Dynamique transitoire des prairies alpines - relier la biodiversité et les fonctions des écosystèmes dans un monde qui se réchauffe

Transient dynamics of Alpine grasslands – linking biodiversity and ecosystem functions in a warming world

• Auteur / Autrice : Billur Bektaş
• Direction : Wilfried Thuiller, Tamara Munkemuller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biodiversité écologie environnement
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 : Jean-Christophe Clément
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Julien Munoz, Sabine Rumpf
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Roumet, Cyrille Violle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écologie

Biodiversité

Sciences de l'environnement

Écologie des prairies

Alpes

Écologie végétale

Mots clés libres

Patrons de biodiversité

Modélisation basée sur les processus

Réchauffement climatique

Biodiversity patterns

Climate warming

Ecosystem functions

Résumé

Le réchauffement climatique menace la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes. Le règne des plantes constitue non seulement près de 20% de la biodiversité terrestre connue, mais il est également le moteur des écosystèmes en tant que producteur primaire. Les changements induits par le réchauffement chez les plantes ont des implications à des échelles aussi grandes que les écosystèmes. Des individus aux espèces, des communautés aux écosystèmes, l'acclimatation au réchauffement à une échelle se répercute en cascade sur les autres. Cependant, les réponses peuvent ne pas être simultanées, les effets en cascade peuvent ne pas être linéaires, et peuvent inclure une rétroaction entre les échelles. Il est donc difficile de prévoir la biodiversité végétale et le fonctionnement futurs. Pour comprendre l'ampleur, la forme et le chronologie de ces réponses multi-échelles, nous devons démêler les trajectoires d'acclimatation à différentes échelles des plantes. Il s'agit d'un défi important, en particulier dans les écosystèmes où le réchauffement est attendu au-dessus de la moyenne mondiale, comme dans les Alpes européennes.Dans ma thèse, je relève ce défi surtout pour les communautés de prairies de montagne qui sont des points chauds de la biodiversité et fournissent des services écosystémiques essentiels. En montagne, le long de gradients abiotiques, le fort réchauffement entraîne déjà le déplacement de certaines plantes vers des habitats plus frais. Les plantes alpines adaptées au froid doivent donc s'acclimater à de nouvelles niches abiotiques et biotiques. J'ai étudié les réponses multi-échelles de ces plantes en simulant le réchauffement futur avec une transplantation des communautés entières à des altitudes plus basses dans les Alpes françaises.Premièrement, je me suis concentrée sur la phénologie et les performances démographiques au niveau de la communauté et de l'espèce. Après trois ans de l’expérience, alors que les espèces de graminées ont pu compléter leur acclimatation, les plantes à fleurs ont une performance diminuée pour la production de fleurs. Donc, les plantes réchauffées étaient moins attractives pour une diversité de pollinisateurs que les plantes témoins adaptées au réchauffement. Bien que les communautés réchauffées aient acclimaté leur cycle de verdissement et augmenté leur productivité, elles sont restées moins performantes que les communautés témoins. Deuxièmement, j'ai identifié huit espèces perdantes et cinq espèces gagnantes après cinq ans de l’expérience et j'ai montré que les espèces alpines les plus fréquentes ont le plus souffert, comme Poa alpina et Trifolium alpinum. Les perdantes étaient adaptées au froid, courtes, et avaient des feuilles conservatrices. Troisièmement, j'ai développé un nouveau cadre d'assemblage des communautés spatialement explicite pour étudier l’effet du réchauffement sur les règles d'assemblage des communautés et les structures d'abondance des espèces. J'ai montré que sous un réchauffement expérimental, l'importance des filtres abiotiques par rapport aux filtres biotiques dans l'assemblage de la communauté a changé. Finalement, j’ai étudié le fonctionnement des communautés végétales et les liens avec le sol. J'ai constaté que les communautés réchauffées sont devenues plus conservatrices et collaboratrices avec leurs associés champignons pour l'acquisition de ressources. Ces changements ont modifié les fonctions de l'écosystème telles que la productivité souterraine et la décomposition.Ma thèse met en évidence la variabilité du chronologie et des formes fonctionnelles des réponses au changement climatique à différentes échelles. Elle montre également que même certaines réponses rapides et fortes au réchauffement laissent des délais d'acclimatation. J'ai également fourni des développements conceptuels pour le suivi des trajectoires d'acclimatation à multi-échelles qui peuvent servir d'exemple pour de futures études en écologie expérimentale du réchauffement.

Climate warming is threatening worldwide biodiversity and ecosystem functioning. Plant kingdom not only constitutes nearly 20 % of the known terrestrial biodiversity but also are the scene setters of ecosystems as primary producers. Therefore, climate warming-driven changes in plants have repercussions at scales as large as ecosystems. From individuals to species from communities to ecosystems, acclimation to warming at one scale cascades to the others. However, responses may not be simultaneous, cascading effects may not be linear, and may include feedback between scales. This makes it difficult to predict future plant biodiversity and ecosystem functioning. To better understand the magnitude, form, and timing of these multi-scale responses, we need to disentangle the effects of warming and acclimation trajectories at different scales of plant diversity and functioning. This is an important challenge in climate change ecology, especially in ecosystems where warming is projected to be above the global average, such as in the European Alps.Here, I am addressing this challenge with a focus on mountain grassland communities that are biodiversity hotspots and support essential ecosystem services for society. In the mountains, along steep abiotic gradients, strong warming is already pushing some plants to shift their ranges towards colder habitats. At the mountain tops, cold-adapted alpine plants are thus particularly challenged to acclimate to novel abiotic and biotic niches. In my thesis, I studied the multi-scale responses of these plants by experimentally simulating future warming on alpine communities through whole community transplantation to lower altitude in the French Alps. I then tracked over the years how phenology, traits, species, communities, and functions responded to experimental warming.In my first chapter, I focused on the changes in the timing of life cycle events and demographic performance at community and species levels. After three years of warming, while graminoids were able to complete their acclimation, forbs were less performant in producing flowers: a potential reason why warmed communities were less attractive to diverse pollinators compared to warm-adapted control communities. Even though warmed communities acclimated their greening cycle and increased their productivity, they still underperformed in comparison to warm-adapted communities. In the second chapter, I identified eight loser and five winner species after five years of experimental warming and showed that the most frequent and emblematic alpine species were the ones that suffer the most such as Poa alpina and Trifolium alpinum. In general, losers were more cold-adapted, shorter, and tend to have more conservative leaves compared to winners. In the third chapter, in order to investigate how warming affects community assembly rules and species’ abundance structures, I developed a new spatially-explicit community assembly framework. I showed that under experimental warming, the importance of abiotic vs. biotic filters in community assembly changed. In the fourth chapter, I focussed on plant community functioning and links to the soil compartment. I found that while warmed communities were becoming more conservative and collaborative with their soil fungal associates in resource acquisition, they were changing ecosystem functions such as below-ground productivity and decomposition.Overall my thesis highlights the variability in the timing and functional forms of climate change responses at different scales. However, it shows also that even some rapid and strong responses to warming leave acclimation lags. Through my work, I have contributed to a better understanding of the threats of warming on the biodiversity and functioning of mountain grasslands. I also provided conceptual developments for tracking acclimation trajectories at different scales that can set an example for future studies in experimental climate change ecology.