Dynamiques écologiques et évolutives du contrôle de la nitrification par les plantes : implications pour la structure et le fonctionnement des écosystèmes à différentes échelles

par Alice Ardichvili

Thèse soutenue publiquement le 3 octobre 2023 à Sorbonne Université, Paris

Directeur de thèse : M. Sébastien Barot (IRD)

Co-directeur de thèse : M. Jean-Christophe Lata (Sorbonne Université)

Co-directeur de thèse : M. Nicolas Loeuille (Sorbonne Université

Certaines plantes, via des exsudats racinaires, peuvent accélérer ou ralentir la transformation de l’ammonium en nitrate (la nitrification) dans les sols. C’est notamment le cas de Poacées de savanes (inhibitrices) ou de poacées invasives en Amérique du Nord (stimulatrices). L’ammonium et le nitrate étant deux formes d’azote inorganique que les plantes peuvent absorber, le contrôle de la nitrification modifie donc les conditions de croissance des plantes. Dans une première partie, l’auteur explore les conséquences écologiques (en termes de dynamiques, productivité et composition des communautés de plantes) du contrôle de la nitrification, en faisant varier la préférence des plantes pour l’ammonium ou le nitrate. L’inhibition de la nitrification couplée à une préférence pour l’ammonium génère une boucle de rétroaction positive responsable de potentiels points de bascule entre un état productif et un état désertique. Dans une seconde partie, l’auteur explore les dynamiques évolutives du contrôle de la nitrification dans un modèle spatialisé. L’inhibition de la nitrification peut évoluer lorsque les plantes sont longévives, et que les pertes en ammonium sont plus faibles que les pertes en nitrate. Dans une dernière partie, l’auteur manipule un modèle théorique simple à deux patchs pour étudier l’impact d’un organisme, qui construit sa niche dans son patch, sur le patch voisin. Le but de cette dernière partie est de mieux cerner les conditions dans lesquelles une plante qui contrôle la transformation de ses ressources aurait un effet facilitateur sur ses voisines. Cette thèse suggère que le contrôle de la nitrification est un trait qui aurait pu fréquemment évoluer chez les plantes. L’importance de ce trait pour le fonctionnement des écosystèmes souligne l’intérêt de le caractériser empiriquement.

Modélisation des régimes thermiques du sol dans les milieux ouverts d’altitude des Alpes françaises : influence du transport de neige par le vent et de la végétation

par Matthieu Baron

Thèse soutenue publiquement le 12 octobre 2023 à l’Université Grenoble Alpes, Saint Martin d’Hères

Directeur de thèse : M. Philippe Choler (Université Grenoble Alpes)

Co-encadrant de thèse : M. Matthieu Lafaysse (Météo-France- Institut national polytechnique de Toulouse)

La température du sol dans la zone racinaire a une forte influence sur le fonctionnement des écosystèmes et la distribution de la biodiversité dans les milieux ouverts d’altitude (MOA). Elle est fortement influencée par le bilan énergétique de surface, qui dépend notamment du couvert végétal, et par l’effet isolant du manteau neigeux pendant la période hivernale. L’hétérogénéité topographique des MOA, combinée à des phénomènes tels que le transport de neige par le vent, entraîne une forte hétérogénéité spatiale du manteau neigeux, et influence ainsi le régime thermique du sol. Divers modèles de surface continentale modélisent l’évolution de paramètres physiques du sol, de la végétation et du manteau neigeux. La chaîne S2M, composée du modèle de sol ISBA couplé au modèle de neige Crocus et forcés par le système d’analyse SAFRAN, a été largement utilisée pour la modélisation du manteau neigeux et des régimes thermiques du sol à l’échelle du massif montagneux dans toutes les Alpes françaises, avec parfois des applications à l’écologie. Cette thèse présente une évaluation des régimes thermiques des sols des MOA simulés par cette chaîne, et tente d’améliorer ces simulations en représentant le transport de neige par le vent dans Crocus. L’évaluation des simulations de température du sol dans des situations topographiques et géographiques variées révèle (i) un biais froid moyen de plusieurs degrés en période estivale (ii) une très mauvaise représentation du gel hivernal, avec une absence de forts gels simulés. Une analyse statistique détaillée du biais froid estival a été réalisée, révélant une influence de la végétation et de l'exposition sur ce biais, qui est probablement lié à la représentation de la végétation dans ISBA. De plus, la mauvaise prédiction du gel semble expliquée par une sous-estimation de la variabilité spatiale de l’enneigement, en partie liée à l’échelle spatiale de la réanalyse, empêchant notamment de simuler le transport de neige par le vent. En l’état, il n’est donc pas recommandé d’utiliser les régimes thermiques du sol simulés par S2M comme facteurs explicatifs des processus écologiques à l’échelle locale. Pour remédier à ces problèmes, nous avons développé SnowPappus, un modèle de transport de neige par le vent simple couplé à Crocus, à une résolution de 250 mètres permettant des simulations à grande échelle. Le modèle simule les flux de neige transportée en fonction du vent et des caractéristiques de surface du manteau neigeux, et redistribue la neige entre les points de grille en fonction de ces flux. Les choix de développement du modèle sont décrits en détail., ainsi que des corrections d’erreurs nécessaires dans la représentation du métamorphisme de la neige dans Crocus. Les flux simulés par SnowPappus sont évalués sur des observations ponctuelles. Le modèle SnowPappus simule de bons ordres de grandeurs pour les flux de neige transportée sous réserve d’une calibration adéquate d’un paramètre et d’un bon vent de forçage. Enfin, pour évaluer l’impact de SnowPappus sur les simulations de température du sol, des simulations sur un petit domaine avec de nombreuses observations disponibles ont été réalisées. La prise en compte du transport produit certains effets cohérents comme l’augmentation du gel du sol sur le sommet des crêtes. Cependant, le modèle n’améliore pas les simulations aux points d’observation. Cela semble lié à la résolution spatiale utilisée, qui reste trop large. Pour conclure, ces simulations restent loin de représenter l’hétérogénéité spatiale de l’enneigement et des régimes thermiques du sol à une échelle pertinente pour mieux comprendre la structure, la dynamique et le fonctionnement des MOA. La dernière partie du manuscrit décrit un ensemble de perspectives visant à améliorer la performance des modèles de température du sol dans les MOA, tentant de relier des enjeux scientifiques relevant des sciences du climat d’une part et des sciences de la biodiversité d’autre part.

Améliorer la compréhension des mécanismes contrôlant les flux de CO₂ et de CH₄ dans les écosystèmes forestiers tempérés par l’utilisation de l’outil isotopique

par Caroline Plain

Habilitation à diriger des recherches soutenue publiquement le 29 avril 2024 à l’Université de Loraine, Vandœuvre-lès-Nancy

Les forêts tempérées sont des puits de carbone pour les deux des principaux gaz à effets de serre anthropiques que sont le dioxyde de carbone et le méthane.

La compréhension des mécanismes qui gouvernent les échanges du carbone (CO₂, CH₄) entre l’atmosphère et les écosystèmes forestiers est fondamentale pour prendre en compte l’influence du changement climatique sur ce puits de carbone pour les prochaines décennies alors que les écosystèmes forestiers seront soumis à des transformations importantes.

Depuis une quinzaine d’années, nos travaux ont permis d’améliorer la compréhension des facteurs influençant la production/consommation de ces deux gaz à effet de serre (GES) dans les sols forestiers notamment par l’utilisation de l’outil isotopique. Nos travaux ont également souligné l’influence de la végétation (arbres, plantes accompagnatrices) sur les flux de méthane dans les écosystèmes forestiers tempérés. Mais certains mécanismes contrôlant les émissions de méthane par les arbres nécessitent encore d’être clarifiés afin d’améliorer leur prise en compte dans le bilan de GES des écosystèmes forestiers.