[PDF] HAL 12 sept. 2018 ... d'équitabilité

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Mesures

de la Biodiversité

Eric Marcon

Version: 12 septembre 2018

Je remercie François Morneau pour sa relecture attentive de la première version de ce document et sa contribution décisive pour la bonne utilisation de R dans les exemples. Bruno Hérault et Chris Baraloto ont contribué à la revue de la littérature de façon significative. Ce document est réalisé de façon dynamique et reproductible grâce à : LATEX, dans sa distribution Miktex (http://miktex.org/) et la classememoir (http://www.ctan.org/pkg/memoir); •R (http://www.r-project.org/) et RStudio (http://www.rstudio.com/); •knitr(http://yihui.name/knitr/). Son code source est publié sur GitHub (https://github.com/EricMarcon/

MesuresBioDiv).

Unité Mixte de Recherche

ECOlogie

des

FOrêts

de

Guyane

UMR Écologie des forêts de Guyane

http://www.ecofog.gf Les opinions émises par les auteurs sont personnelles et n"engagent ni l"UMR

EcoFoG ni ses tutelles.

Photographie en couverture: Hadrien Lalagüe

Sommaire

Notationsv

I Notions et outils 1

1 Notions de Diversité 3

2 Outils11

II Diversité neutre d"une communauté 19

3 Mesures neutres de la diversité alpha ou gamma 21

4 Entropie53

5 Équitabilité 79

III Diversité fonctionnelle et phylogénétique 89

6 Cadre91

7 Mesures particulières 99

8 Entropie phylogénétique 121

9 Diversité de Leinster et Cobbold 127

IV Diversité beta et décomposition 143

10 Cadre145

11 Diversité de différentiation 153

12 Décomposition de l"entropie HCDT 169

iii iv

13 Décomposition de la diversité phylogénétique et fonctionnelle 185

14 Tests de significativité 191

15 Autres approches 195

V Diversité jointe, diversité structurelle 199

16 Cadre201

17 Information mutuelle 203

18 Décomposition de la diversité jointe 207

VI Diversité spatialement explicite 211

19 Cadre213

20 Indice alpha de Fisher 215

21 Accumulation de la diversité locale 223

22 Diversité régionale 233

23 Diversité beta spatialement explicite 243

VIIConclusion 247

24 Synthèse249

Bibliographie253

Table des matières 270

Notations

L esnotations peuvent différer de celles de la littérature citée pour l"homogénéité de ce document. Les matrices sont notées en caractères gras et majuscules :X. Les éléments de la matriceXsont notésxi,j. Les vecteurs sont notés en gras minuscule :p. Les nombres sont notés en minuscules,n, et les variables aléatoires en majuscules :N. Les valeurs maximales des énumérations font exception : elles sont notées en majuscules pour les distinguer des indices :?Ss=1ps= 1. Le produit matriciel deXetYest notéXY. Dans les scripts R, l"opérateur est%*%. Le produit de Hadamard (terme à terme) est notéX◦Y(opérateur*dans R). De mêmeXnindique la puissancenau sens du produit matriciel d"une matrice carrée (opérateur%?%du packageexpm), alors queX◦nest la matrice dont chaque terme est celui deXà la puissancen(opérateur? de R). La matrice transposée deXest notéeX?.

Les notations sont les suivantes :

1 (·): la fonction indicatrice, qui vaut 1 si la condition dans la parenthèse est vraie, 0 sinon. 1 s : le vecteur de longueurscomposé uniquement de 1.1s1?s=Js oùJsest la matrice carré de taillesne contenant que des 1. A: l"aire d"étude, et, selon le contexte, sa surface. : la probabilité moyenne des espèces représentées parνindivi- dus. C : le taux de couverture de l"échantillon, c"est-à-dire la probabilité qu"un individu de la communauté appartienne à une des espèces échantillonnées.Cnest le taux de couverture correspondant à un

échantillon de taillen.

qD : la diversité vraie (nombre de Hill pour les diversitésαetγ), nombre équivalent de communautés pour la diversitéβ.q iDαest la diversitéαmesurée dans la communautéi.q¯D(T)est la diversité phylogénétique. : la matrice de dissimilarité dont les éléments sontδs,t, la dissimilarité entre l"espèceset l"espècet. E(X): l"espérance de la variable aléatoireX. qH : l"entropie de Tsallis (ou HCDT).q iHαest l"entropieαmesurée v viNotationsdans la communautéi. Si nécessaire, le vecteur des probabili- tés servant au calcul est précisé sous la formeqH(p).q¯H(T)est l"entropie phylogénétique. I : le nombre de communautés qui constituent une partition de la méta-communauté dans le cadre de la décomposition de la diversité. Les communautés sont indexées pari. I (ps): l"information apportée par l"observation d"un évènement de probabilitéps.I(qs,ps)est le gain d"information apporté par l"expérience (qsest observé) par rapport aux probabilitéspsat- tendues. I s : la matrice identité de rangs: matrice carrée de tailles×s dont la diagonale ne comporte que des 1 et les autres élements sont nuls. N : le nombre (aléatoire) d"individus se trouvant dans l"aire d"étude.Nsest la même variable aléatoire, mais restreinte aux individus de l"espèces. n : le nombre d"individus échantillonnés.ns,iest le nombre d"in- dividus de l"espècesdans la communautéi. Les effectifs totaux sontns+(pour l"espèces),n+ipour la communautéietnle total général. S"il n"y a qu"une communauté, le nombre d"individus par espèce estns. p s : la probabilité qu"un individu tiré au hasard appartienne à l"espèces. Son estimateur,ˆpsest la fréquence observée.ps|iest la même probabilité dans la communautéi. p =(p1,p2,...,ps,...,pS): le vecteur décrivant la distribution des probabilitésps, appelé simplexe en référence à sa représenta- tion dans l"espace àSdimensions. : la probabilité qu"une espèce choisie au hasard soit représentée parνindividus,?nν=1πν=1. Si l"espèce est choisie explicitement, la probabilité est notéeπns. qR: l"entropie de Rényi d"ordreq. S : le nombre d"espèces, considéré comme une variable aléatoire, estimé parˆS. S nν : le nombre d"espèces, considéré comme une variable aléatoire, observéesνfois dans l"échantillonnage. L"indice est le nombre de fois où l"espèce est détectée : par exempleS1ouS?=0. L"exposant est la taille de l"échantillon :SApour la surfaceAouˆSnpour un échantillon denindividus.SA0est le nombre d"espèces non rencontrées dans la surfaceA. Pour alléger les notations, s"il n"y a pas d"ambiguïté, l"indice est omis pour les espèces présentes : SA?=0est notéSA. Si l"exposant n"est pas noté, l"échantillon n"est pas précisé et peut être aussi bien un nombre d"individus qu"une surface. s nν : le nombre d"espèces observées, avec les mêmes notations que ci-dessus.snνpeut être considéré comme une réalisation deSnν.

Notationsviit

n1-α/2: le quantile d"une loi de Student àndegrés de liberté au seuil de risqueα, classiquement 1,96 pourngrand etα= 5%. Z : la matrice de similarité entre espèces dont les éléments sont zs,t, la similarité entre l"espèceset l"espècet.

Γ(·): la fonction gamma.

Ψ(·): la fonction digamma.?n

k?: le nombre de combinaisons dekéléments parmin: ?n k? =n!k!(n-k)!

Première partie

Notions et outils

1 1

C. Meine et al. (2006). " "A

mission-driven discipline" : The growth of conservation biology ».

In :Conservation Biology20.3,

p. 631-651.doi:10 . 1111 / j . 1523 -

1739.2006.00449.x.

2

E. O. Wilson et F. M. Peter,

éd. (1988).Biodiversity. Washington,

D.C. : The National Academies Press.

3

P. Blandin (2014). " La diver-

sité du vivant avant (et après) la bio- diversité : repères historiques et épis- témologiques ». In :La biodiversité en question. Enjeux philosophiques,

éthiques et scientifiques. Sous la dir.

d"E. Casetta et J. Delord. Paris : Edi- tions Matériologiques. Chap. 1, p. 31- 68.
4

J. Delord (2014). " La biodi-

versité : imposture scientifique ou ruse épistémologique? » In :La bio- diversité en question. Enjeux philo- sophiques, éthiques et scientifiques.

Sous la dir. d"E. Casetta et J. De-

lord. Paris : Editions Matériologiques.

Chap. 3, p. 83-118.doi:10 . 3917 /

edmat.delor.2014.01.0083. 5

D. C. J. DeLong (1996). " Defi-

ning Biodiversity ». In :Wildlife So- ciety Bulletin24.4, p. 738-749. 6

J. G. Speth et al. (1992). " Fore-

word ». In :Global Biodiversity Stra- tegy. Sous la dir. de K. Courrier. Wa- shington, D.C. : WRI, IUCN, UNEP, p. v-vi. 7

M. Loreau (2005). " Discours de

clôture ». In :Actes de la Conférence internationale Biodiversité Science et Gouvernance. Sous la dir. de

R. Barbault et J.-P. Le Duc. Paris,

France. : IRD Editions, p. 254-256.Chapitre1

Notions de Diversité

L e termebiodiversityest attribué1à Walter Rosen, un membre duNational Research Councilaméricain, qui a commencé à contracter les termesbiological diversitypendant la préparation d"un colloque dont les actes seront publiés sous le titre "Biodi- versity".2La question de la diversité biologique intéressait les écologues bien avant l"invention de la biodiversité, mais le néolo- gisme a connu un succès fulgurant3en même temps qu"il devenait une notion floue, dans lequel chacun peut placer ce qu"il souhaite y trouver, au point de lui retirer son caractère scientifique.4Une cause de ce glissement est que la biodiversité a été nommée pour attirer l"attention sur son érosion, en lien avec la biologie de la conservation. Cette érosion concernant potentiellement de nom- breux aspects du monde vivant, la définition de la biodiversité fluctue selon les besoins : DeLong5en recense 85 dans les dix premières années de littérature. Les indicateurs de la biodiver- sité peuvent englober bien d"autres choses que la diversité du vivant : le nombre d"espèces menacées (par exemple la liste rouge de l"IUCN), la taille des populations ou la surface des écosystèmes préservés, la dégradation des habitats, la menace pesant sur des espèces emblématiques... Une mesure rigoureuse et cohérente de la diversité peut pourtant être construite pour clarifier beaucoup (mais pas tous) des concepts qui constituent la biodiversité. Dans l"introduction du premier chapitre des actes de ce qui était devenu le " Forum sur la Biodiversité », Wilson utilise le mot dans le sens étroit de nombres d"espèces. L"élargissement de la notion aux " systèmes naturels » et à l"opposé à la diversité génétique intraspécifique est venu du monde de la conservation.6 La déclaration de Michel Loreau, président du du comité scienti- fique de la conférence de Paris en 20057en donne une définition aboutie : "La Terre abrite une extraordinaire diversité biolo- gique, qui inclut non seulement les espèces qui habitent notre planète, mais aussi la diversité de leurs gènes, la multitude des interactions écologiques entre elles 3

4 Notions de Diversité

8

J. Hey (2001). " The mind of

the species problem ». In :Trends in

Ecology & Evolution16.7, p. 326-329.

doi:10.1016/S0169-5347(01)02145-0. 9

Z. Jizhong et al. (1991). " An in-

dex of ecosystem diversity ». In :Eco- logical Modelling59, p. 151-163.doi:

10.1016/0304-3800(91)90176-2.

10

F. S. I. Chapin et al. (2000).

" Consequences of changing biodiver- sity ». In :Nature405.6783, p. 234-

242.doi:10.1038/35012241.

11

B. J. Cardinale et al. (2012).

" Biodiversity loss and its impact on humanity ». In :Nature486.7401, p. 59-67.doi:10.1038/nature11148. 12

G. Ceballos et al. (2017).

" Biological annihilation via the ongoing sixth mass extinction signaled by vertebrate population losses and declines ». In :Procee- dings of the National Academy of Sciences, p. 201704949.doi:

10.1073/pnas.1704949114.

13

A. Purvis et A. Hector (2000).

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