Compréhension des patrons spatiaux de diversité et de productivité chez les plantes alpines : application de l'imagerie à haute résolution dans les Alpes françaises

Understanding spatial patterns of diversity and productivity in alpine plant communities : application of high-resolution imagery in the French Alps

• Auteur / Autrice : Bradley Carlson
• Direction : Wilfried Thuiller, Philippe Choler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biodiversité-Ecologie-Environnement
• Date : Soutenance le 14/11/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale chimie et science du vivant (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'écologie alpine (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Björn Reineking
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wilfried Thuiller, Sonja Wipf, Marie Dumont
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Niklaus E. Zimmermann, Isla Myers-Smith

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes alpines

Mots clés libres

Télédétection

Plantes alpines

Modélisation de la distribution des communautés

Enneigement

Propriétés des écosystèmes

Remote-Sensing

Alpine plants

Community distribution modeling

Snow cover

Ecosystem properties

Résumé

Cette thèse a pour objectif principal de contribuer à la compréhension des facteurs environnementaux agissant sur la diversité et la productivité des communautés végétales alpine, et dans un deuxième temps de mettre en évidence des changements récents dans la structure de la végétation dans un contexte tempéré alpin, les Alpes françaises. L’approche adoptée se base sur des méthodes issues de la télédétection et également de l’écologie végétale, en combinant des relevés de végétation avec les données de climat de l’imagerie à haute résolution. Dans le premier chapitre, je démontre l’intérêt de quantifier la durée d’enneigement afin de pouvoir prédire les patrons de diversité taxonomique et fonctionnelle, en montrant aussi que la modélisation spatiale de la productivité primaire reste un défi important dans le contexte des paysages alpins. Dans le deuxième chapitre, je teste l’utilité de l’imagerie satellitaire pour quantifier les conditions environnementales au niveau des communautés végétales, et je mets en évidence que l’habitat des communautés dominantes peut être différencié à l’échelle régionale par la date de déneigement et le pic en productivité. J’essaie également de voir si la diversité fonctionnelle influe sur la réponse NDVI dans le cadre de trois années de durée d’enneigement contrastées. Le troisième chapitre marque un changement d’approche, dans lequel je passe à l’analyse de la dynamique observée de la végétation pendant les dernières décennies dans deux sites : la Réserve Naturelle des Hauts Plateaux du Vercors (RNHPV) et le Parc National des Ecrins (PNE). L’analyse diachronique de l’écotone forêt-prairie dans la RNHPV montre une forte expansion de la forêt à Pinus uncinata pendant les soixante dernières années, en réponse à un réchauffement global et également des changements spatio-temporels dans les usages des terres en lien avec le pâturage. Dans la deuxième partie, je montre qu’avec les satellites on observe une tendance de verdissement à l’échelle du PNE pendant les dernières décennies. Je propose qu’une réduction dans la durée d’enneigement et un réchauffement depuis les années 1980s ont contribué à une augmentation de la productivité des canopées dans des contextes alpins de haute altitude, et ceci indépendamment des effets d’utilisation des terres. Pris ensemble, au lieu d’avancer un aspect précis de l’écologie alpine, mon travail sert à compléter nos connaissances du fonctionnement des communautés végétales alpines et à confirmer certaines hypothèses basées sur l’observation terrain avec des analyses spatiales robustes.

The central aim of this thesis is to contribute to current understanding of environmental drivers of plant diversity and productivity as well as of recent changes in vegetation structure in a temperate alpine context, the French Alps. My approach draws on methods from remote sensing and plant ecology by combining plot-based measures of plant diversity and climate data with high-resolution imagery. Chapter I demonstrates the importance of quantifying snow cover duration for predicting patterns of plant taxonomic and functional diversity, and also highlights the ongoing challenge of modeling spatial gross primary productivity dynamics in alpine landscapes. In Chapter II, I explore the utility of satellite imagery for quantifying environmental conditions experienced by alpine plant communities, and further show how metrics of snow cover duration and peak productivity can be used to differentiate habitat for dominant alpine plant communities. I also explore how functional diversity mediates NDVI responses to highly contrasting snow years. Chapter III provides new evidence of recent shifts occurring in high-elevation plant communities in the French Alps in response to climate and land-use change. Analysis of the forest-grassland ecotone in the Vercors Regional Park shows a strong dynamic of forest expansion in response to overall climate warming and local shifts in grazing-related land-use practices, which supports findings from other studies conducted elsewhere in the Alps and Pyrenees. In the second part of Chapter III, for the first time I present evidence of greening dynamics in a protected area of the French Alps, the Ecrins National Park. I propose that a decrease in snow cover duration and pronounced warming occurring in the 1980s likely contributed to increased canopy productivity in high alpine contexts, and are driving long-term greening in the absence of land-use change. Taken collectively, rather than pushing a specific aspect alpine ecology forward, my work helps to fill out our working knowledge of alpine plant communities and serves to solidify a number of field-based observations by carrying out robust spatial analyses.