Pédogénèse et structures spatiale et fonctionnelle des communautés végétales dans les éboulis froids alpins

Pedogenesis and spatial and functional structure of plant communities in alpine cold screes.

• Auteur / Autrice : Simon Meynier
• Direction : Grégory Loucougaray
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement
• Date : Soutenance le 10/02/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ecosystèmes et sociétés en montagne (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Schoeneich
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grégory Loucougaray, Blaise Touzard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jérôme Poulenard, Cendrine Mony

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie fonctionnelle

Humus

Associations végétales

Mots clés libres

Éboulis froids

Microrefuge

Écologie

Réchauffement climatique

Communautés végétales

Formes d'humus

Structure spatiale

Traits fonctionnels

Soil organic matter

Mountain

Climatic gradient

Cold screes

Boreo-Alpine flora

Soil-Plant interaction modelling

Résumé

Les éboulis froids sont des formations poreuses que l'on retrouve, dans les Alpes, jusqu'au bas de l'étage montagnard. Régis par un système complexe de ventilation interne réversible dépendant de la température atmosphérique, ils sont caractérisés par une forte anomalie négative de température du sol, tandis que la température atmosphérique reste identique aux milieux environnement à seulement 2m du sol. Ce contexte abiotique très particulier provoque l’apparition d’îlots écologiques dits abyssaux, c’est à dire anormalement bas en altitude et/ou latitude, dans les zones constamment refroidies par le système de ventilation. Dans ces îlots abyssaux, un cortège floristique boréo-arctique, des arbres atteints de nanisme, et des sols à fortes accumulations de matières organiques contrastent fortement avec la pessière ou la hêtraie-sapinière de l'étage montagnard ou subalpin environnant. Certaines espèces à large amplitude écologique issues des milieux adjacents parviennent par ailleurs à coexister avec les espèces spécialisées dans les conditions froides fournies par les éboulis froids. Ces formations singulières constituent ainsi un modèle d'étude adapté pour étudier, plus particulièrement dans le cadre du réchauffement climatique, les effets de la température du sol sur les processus écologiques des écosystèmes froids.L'objectif général de ce travail est (i) d'améliorer les rares connaissances existantes sur les spécificités écologiques des éboulis froids, et (ii) d'étudier, dans le cadre du réchauffement climatique, les effets du froid du sol sur la pédogénèse, et, à l'échelle des formes de vie, sur la structure spatiale des communautés végétales ainsi que les stratégies et compromis fonctionnels des plantes présentes dans les îlots abyssaux.Globalement, ce travail souligne le fait que le contexte environnemental propre à chaque éboulis - roche-mère, exposition, climat atmosphérique, pool local d'espèces, microtopographie - influence grandement le sol et la composition taxonomique des communautés végétales, résultant en une forte variabilité de ces caractéristiques parmi les éboulis froids étudiés. Pourtant, le froid du sol, commun à chaque site, est le facteur prédominant dans le fonctionnement de l'écosystème abyssal. Ainsi, la structure spatiale et les compromis fonctionnels entre au sein des différentes formes de vie présentent de nombreuses caractéristiques communes entre les éboulis froids, indépendamment du sol ou de leur composition taxonomique. Les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse mettent également en exergue l'intérêt que présente le modèle biologique des éboulis froids pour étudier les communautés mixtes des milieux boréo-arctiques, dans le contexte d'invasion des milieux froids par des espèces plus thermophiles en raison du réchauffement climatique.Enfin, ce travail permet de mettre en valeur le rôle de micro-refuge écologique que peuvent jouer les éboulis froids. Si la plupart des sites aujourd'hui connus risquent de voir leur système de ventilation stoppé en raison du réchauffement climatique, de nouveaux écosystèmes abyssaux sont susceptibles de se former à plus haute altitude à moyen terme, en lien avec la remontée des étages de végétation, permettant à de nombreuses espèces spécialistes des milieux froids de s'y réfugier.

Cold screes are porous formations found in the Alps down to the lower montane level. Governed by a complex system of reversible internal ventilation depending on the atmospheric temperature, they are characterized by a strong negative anomaly of ground temperature, while the atmospheric temperature remains identical to the adjacents environments at only 2m from the ground. This very particular abiotic context causes the appearance of ''abyssal'' ecological islands, abnormally low in altitude and/or latitude, in the zones constantly cooled by the ventilation system. In these abyssal islands, a boreo-arctic flora, dwarfed trees, and soils with a high accumulation of organic matter contrast strongly with the spruce or beech-fir forest of the surrounding montane or subalpine zone. Some species with a wide ecological range from adjacent environments manage to coexist with species specialized in the cold conditions provided by the cold screes. These singular formations thus constitute a suitable study model to investigate, especially in the context of global warming, the effects of soil temperature on the ecological processes of cold ecosystems.The general objective of this work is (i) to improve the scarce existing knowledge on the ecological specificities of cold screes, and (ii) to study, in the context of global warming, the effects of soil cold on pedogenesis, and, at the scale of life forms, on the spatial structure of plant communities, as well as the functional strategies and trade-offs of plants present in abyssal islands.Overall, this work highlights the fact that the environmental context specific to each scree - bedrock, exposure, atmospheric climate, local species pool, microtopography - greatly influences the soil and taxonomic composition of plant communities, resulting in high variability in these characteristics among the cold screes studied. Yet, the low soil temperature, common to each site, is the predominant factor in abyssal ecosystem functioning. Thus, the spatial structure and functional trade-offs within the different life forms share many common features among cold screes, regardless of soil or taxonomic composition. This work also highlights the relevance of the cold scree biological model to study mixed communities in boreo-arctic environments, in the context of invasion of cold environments by more thermophilic species due to global warming.Finally, this work allows us to highlight the role of ecological micro-refuge that cold scree can play. If most of the sites known today are likely to see their ventilation system stopped due to global warming, new abyssal ecosystems are likely to be formed at higher altitudes, in connection with the rise of vegetation levels, allowing many species specializing in cold environments to subsist.