Modélisation qualitative à événements discrets des dynamiques d'écosystèmes

Les écosystèmes se déploient dans le temps au rythme des événements successifs qui modifient ses composants. Ces événements, qu'ils soient aléatoires ou non, sont les phénomènes par lesquels les écosystèmes s'assemblent et se désassemblent. Chaque séquence d'états – ou trajectoire – est une histoire possible de l'écosystème. Mais si ces événements, ou leur ordre, avait été différent, l'état futur aurait pu l'être également. Or, l'ordre des événements, du fait des limites de notre connaissance, est souvent incertain. Lorsque cette incertitude est grande, il est donc raisonnable de concevoir la dynamique de l'écosystème comme un ensemble de trajectoires possibles. Si l'ensemble des trajectoires possibles était connu, il pourrait notamment se révéler utile pour savoir si un état souhaitable est atteignable, et si oui, par quel(s) chemin(s). Dans cette thèse, nous proposons une approche de modélisation nommée EDEN (pour Ecological Discrete-Event Networks) permettant de répondre à cette question. Elle se présente sous la forme d'un formalisme dont les variables sont qualitatives et dont les valeurs sont modifiées par des règles "si-alors" représentant les événements de l'écosystème. Celles-ci sont tirées une à une, de façon non-déterministe et sans aucune probabilité. Cette approche non-déterministe et non-probabiliste a donc été qualifiée de possibiliste. Les dynamiques se présentent alors sous la forme d'un graphe états-transitions dont on peut vérifier l'existence de propriétés dynamiques (comme le fait qu'une espèce puisse persister). Dans un premier temps, une brève histoire de la modélisation en écologie des écosystèmes est présentée, avec une attention particulière aux approches de modélisation qualitatives, dont l'approche EDEN fait partie. Prenant appui sur les limites des approches existantes pour répondre à certaines questions, nous proposons l'approche EDEN et justifions la pertinence de ses propriétés par des exemples simples.Dans un second temps, l'approche EDEN est illustrée sur des écosystèmes semi-arides d'Afrique de l'Est et de l'Ouest dans le but de savoir si certains états d'intérêt sont atteignables (comme le maintien de la végétation en savane, ou de la fertilité dans un agroécosystème). Pour ce faire, nous présentons et utilisons des outils jusqu'ici peu utilisés en écologie, comme les summary graphs et les logiques temporelles. Pour un scénario donné, ces outils rendent possible de définir (1) les transitions possibles entre les états d'intérêt, (2) les conditions dans lesquelles elles peuvent advenir et (3) les événements responsables de ces transitions. En Afrique de l'Est, l'approche EDEN a permis de déterminer les effets à long terme sur la végétation et les activités humaines d'une réduction/accroissement de la disponibilité en eau de surface, indiquant une forte influence indirecte de cette dernière sur la végétation ligneuse. En Afrique de l'Ouest, en utilisant EDEN, il a été possible de déterminer les conditions permettant à de petits producteurs du sud-ouest du Burkina Faso de développer un agropastoralisme persistant, ainsi que les événements nécessaires pour atteindre un tel état.Nous discutons enfin des apports de l'ensemble des modèles EDEN à divers champs de l'écologie, ainsi que des améliorations possibles et des ponts à dresser entre l'écologie, la biologie des systèmes et l'informatique théorique.