Développement et application d'une méthode de reconstitution paléoclimatique quantitative basée sur des données polliniques fossiles en Afrique australe

Development of a new method for paleoclimat reconstruction in South Africa, from pollen analysis

• Auteur / Autrice : Loïc Truc
• Direction : Brian Chase
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Evolution, Ecologie, Ressources génétiques, Paléontologie
• Date : Soutenance le 20/12/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Jury : Président / Présidente : Rachid Cheddadi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Brian Chase, Rachid Cheddadi, Anne-Marie Lézine, Florence Sylvestre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Marie Lézine, Florence Sylvestre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Climat

Afrique australe

Changement global de l'environnement

Paléoenvironnement

Pollen fossile

Paléoclimatologie

Mots clés libres

Biogéographie africaine

Gradients climatiques

Changements globaux

Paléoenvironnements

Modélisation statistique

African biogeography

Climate gradients

Global change

Palaeoenvironments

Statistical modelling

Résumé

Idéalement située à la confluence entre climat tropical et climat tempéré, l'Afrique australe est une zone très sensible aux variations des conditions climatiques. Cette région fait cependant preuve d'un manque de données paléoclimatiques important, et les méthodes de reconstruction traditionnelles trouvent rapidement leurs limites face aux conditions particulières qui y sévissent. Les méthodes de reconstruction quantitatives communément employées se révèlent inutilisables face aux conditions d'aridité extrêmes qui ne permettent que très rarement l'accumulation et la préservation de pollen moderne et fossile et se confrontent également aux particularités de la végétation abritée par cette région. L'objectif de ces travaux de thèse vise à développer une méthode de reconstruction quantitative basée sur des données polliniques fossiles, à partir de la relation entre la distribution actuelle des taxons polliniques et le climat en Afrique australe. Nous avons développé une fonction de transfert utilisant les propriétés des fonctions de densité de probabilité (pdfs), permettant de transformer l'information contenue dans un assemblage pollinique en estimation quantitative du climat. En parallèle, cette étude a permis de développer une méthode permettant de sélectionner les espèces les plus probables à inclure dans chaque type pollinique qui compose un assemblage. Cette méthode de sélection des espèces (SSM) a permis de pallier la faible résolution taxonomique des données polliniques de cette région caractérisée par une biodiversité élevée et d'affiner la méthode des espèces indicatrices, afin de la rendre utilisable en Afrique australe. Cette méthodologie a été appliquée aux données polliniques du site de Wonderkrater (Afrique du Sud). Les résultats observés et leur comparaison avec ceux provenant de sites régionaux ont permis de déterminer que les températures estivales et hivernales étaient 6±2°C inférieure au cours du LGM et du Younger Dryas et que les précipitations au cours de la saison humide étaient 50% moins importantes qu'actuellement. Ces résultats montrent que les SST enregistrées dans le canal du Mozambique régissent les conditions hydrologiques du continent adjacent, en opposition avec la possible implication de l'ITCZ sous ces latitudes. Les résultats indiquent également que les deux tropiques montrent des tendances climatiques similaires au cours des derniers 20 000 ans. La méthode a ensuite été appliquée à un enregistrement pollinique provenant de la région du fynbos (Afrique du Sud). Les résultats ont montré les limites de la méthode au vu de la faible amplitude de reconstruction obtenue pour les températures entre le LGM et l'Holocène (~2°C). Les résultats ont néanmoins permis de mettre en évidence que les températures montraient un pattern similaire à celui observé en Antarctique. Nous avons également pu montrer que les périodes glaciaires coïncidaient avec les périodes les plus humides, en accord avec le modèle de Cockroft (1987). Ce modèle dérive du mécanisme de migration des « westerlies » vers l'équateur au cours des périodes glaciaires, en réponse au déplacement du vortex circcum polaire. Les travaux issus de cette thèse ont montré qu'il était possible d'utiliser la distribution actuelle des plantes pour estimer les variations quantitatives des changements climatiques passés, dans la plupart des configurations botaniques et climatiques rencontrées en Afrique australe. La méthode de sélection des espèces se révèle être un outil indispensable dans cette région de haute biodiversité. Ces travaux offrent des perspectives intéressantes dans cette zone actuellement dépourvue de reconstructions climatiques quantitatives. Cependant, les résultats émanant des deux cas d'études ont mis en évidence des faiblesses et des limites méthodologiques qui devront faire l'objet d'études supplémentaires afin d'en améliorer les performances.

Located at the interface between tropical and temperate climate systems, southern Africa is a particularly sensitive region in terms of long-term climate change. However, few reliable paleoclimatic records exist from the region – largely as a result of the arid climate with precludes the preservation of wetland sequences - , and virtually no quantitative reconstructions are available.The aim of this thesis is to develop quantitative palaeoclimate reconstruction method based the relation between modern plant distributions and climate in southern Africa. We develop botanical-climatological transfer functions derived from probability density functions (pdfs), allowing for quantitative estimates of the palaeoclimatic variables to be calculated from fossil pollen assemblages. In addition, a species-selection method (SSM) based on Bayesian statistics is outlined, which provides a parsimonious choice of most likely plant species from what are otherwise taxonomically broad pollen-types. This method addresses limitations imposed by the low taxonomic resolution of pollen identification, which is particularly problematic in areas of high biodiversity such as many regions of southern Africa.This methodology has been applied to pollen record from Wonderkrater (South Africa). Results indicate that temperatures during both the warm and cold season were 6±2°C colder during the Last Glacial Maximum and Younger Dryas, and that rainy season precipitation during the Last Glacial Maximum was ~50% of that during the mid-Holocene. Our results also imply that changes in precipitation at Wonderkrater generally track changes in Mozambique Channel sea-surface temperatures, with a steady increase following the Younger Dryas to a period of maximum water availability at Wonderkrater ~3-7 ka. These findings indicate that the northern and southern tropics experienced similar climatic trends during the last 20 kyr, and highlight the role of variations in sea-surface temperatures over the more popularly perceived role of a shifting Intertropical Convergence Zone in determining long-term environmental trends.This method has also been applied to a pollen record from Pakhuis Pass, in the Fynbos Biome (South Africa). Results show the limitations of quantitative methods, with only unrealistically low amplitude being reconstructed between the Last Glacial Maximum and Holocene (~2°C). However, results indicate that the reconstructed temperature trends, if not amplitudes, are similar to trends observed in Antarctic ice core records. Further, in reconstructing past humidity, we show that over the last 18 kyr, cooler conditions appear to be generally wetter at the site. These results are consistent with Cockcroft model (1987), derived from equatorward shift of the westerlies resulting from expansions of the circum-polar vortex.This study shows the potential of using modern plant distributions to estimates past climate parameters in southern Africa, and the species selection method proves to be a useful tool in region with high biodiversity. This work provides a novel perspective in the region, where no quantitative paleoclimatic reconstructions have been available. However, results from Pakhuis Pass highlight some of the limitations of this methodology, which will be subject of future work in this promising field of inquiry.