Influence du réchauffement climatique sur la croissance des ligneux bas dans les Alpes françaises : analyse dendroécologique de Rhododendron ferrugineum L. en contextes topoclimatiques contrastés

Influence of global warming on the growth of dwarf shrubs in the French Alps : dendroecological analysis of Rhododendron ferrugineum L. in contrasting topoclimatic contexts

• Auteur / Autrice : Loïc Francon
• Direction : Irène Till-Bottraud, Christophe Corona
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géographie
• Date : Soutenance le 25/06/2020
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des lettres, sciences humaines et sociales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de Géographie Physique et Environnementale
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Géographie Physique et Environnementale / GEOLAB
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Choler, Markus Stoffel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Gauquelin, Isla Myers-Smith

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Écophysiologie

Modèles mathématiques

Plantes -- Croissance

Effets du climat

Rhododendrons

Alpes (France)

Dendroclimatologie

croissance et développement

Plantes alpines

Effets du réchauffement de la Terre

Écologie des montagnes

Mots clés libres

Changement climatique

Dendrochronologie

Dendroécologie

Arbustes

Alpes

Topographie

Ligneux bas

Colonisation arbustive

Mont Blanc

Oisans

Chartreuse

Queyras

[néant]

Résumé

Les écosystèmes alpins, comme la toundra arctique, subissent un réchauffement accentué par rapport au reste du globe. En Arctique, une approche dendroécologique basée sur l’analyse des relations entre la croissance annuelle radiale et le climat a permis de mettre en évidence les paramètres climatiques qui contrôlent l’expansion des arbustes nains (ligneux bas). Ces changements au sein de la toundra ont de vastes répercussions sur l’albédo, le manteau neigeux, le sol, le microclimat au niveau du sol ainsi que sur le cycle du carbone et le climat à l’échelle planétaire. Les Alpes européennes se sont considérablement réchauffées ces dernières décennies, et ce de manière non-linéaire, avec un point d’inflexion situé à la fin des années 80. Par analogie avec l’Arctique, nous émettons l’hypothèse qu’à haute altitude la diminution des contraintes climatiques (hausse des températures estivales, diminution de l’enneigement) favorise une augmentation de la croissance radiale des ligneux bas. Afin de valider cette hypothèse, huit populations de Rhododendron ferrugineum L. (Ericaceae) ont été prélevées dans des sites, le long de gradients topoclimatiques et dans des massifs caractérisés par des niveaux de continentalité représentatifs des Alpes françaises. Afin de caractériser finement la réponse de R. ferrugineum au changement, les chronologies de largeur de cernes établies pour chaque population ont été comparées aux séries météorologiques en utilisant les approches statistiques courantes en dendrochronologie (fonctions de corrélation) mais également sur la base de modèles empruntés à l’écologie (modèles linéaires mixtes, modèles d’équations structurelles).Le premier chapitre de la thèse met en évidence le potentiel dendroécologique de R. ferrugineum. Sur la base de fonctions de corrélation, il a permis de démontrer que les températures estivales étaient le principal facteur limitant de la croissance radiale d’une population de R. ferrugineum échantillonnée dans le massif du Taillefer (Alpes françaises, 2000 m d’altitude) mais également une très forte sensibilité de cette population aux précipitations hivernales, phénomène non observé sur une population d’arbre (Picea abies) située à proximité. Dans le deuxième chapitre, l’échantillonnage initial a été complété par des prélèvements réalisés sur deux placettes étagées le long d’un gradient altitudinal (1800-2400 m). La comparaison de la croissance radiale de R. ferrugineum et des séries nivo-météorologiques locales issues de la base de données SAFRAN-crocus au moyen de modèles d’équations structurelles démontre une forte hétérogénéité spatiale et temporelle de la réponse des ligneux bas aux fluctuations du climat. La population en limite altitudinale supérieure (2400 m) est très sensible à la durée de saison végétative et à la température estivale. Cette sensibilité décroît fortement à plus basse altitude (1800, 2000 m) en relation avec l’augmentation du stress lié aux gels printaniers depuis la fin des années 1980. De la même manière, l’affaiblissement des relations cernes-climat au cours des deux dernières décennies est attribué à un phénomène de divergence similaire à celui observé dans les populations d’arbres en Arctique. Le troisième chapitre est consacré à l’analyse de populations prélevées dans le massif du Queyras (Alpes françaises du sud) où l’aridité estivale liée à la continentalité est plus marquée que dans le Taillefer. Les résultats obtenus sur deux populations localisées sur des versants ouest et nord montrent le rôle déterminant de la situation topoclimatique sur la réponse de R. ferrugineum au climat et l’impact négatif de l’augmentation de la sévérité des vagues de chaleur et de la sécheresse estivale sur la population exposée à un rayonnement solaire important. Le quatrième chapitre intègre les huit populations échantillonnées dans les Alpes. [...]

Alpine ecosystems, such as the Arctic tundra, are experiencing a pronounced warming compared to the rest of the world. In the Arctic, dendroecological studies have documented the climatic drivers of the expansion of dwarf shrubs. These changes in the Arctic tundra have far-reaching implications for albedo, snow cover, soil, ground-level microclimate, global carbon cycle and climate. The European Alps have warmed considerably in recent decades, and this has occurred in a non-linear way, with an inflection point the end of the 1980s. Since then, summer temperature has sharply increased and snow cover durability in spring has declined. By analogy with the Arctic, we hypothesize that at high elevation, the decrease in climatic constraints (increase in summer temperatures, decrease in snow cover duration) favors an increase in shrubs radial growth. In order to validate this hypothesis, eight populations of Rhododendron ferrugineum L. (Ericaceae) were collected in the French Alps, throughout a network designed to be representative of the contrasts in continentality, elevation and slope aspect across the French Alps. Classical statistical procedures used in dendroecology (Correlation functions) and models traditionally used in ecology (Structural Equation Models, Linear Mixed Models, SEMs, LMMs) have been coupled to finely assess the relationships between the radial growth of R. Ferrugineum and nivo-meteorological variables.The first chapter shows the dendroecological potential of R. Ferrugineum in a population (2000 m asl) from the Taillefer massif. Correlation function analyses reveal that winter precipitation and summer temperature act as main co-limiting factors for shrub growth while comparable sensitivity to snowfall was not observed in a population of adjacent trees (P. abies). In chapter 2, two additional R. ferrugineum plots were sampled in the Taillefer massif at 1800 and 2400 m asl. The radial growth of R. ferrugineum along the elevation gradient was compared to local re-analyses from the SAFRAN-crocus nivo-meteorological network. Comparison of the radial growth of R. ferrugineum and local snow and weather series from the SAFRAN-crocus database using structural equation models shows a high spatial and temporal heterogeneity in the response of dwarf shrubs to climate fluctuations. The population sampled at the upper shrubline (2400 m) is very sensitive to the length of the growing season and summer temperature. This sensitivity decreases sharply at lower elevations (1800, 2000 m) in relation to the increase in stress associated with early frosts since the late 1980s. Similarly, the weakening of climate-growth relationships over the past two decades is attributed to a divergence phenomenon similar to that observed in tree populations in the Arctic. Chapter 3 focuses on the analysis of populations taken from the Queyras massif (southern French Alps) where summer aridity linked to continentality is more pronounced than in the Taillefer. The results obtained in two populations located on western and northern slopes show the decisive role of the topoclimate on the response of R. ferrugineum to climate and the negative impact of the increase in the severity of heat waves and summer drought on populations exposed to higher solar radiation. In Chapter 4, all the populations sampled over the French Alps were analyzed simultaneously. Our results show a strong non-linearity of R. ferrugineum response to climate change exacerbated in specific topoclimatic situations. Shrubs, whose radial growth was clearly controlled by temperature before the 1980s, now seem to be constrained by water availability and spring frost events. Finally, the last chapter synthesizes the main results of this study and proposes perspectives for future research. [...]