Le rôle de la diversité sur la stabilité des processus des écosystèmes forestiers en contexte de changement climatique

Role of diversity in the stability of forest ecosystem processes under climate change.

• Auteur / Autrice : Marion Jourdan
• Direction : Stephan Hättenschwiler
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie fonctionnelle
• Date : Soutenance le 16/11/2018
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'écologie fonctionnelle et évolutive (Montpellier) - AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Claude Plassard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claude Plassard, Bart Muys, Michael Scherer-Lorenzen, Céline Meredieu, Xavier Morin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bart Muys, Michael Scherer-Lorenzen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Productivité biologique

Biodégradation

Bois

Alpes (France)

Conservation des ressources

Diversité des espèces

Stabilité

Écosystèmes

Changements climatiques

Écologie des forêts

Mots clés libres

Changement climatique

Forêts

Diversité

Productivité

Décomposition

Stabilité

Climate change

Forest

Productivity

Diversity

Decomposition

Stability

Résumé

Le changement climatique impacte directement les processus écosystémiques des forêts et les services qui en découlent. Mais il influe également indirectement sur les écosystèmes forestiers en modifiant la composition des communautés. Or, de tels changements de biodiversité sont susceptibles d’affecter le fonctionnement des écosystèmes, puisque les processus écosystémiques – comme la productivité ou la décomposition – sont particulièrement sensibles à la composition en espèces des communautés. Cependant, s’il existe de nombreux travaux sur la relation entre diversité et le niveau moyen atteint par un processus donné (productivité ou décomposition par exemple), peu d’études ont cherché à estimer l’effet de la diversité sur la stabilité de ces processus écosystémiques. Cette stabilité concerne la capacité d’un écosystème forestier à maintenir sa structure et leurs propriétés après une perturbation ou un stress (stabilité par résistance), et aussi sa vitesse de récupération (stabilité par résilience). Ce manque de connaissances sur la stabilité des écosystèmes est particulièrement criant pour les écosystèmes forestiers ; et les inconnues sont encore plus grandes si l’on considère l’interaction entre effet de la diversité et effets du changement climatique. Pourtant, dans ce contexte de changement climatique où les évènements stressants sont amenés à être plus intenses et plus fréquents, mieux connaître la résistance des peuplements et leur résilience semble primordial, que ce soit du point de vue de la conservation de diversité et du maintien des processus écosystémiques à l’échelle locale ou du point de vue du gestionnaire forestier devant adapter les types de peuplements et les pratiques sylvicoles aux nouvelles conditions. Ce travail de thèse a ainsi consisté à étudier l’effet de la richesse spécifique et du climat sur deux processus écosystémiques clés : la croissance des arbres et la décomposition des litières. Il s’est donc agit (i) de tester et quantifier l’effet stabilisant de la diversité arborée sur la productivité forestière, (ii) d’identifier l’importance de l’effet de la composition en espèces de la litière ou du peuplement sur la décomposition, et (iii) d’estimer l’effet du climat sur les processus des écosystèmes forestiers et sur l’effet de la diversité. Cette thèse s’est intéressée plus particulièrement aux peuplements dominés par trois essences forestières : hêtre (Fagus sylvatica), sapin (Abies alba) et chêne pubescent (Quercus pubescens) dans les Alpes françaises, en utilisant des approches empiriques (via des échantillonnages réalisés sur un double gradient diversité-climat), expérimentales et de modélisation. Grâce aux données empiriques et expérimentales, nous avons montré que l’effet stabilisant de la diversité peut être significatif, mais dépend énormément de l’identité des espèces présentes dans le mélange. Quelques pistes de réflexion sur les mécanismes sous-jacents ont été mises en avant, majoritairement basé sur les différences physiologiques et la complémentarité de niche entre espèces. Ce travail a également soulevé l’importance dans l’étude des relations entre diversité et fonctionnement de se focaliser sur plusieurs échelles. Ensuite ce travail a montré que l’effet d’un gradient de stress pouvait moduler significativement, mais pas systématique, l’effet mélange sur les processus forestiers, la production de bois comme la décomposition de la litière. Enfin des simulations ont permis d’identifier des scénarios de gestion promouvant les mélanges et permettant le maintien de l’état forestier et les services écosystémiques en contexte de changement climatique.

Climate change has a direct impact on the ecosystem processes of forests and on the services they provide, but it also indirectly affects forest ecosystems by changing the composition of communities. However, such changes in biodiversity are likely to affect ecosystem functioning, since ecosystem processes - such as productivity or decomposition - are particularly sensitive to the species composition of communities. However, while the relationship between diversity and the average level achieved by a given process (e.g. productivity or decomposition) has been widely documented, few studies have attempted to estimate the effect of diversity on the stability of these ecosystem processes. This stability refers to the ability of a forest ecosystem to maintain its structure and properties after disturbance or stress (resistance), and also its recovery rate (resilience). This lack of knowledge about ecosystem stability is particularly important for forest ecosystems; and the gaps of knowledge are even greater if we consider the interaction between the effects of diversity and the effects of climate change. However, in this context of climate change where stressful events are expected to be more intense and frequent, a better understanding of stand resilience and resilience seems essential, both from the point of view of conserving diversity and maintaining ecosystem processes at the local scale and from the point of view of the forest manager who must adapt stand types and silvicultural practices to new conditions. This thesis thus focused on the effect of species richness and climate on two key ecosystem processes: tree growth and litter decomposition. This involved (i) testing and quantifying the stabilizing effect of tree diversity on forest productivity, (ii) identifying the importance of the effect of litter or stand species composition on decomposition, and (iii) estimating the effect of climate on forest ecosystem processes and the effect of diversity. This thesis focused on stands dominated by three tree species: beech (Fagus sylvatica), fir (Abies alba) and oak (Quercus pubescens) in the French Alps, using empirical (via sampling carried out on a double diversity-climate gradient), experimental and modelling approaches. Through empirical and experimental data, we have shown that the stabilizing effect of diversity can be significant but depends greatly on species identity. Some insights on the underlying mechanisms were highlighted, mainly based on physiological differences and niche complementarity between species. This work also raised the importance of focusing on several scales in the study of the relationships between diversity and functioning. Then this work showed that the effect of a stress gradient could significantly, but not systematically, modulate the mixture effect on forest processes, wood production and litter decomposition. Finally, simulations were conducted to identify management scenarios promoting mixtures and allowing the maintenance of ecosystem services in the context of climate change.