Lopes, Christelle (2007) Dynamique d’un système hôte-parasitoïde en environnement spatialement hétérogène et lutte biologique Application au puceron Aphis gossypii et au parasitoïde Lysiphlebus testaceipes en serre de melons. PhD thesis Ecologie des populations et communautés, USC 1285 Ecologie des populations et communautés, AgroParistech 2007AGPT0019 p.311.

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Abstract

Natural ecosystems are unavoidably spatially structured and the induced heterogeneity

affects various processes of ecological systems. In many cases, the influence of spatial

heterogeneity on population dynamics remains unclear. This thesis contributes to a better

theoretical understanding of the effects of such heterogeneity on host-parasitoid interactions.

In this way, three spatial approaches were developed and adapted to the aphid pest Aphis

gossypii and one of its parasitoids Lysiphlebus testaceipes in a melon greenhouse.

The importance of spatial structure was tested by comparing a non-spatial model with

a spatially explicit model (a lattice one). Our results showed that considering space is essential

to describe the spatial heterogeneous distribution of populations observed in the field.

The way in which space should be considered was tested by comparing the spatially

explicit model with a new implicit approach, which describes the level of plant infestation by

a continuous variable corresponding to the number of plants with a given density of pests at a

given time. When the explicit model needs as many equations as plants in the greenshouse,

our novel approach has only a partial differential equation. We could infer from the

comparisons between the two spatial models that the predicted host-parasitoid dynamics were

similar under most conditions; and the differences were due to local dispersal (considered

only in the explicit model), because it could have a strong impact on population dynamics but

did not change the conclusions for crop protection. The new implicit model thus generated

relevant predictions with a more synthetic formalism than the common plant-by-plant model.

This implicit model was used to test biological control strategies. We showed that

(i) preventive releases are less efficient than curative ones, if the cost of infestation detection

is not too high; (ii) strategies with several releases are always better than single releases

strategies. As a conclusion, we demonstrated that the effectiveness of a biological control

depends on the functional response of the parasitoids, the initial distribution of pests (that

determines the infestation process) and the costs affected to each type of strategies.

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Table of content

Introduction générale - 3

PARTIE 1 Dynamique des systèmes hôte-parasitoïde et caractéristiques biologiques 9

Chapitre I Modélisation des interactions hôte-parasitoïde - 11

1. Introduction - 11

2. Fonctions caractéristiques des relations hôte-parasitoïde - 12

2.1. Croissance de la population d’hôtes - 12

2.2. Réponse fonctionnelle du parasitoïde - 13

3. Modèles hôte-parasitoïde classiques - 18

4. Modèles structurés en classes - 19

4.1. Modèles structurés en temps discret : matrices de Leslie - 19

4.2. Modèles structurés en temps continu - 20

5. L’hétérogénéité spatiale dans les modèles hôte-parasitoïde - 23

5.1. Approches phénoménologiques - 23

5.2. Modèles dits en réseaux (ou “Lattice models”) - 29

5.3. Modèles globaux dits « à patches » (ou “patch models”) - 34

6. Conclusions du Chapitre I - 38

Chapitre II Le système biologique étudié - 41

1. Introduction - 41

2. L’environnement étudié : la serre - 41

3. Le puceron du coton Aphis gossypii - 43

3.1. Morphologie et distribution géographique - 43

3.2. Reproduction - 43

3.3. Potentiel biotique et croissance - 44

3.4. Comportements spatiaux - 45

3.5. Importance agronomique - 45

4. Le parasitoïde Lysiphlebus testaceipes - 50

4.1. Définition et généralités - 50

4.2. Caractéristiques et distribution géographique - 51

4.3. Reproduction et potentiel biotique - 52

4.4. Parasitisme - 53

4.5. Qualités de L. testaceipes comme agent de lutte biologique ? - 55

Sommaire

PARTIE 2 Dynamiques des interactions entre le puceron Aphis gossypii

et le parasitoïde Lysiphlebus testaceipes en serre de melons

Modèles et Méthodes d’analyse - 57

Chapitre III Les différentes approches développées - 59

1. Introduction - 59

2. Pré requis de modélisation - 59

2.1. Choix de modélisation - 59

2.2. Modèles A. gossypii – L. testaceipes existants - 60

2.3. Définitions et hypothèses communes à tous les modèles - 62

3. Le modèle non spatialisé - 65

4. Le modèle spatialement explicite - 66

4.1. Formalisme général - 66

4.2. Croissance locale des pucerons sains - 68

4.3. Réponse fonctionnelle du parasitoïde - 69

4.4. Dispersion - 69

4.5. Conclusions - 74

5. Le modèle spatialement implicite - 74

5.1. Dynamique de la population de pucerons sains - 74

5.2. Dynamique de la population de parasitoïdes - 79

5.3. Le modèle hôte-parasitoïde spatialement implicite - 79

5.4. Conclusions - 79

Chapitre IV Méthodes d’analyse des différents modèles - 81

1. Introduction - 81

2. Analyses qualitatives - 82

2.1. Le modèle non spatialisé et spatialement explicite - 82

2.2. Le modèle spatialement implicite - 83

3. Etude du modèle spatialement implicite - 83

3.1. Méthodes d’étude de l’EDP - 84

3.2. Modèle spatialement implicite modifié - 88

4. Méthodes d’intégration numérique - 92

4.1. Les méthodes explicites à pas fixe - 92

4.2. Méthodes de Runge-Kutta à pas adaptatif - 93

4.3. Schémas numériques plus complexes - 94

5. Conditions de simulations - 95

5.1. Valeurs des paramètres - 95

5.2. Conditions initiales - 96

5.3. Initialisation du système avant t - 98

6. Indicateurs de comparaison - 98

6.1. Somme des différences instantanées - 99

6.2. Différence des densités maximales - 100

6.3. Différence des densités cumulées - 100

Sommaire

PARTIE 3 Etudes numériques et comparaison des différentes

approches de modélisation - 103

Chapitre V Simulations numériques et analyses de sensibilité des différents modèles 105

1. Introduction - 105

2. Le modèle non spatialisé - 105

2.1. Analyse qualitative - 105

2.2. Simulations numériques - 107

2.3. Analyse de sensibilité - 111

2.4. Conclusion - 114

3. Le modèle spatialement explicite - 114

3.1. Analyse qualitative - 114

3.2. Simulations numériques - 117

3.3. Analyse de sensibilité - 123

3.4. Conclusion - 125

4. Le modèle spatialement implicite - 126

4.1. Analyse qualitative de cas spéciaux - 126

4.2. Simulations numériques - 128

4.3. Analyse de sensibilité - 136

4.4. Conclusion - 138

5. Conclusions du Chapitre V - 138

Chapitre VI Le rôle de l’espace en environnement hétérogène - 143

1. Introduction - 143

2. Intérêt de la structure spatiale : comparaison des approches non spatialisée et

spatialement explicite - 143

2.1. Comparaison en l’absence de parasitoïde - 144

2.2. Comparaison en présence de parasitoïdes - 147

3. Comment considérer l’espace ? - 150

3.1. Comparaison des modèles spatialement explicite et implicite - 150

3.2. Test des hypothèses divergentes entre les deux approches - 152

4. Conclusions du Chapitre VI - 159

PARTIE 4 Le modèle spatialement implicite,

un outil d’aide à la décision en lutte biologique - 161

Chapitre VII Stratégies de lutte biologique - 163

1. Introduction - 163

1.1. Quelques chiffres - 163

1.2. Avantages de la lutte biologique - 165

1.3. La lutte biologique en serres - 165

1.4. Intérêts des modèles mathématiques en lutte biologique - 166

1.5. Objectifs - 167

Sommaire

2. Indicateurs d’efficacité d’une stratégie - 167

2.1. Perte de rendement et densité cumulée - 168

2.2. Densité maximale atteinte - 168

2.3. Nombre de jours où la densité en ravageurs dépasse un seuil - 168

2.4. Ratio entre les densités à l’équilibre avec et sans parasitoïdes - 169

2.5. Conclusion - 169

3. Scénarios testés - 170

3.1. Stratégies à lâcher unique de parasitoïdes - 170

3.2. Stratégies à lâchers multiples - 173

4. Résultats - 174

4.1. Stratégies à un lâcher - 174

4.2. Stratégies à lâchers multiples - 185

4.3. Comparaison des stratégies à lâchers uniques et multiples - 189

5. Faisabilité économique de la lutte - 192

5.1. Les coûts de la lutte biologique - 192

5.2. Stratégies de lutte intégrant les coûts - 196

6. Conclusions du chapitre VII - 205

Discussion générale et Perspectives - 211

Bibliographie - 219

ARTICLES - 241

ANNEXE A An implicit approach to model plant infestation by insect pests - 243

ANNEXE B How should space be considered in the modelling of a host-parasitoid

system in a vegetable greenhouse? - 261

ANNEXES - 295

Statistiques de consultation

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