Etude de la stabilité des écosystèmes à plusieurs échelles spatiales et trophiques

Studying ecosystem stability to global change across spatial and trophic scales

• Auteur / Autrice : Ceres Barros
• Direction : Wilfried Thuiller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biodiversité-Ecologie-Environnement
• Date : Soutenance le 23/06/2017
• 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 : Sandra Lavorel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wilfried Thuiller, Xavier Morin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jonathan Levine, Franck Jabot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écosystèmes

Perturbations écologiques

Mots clés libres

Stabilité

Ecosystèmes

Dynamique

Perturbation

Resilience

Stability

Ecosystems

Dynamics

Disturbance

Stability

Résumé

Dans un contexte de changement global qui continue de menacer les espèces et l’intégrité des écosystèmes à travers le monde, l’étude de la stabilité des écosystèmes n’a jamais été aussi importante. Jusqu’à aujourd’hui, la plupart des études sur la stabilité des écosystèmes se sont centrées sur des écosystèmes simples et des perturbations individuelles, en focalisant généralement sur le comportement de propriétés écosystémiques particulières, comme les indices de productivité et de diversité. Cependant, les écosystèmes sont soumis simultanément à de multiples perturbations. De plus, à grande échelle spatiale, différents écosystèmes se succèdent, chacun répondant différemment à une perturbation donnée. L’étude de la stabilité des écosystèmes doit donc progresser vers des approches plus intégratives qui seront informatives à des échelles pertinentes pour la gestion des écosystèmes. Cette thèse est un pas en avant dans cette direction. Ici, j’ai utilisé plusieurs approches pour évaluer la façon dont de multiples facteurs de changement global, tels que les changements climatiques graduels et extrêmes et les changements d’usage du sol, affectent la stabilité des écosystèmes à grande échelle spatiale, du point de vue d’un seul niveau trophique à un point de vue multitrophique.Je commence par souligner l’importance de considérer les interactions entre les changements climatiques graduels et extrêmes, en conjonction avec les changements de l’usage du sol, pour la gestion de paysages hétérogènes, comme les Alpes européennes. En utilisant un modèle de végétation dynamique et spatialement explicite, je montre qu’une augmentation de la fréquence et de l’intensité de la sécheresse pourrait drastiquement changer les tendances d’embroussaillement des habitats ouverts alpins et subalpins qui sont généralement prévues par les projections ne prenant pas en compte ces évènements extrêmes dans le futur. J’ai ensuite étudié si la sécheresse et le réchauffement climatique progressif amenaient les communautés végétales à souffrir des transitions différentes, en utilisant une approche innovatrice dans laquelle les états des communautés sont décrits d’une façon multidimensionnelle. Je montre que bien que les effets de la sécheresse sur la structure des forêts et des pâturages ne devraient pas trop affecter les trajectoires à long terme causées seulement par le réchauffement climatique graduel, ils devraient rendre les communautés forestières plus instables que les prairies dans le futur. Cependant, l’analyse des réponses de la végétation reste limitée à un seul niveau trophique. Vu que les réseaux trophiques représentent les flux d’énergie dans un écosystème, l’étude de leur stabilité aux perturbations devrait fournir des informations plus précises sur la stabilité globale de l’écosystème. Donc, j’ai aussi étudié la stabilité des réseaux trophiques dans les aires protégées européennes face à des scénarios futurs d’usage du sol et de climat. Mes résultats montrent que ces réseaux trophiques peuvent être très sensibles aux changements climatiques, même s’ils ne sont soumis à aucun changement d’usage du sol. Notamment, je montre que la prise en compte des phénomènes de dispersion des espèces aura un impact important sur la robustesse des réseaux, et je souligne l’importance de leur prise en compte pour la gestion des écosystèmes.Dans ma thèse, je démontre que les concepts de stabilité de l’écosystème peuvent et doivent être appliqués à des échelles pertinentes pour la gestion des écosystèmes, tout en adoptant la nature multidimensionnelle des écosystèmes.

As global change threatens ecosystems worldwide with biodiversity loss, studying ecosystem stability has never been so important. Most ecosystem stability studies have heretofore focused on single ecosystems and disturbances, usually following the behaviour of particular ecosystem properties, such as productivity and diversity indices. However, ecosystems are subjected to multiple disturbances simultaneously and at large spatial scales different ecosystems co-occur, each responding specifically to any given disturbance. Hence, the study of ecosystem stability needs to move towards approaches that can be informative at broad scales that are relevant for ecosystem management. This thesis is a step forward in this direction. Here, I used several approaches to assess how multiple global change drivers, such as climate change, extreme whether events, and land-use changes, affect ecosystem stability at landscape and larger spatial scales, and from single to multi-trophic level perspectives.I begin by highlighting the importance of considering the interactions between gradual and extreme climate changes, in conjunction with land-use changes, for the management of highly diverse landscapes, such as the European Alps. Using a spatially explicit dynamic vegetation model, I show that increasing drought frequency and intensity will likely change the trends of treeline movement expected under future gradual climate warming scenarios. I then investigated whether drought and gradual climate warming caused plant communities to shift in different ways, using n-dimensional hypervolumes to describe community states in multidimensional space. Drought effects on forest and grassland structure did not greatly change the long-term trajectories caused by gradual climate warming alone, but showed that forest communities became more unstable than grasslands in the future. However, focusing on vegetation dynamics remains limited to a single trophic level. Because trophic networks represent energy flows in an ecosystem, studying their stability to disturbances should provide more accurate information on overall ecosystem stability. Hence, I also investigated trophic network stability in European protected areas to future scenarios of land-use and climate changes. My results show that these trophic networks may be highly sensitive to climate changes, even if no land-use changes occur. Importantly, I show that considering different dispersal limitations will greatly impact network robustness, and stress the importance of accounting for these processes in ecosystem management.In my thesis, I demonstrate that ecosystem stability concepts can and should be applied at scales that are relevant for management, while embracing the multidimensional nature of ecosystems.