Between desertification and re-greening of the Sahel region : diagnosis of remote sensing data and field observations
Entre désertification et reverdissement du Sahel : Diagnostic des observations spatiales et in situ
Résumé
The Sahel region is characterized by a strong bioclimatic gradient and is very sensitive to climatic fluctuations and especially to rainfall variability. Two successive and particularly severe droughts occurred in the 1970's and in the 1980's over the whole Sahel region, which had dramatic impact on the populations and their resources. The theory of a Sahel suffering from desertification was then refueled, as well as the view of a Sahara desert marching rapidly through the rest of the African continent. The analysis of the first remote sensing observations suitable for vegetation monitoring (available since the 1980's) proved to be at odds with these desertification assessments. Indeed, the satellite vegetation indices and particularly the NDVI evidenced strong positive trends, meaning that a significant increase in vegetation productivity occurred at the regional scale. This phenomenon was called "re-greening". However, no regional validation of such trends was possible due to the scarcity of field observations of vegetation. The objective of this work is to evaluate whether re-greening is actually happening over the Sahel or if some degradation trends of Sahelian ecosystems can be detected as well, using both field observations of vegetation and long-term NDVI data (GIMMS-3g NDVI). Within the framework of the AMMA-Catch observatory and of previous field programs, we now have almost 30 years of field observations in the Gourma region in Mali (1984-2011) and almost 20 years in the Fakara region in south-western Niger (1994-2011). The comparison of these two data sources (GIMMS-3g NDVI and vegetation productivity measured on the field) evidences strong re-greening patterns over the pastoral Gourma as well as an increase in vegetation productivity measured on the field. In contrast, the Fakara region in south-western Niger reveals decreasing trends for both variables. The consistency of satellite and field data confirms that NDVI can be used as a reliable tool for monitoring vegetation changes in semi-arid ecosystems and over long periods of time. At the Sahel scale, a strong re-greening pattern is found over the major part of the region over the 1981-2011 period. By analyzing the RUE index (the ratio of production to rainfall) we show that the re-greening observed over the Gourma is mainly explained by the rainfall recovery over the same period, thus showing the ecosystems' resilience to extreme climatic events. This resilience nature, however, is mainly found for the deep sandy soils of the area. Contrasted changes are observed over a small part of the landscape composed of shallow soils which experienced an increase in soil erosion and run-off coefficients, sometimes leading to vegetation decay. The re-greening observed at the Gourma scale should thus consider changes in the ecosystem functioning that may occur in a small portion of the landscape (the shallow soils). The decreasing trend observed over the Fakara region is not explained by rainfall. Changes in land use (strong increase in cultivated areas, shortening of the fallow duration) may lead to a decline in soil fertility which could explain the loss in vegetation productivity over the past 20 years. Thus, we do not observe any extensive desertification of the Sahel region over the past 30 years, but we do observe a global recovery of vegetation which mainly follows the precipitation recovery. It does not exclude though that some degradation may occur in a few regions or at the local scale, for instance over the surfaces under strong erosion or over some agricultural lands, which tends to reconcile both theories.
Le Sahel est une région semi-aride caractérisée par un fort gradient bioclimatique et qui est particulièrement sensible à la variabilité des précipitations. Les périodes de très forte sécheresse qui ont sévi sur l'ensemble du Sahel entre les années 1970 et 1980 ont eu des effets dévastateurs sur les écosystèmes, les populations et leurs ressources. La théorie d'une désertification du Sahel a été ravivée, ainsi que celle prédisant une avancée rapide du Sahara sur le reste du continent. Dès les années 1990, l'analyse des premiers indices de végétation satellitaires (NDVI) acquises à l'échelle du globe à une fréquence temporelle journalière a mis en évidence une nette augmentation du NDVI depuis les années 1980. On parle alors de reverdissement du Sahel. L'objectif de cette thèse est de faire la part de ce reverdissement et d'une éventuelle dégradation des écosystèmes sahéliens, sur les 30 dernières années. Les indices de végétation satellitaires basés sur les propriétés optiques de la végétation verte sont de "simples estimateurs" de la production annuelle : la validation des tendances de NDVI sur le long-terme nécessite une vérité terrain. De telles données sont très difficiles à acquérir sur des échelles spatiales compatibles avec la résolution des satellites d'observation de la Terre et sur une période de temps permettant l'analyse de tendances temporelles. Dans le cadre du projet AMMA et de projets antérieurs, nous bénéficions de séries longues de masse de la strate herbacée pour deux régions : le Gourma au Mali (1984-2011) et le Fakara au Niger (1994-2011). La confrontation des deux sources de données (NDVI GIMMS-3g et productivité végétale mesurée sur le terrain) montre que le Sahel pastoral du Gourma est marqué par un reverdissement ainsi que par une augmentation de la productivité végétale mesurée in situ. En revanche, le Sud-ouest Nigérien montre une tendance à la baisse de ces deux variables. La cohérence des données de terrain avec les observations satellitaires confirme que le NDVI peut être utilisé comme outil de détection de l'évolution des écosystèmes semi-arides sur de longues périodes de temps. A l'échelle du Sahel, des tendances au reverdissement sont mises en évidence sur la plus grande partie de la région, sur la période 1981-2011. L'analyse du RUE, le rapport de la production par le cumul de pluie, a montré que le reverdissement du Gourma est majoritairement expliqué par le rétablissement des précipitations, et que les écosystèmes sahéliens sont particulièrement résilients aux évènements climatiques extrêmes. Cette résilience, cependant, est surtout mise en évidence pour les sols profonds sableux. Des changements contradictoires sont en effet observés sur la partie du paysage constituée de sols superficiels qui connaissent une augmentation des coefficients de ruissellement et de l'érosion, provoquant parfois une dégradation du couvert végétal. Le reverdissement observé à l'échelle du Gourma doit donc être nuancé par des changements des écosystèmes pouvant toucher une petite portion du paysage (les sols superficiels). Sur le Fakara nigérien, des tendances à la dégradation du couvert herbacé sont mises en évidence par les deux sources de données et ne sont pas expliquées par les précipitations. Les changements d'occupation du sol (augmentation des superficies cultivées, raccourcissement des temps de jachère) peuvent expliquer une diminution de la fertilité du sol et donc de la capacité de production de la région. Nous n'observons donc pas de désertification du Sahel sur les 30 dernières années mais bien une reprise généralisée de la végétation qui suit globalement le rétablissement des précipitations. Cela n'exclut pas que dans certaines régions, ou à l'échelle locale, une dégradation du couvert puisse aussi être observée, comme par exemple sur les sols soumis à une forte érosion ou sur quelques terroirs agricoles, ce qui tend à réconcilier les deux théories.