plus faible dans le nord du Cap-Breton et dans certaines parties de Gaspé
Écozone+ des plaines à forêts mixtesFaible dans les zones urbaines, moyenne dans les zones agricoles et élevée dans les zones forestièresVariable : plus élevée dans le sud-ouest de l’Ontario et dans l’île Manitoulin; plus faible dans le sud de la baie Georgienne et au nord du lac SimcoeFaible dans l’ensemble
Écozone+ des plaines boréalesVariable; plus faible dans les zones agricolesVariable : faible dans les zones agricoles; plus faibles dans des parcelles qui pourraient être des zones brûléesVariable : plus faible dans les zones agricoles et dans des parcelles qui pourraient être des zones brûlées
Écozone+ des PrairiesMoyenne à faible : plus élevée dans la zone forestière de Cypress HillsFaible de manière uniformeMoyen dans l’ensemble
Écozone+ de la taïga de la CordillèreVariable : très faible dans les montagnes; plus élevée dans le nord du YukonFaibleVarie avec l’altitude
Écozone+ de la Cordillère boréaleVariable : très faible à proximité des sommets de montagne; plus élevée dans le nord de la C.-B.Faible; plus élevée dans les valléesEffet de l’altitude très prononcé : élevé dans les zones de haute altitude et faible dans les vallées
Écozone+ maritime du PacifiqueVariable : très faible sur le sommet des montagnes à très élevée dans les régions côtières des îles de Vancouver et de la Reine-CharlotteTrès faible sur le sommet des montagnes à très élevée dans les régions côtières des îles de Vancouver et de la Reine-CharlotteEffet de l’altitude très prononcé : élevé dans les zones de haute altitude et faible dans les vallées
Écozone+ de la Cordillère montagnardeÉlevée, sauf à haute altitude et dans les vallées asséchéesVariableFaible, mais élevé à haute altitude
Écozone+ du bassin intérieur de l’OuestÉlevée, sauf dans les vallées intérieures asséchéesVariableFaible, mais élevé à haute altitude
Écozone+ de la forêt boréale de Terre-NeuveÉlevée dans l’est et moyenne à élevée dans l’ouestFaible, sauf dans la bande côtièreEffet de l’altitude prononcé 

Analyse

Chacune des trois composantes de l’IHD fournit de l’information sur la production de la végétation, et les valeurs de la fPAR intègrent les effets de divers facteurs sur la productivité. Les forêts principalement composées d’arbres à feuillage persistant, par exemple, présenteront une fPAR cumulative annuelle plus élevée, une fPAR minimale annuelle plus élevée et un degré de saisonnalité plus faible que les forêts principalement composées d’arbres à feuilles caduques. La productivité (et donc la fPAR) tend à augmenter avec la température, mais elle est réduite dans les périodes de sécheresse.

L’IHD offre une approche potentielle pour l’utilisation de produits d’observation de la Terre normalisés aux fins de la surveillance à long terme de la productivité de la végétation (depuis 2000). Les utilisations spécifiques de cet ensemble de données relativement récent sont toujours en cours d’approfondissement et d’essai. L’un des principaux champs de recherche consiste à utiliser l’IHD pour prévoir les tendances de la biodiversité. Cette recherche est fondée sur l’hypothèse voulant que la répartition et l’abondance des espèces dans le paysage soient régies par certains paramètres environnementaux clés (Turner et al., 2003), dont la productivité de la végétation (MacArthur, 1972). Coops et al. (2008) mentionnent que les mesures directes de la fPAR, qui sont incluses dans les trois composantes de l’IHD, fournissent de meilleures estimations de la productivité de la végétation que l’IVDN, plus souvent utilisé. Il serait intéressant de comparer des indicateurs de la productivité similaires fondés sur les données de l’IVDN pour mieux comprendre ces méthodes.

Andrew et al. (2011) ont examiné la capacité des composantes de l’IHD à expliquer les tendances associées à la composition des communautés de papillons et à l’affinité des espèces au Canada. Ils ont constaté que ces composantes en elles-mêmes ne constituaient pas de bons indicateurs, mais ils ont émis l’hypothèse qu’elles pourraient être utilisées pour améliorer les prévisions de la composition des communautés à l’intérieur des écozones et des écorégions du Canada, qui sont définies sur le plan qualitatif (Groupe de travail sur la stratification écologique, 1995). Coops et al. (2009a) ont utilisé les composantes de l’IHD pour prévoir la richesse en espèces des oiseaux nicheurs aux États-Unis et, avec la couverture terrestre et la topographie, en Ontario (Coops et al., 2009c). Leurs résultats ont été plus prometteurs. La capacité de prévoir la répartition des espèces et les paramètres pertinents pour la prévision de la répartition des espèces varient selon l’espèce. Dans bien des cas, ce type d’analyse permet surtout de prévoir la répartition potentielle des espèces, et non la répartition réelle (Kerr et Ostrovsky, 2003).

L’utilisation de données de télédétection pour décrire indirectement les grandes tendances de la biodiversité pourrait servir à élaborer un « système d’alerte rapide » associé aux changements à grande échelle de la biodiversité (Duro et al., 2007). L’utilité des composantes de l’IHD dans ce type de travaux reste à prouver, et d’autres utilisations potentielles pourraient être élaborées.