Annexe · Rappels mathématiques 2/2

Indices de diversité : Shannon, Simpson, équitabilité

Ces indices décrivent une communauté de plusieurs espèces — pas une distribution de tailles d'une seule espèce. Formules, sens écologique, et un calcul complet sur un cortège d'odonates de l'étang de Beauchêne.

Avant de calculer

Deux composantes de la diversité

La diversité d'une communauté combine deux idées distinctes :

Ce que les indices apportent. Shannon et Simpson combinent richesse et équitabilité en un seul chiffre. C'est leur force (une synthèse) et leur limite (deux communautés différentes peuvent donner la même valeur — rappel de la leçon 2).
Le jeu de travail. Cortège d'odonates contactés lors d'un passage sur l'étang amont (données fictives, cohérentes avec le site) :
EspèceEffectif (nᵢ)Proportion (pᵢ)
Ischnura elegans400,50
Anax imperator240,30
Libellula depressa120,15
Sympetrum sanguineum40,05
Total (N)801,00
Richesse S = 4 espèces. La proportion se calcule par pᵢ = nᵢ / N (ex. 40 / 80 = 0,50).
Indice de Shannon

Shannon-Weaver (H′)

H′ mesure l'incertitude sur l'espèce d'un individu tiré au hasard. Plus les espèces sont nombreuses et équilibrées, plus H′ est grand. H′ = 0 si une seule espèce ; H′ maximal = ln(S) si toutes les espèces sont à parts égales.
H′ = − Σ ( pᵢ × ln pᵢ ) pᵢ = proportion de l'espèce i. On somme sur toutes les espèces, puis on change le signe (les ln de nombres < 1 sont négatifs). Ici on utilise le logarithme népérien (ln), comme la fonction LN du tableur.
Espècepᵢln pᵢpᵢ × ln pᵢ
I. elegans0,50−0,693−0,347
A. imperator0,30−1,204−0,361
L. depressa0,15−1,897−0,285
S. sanguineum0,05−2,996−0,150
Σ−1,142
H′ = − (−1,142) = 1,14 (en nats, unité du ln)
Maximum possible : ln(S) = ln(4) = 1,39
Indice de Simpson

Simpson (D) et ses variantes

D est la probabilité que deux individus tirés au hasard appartiennent à la même espèce. D est donc un indice de dominance : il augmente quand une espèce écrase les autres. On le transforme souvent pour en faire un indice de diversité.
D = Σ pᵢ²  ;  Diversité de Simpson = 1 − D  ;  Simpson inverse = 1 / D 1 − D se lit « probabilité que deux individus soient d'espèces différentes » : il croît avec la diversité (plus intuitif que D brut).
Espècepᵢpᵢ²
I. elegans0,500,2500
A. imperator0,300,0900
L. depressa0,150,0225
S. sanguineum0,050,0025
Σ = D0,365
Dominance D = 0,365
Diversité de Simpson : 1 − D = 0,635
Simpson inverse : 1 / D = 2,74 (≈ « nombre effectif d'espèces »)
Équitabilité

Indice de Piélou (J′)

J′ rapporte Shannon observé à son maximum possible. Il isole la composante « équilibre » de la diversité, indépendamment de la richesse. J′ varie de 0 (une espèce domine tout) à 1 (répartition parfaitement égale).
J′ = H′ / ln(S) S = richesse spécifique. J′ = 1 signifie que toutes les espèces ont le même effectif.
J′ = 1,14 / ln(4) = 1,14 / 1,39 = 0,82
Précautions d'usage

Ce que ces indices ne disent pas

À retenir pour le diagnostic. Un indice de diversité est un argument parmi d'autres, jamais une conclusion en soi. Il éclaire la structure d'une communauté ; il ne dit rien de sa rareté, de son état de conservation ni des pressions qu'elle subit — ce sont les objets des leçons 6 et 7.
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