Managing tree species diversity and ecosystem functions through coexistence mechanisms

International audienceAbstractKey messageA better transfer to managers of studies examining the functional role of tree species diversity would be achieved by explicitly addressing two missing links: the effect of management interventions on coexistence mechanisms and the relationships between coexistence mechanisms and ecosystem functions.ContextPlant species diversity has been shown to promote a wide array of ecosystem functions and ecosystem services. However, scientific results concerning relationships between species diversity or species mixing and ecosystem functions have not been well transferred to management practices so far. Part of the problem lies in the difficulty of assessing whether interesting species mixtures can persist over the long term and how management influences ecosystem functions.AimsWe argue that a better transfer of knowledge to managers would be achieved by addressing two missing links: (i) the effect of management interventions on coexistence mechanisms and (ii) the relationships between coexistence mechanisms and ecosystem functions.MethodsTo do so, we first provide a brief overview of the recent scientific results on relations between tree diversity (or two-species mixing) and ecosystem functions, focusing on studies dealing with productivity and stability in forests. We further introduce the key question of whether mixed stands are transient or permanent. We then briefly present key elements of modern coexistence theory and illustrate them with three examples in forest ecosystems. We finish by discussing how management interventions in forests can affect coexistence mechanisms and by addressing some methodological perspectives.ResultsWe provide examples of management actions (e.g. gap-based silviculture, preferentialselection of the most frequent species, preferential selection of the most competitive species, plantingweakly competitive species) that may increase the strength of coexistence mechanisms.ConclusionAnalysing long-term management impacts on species coexistence and ecosystem functions with a combination of long-term monitoring of large permanent plots and mechanistic dynamic model simulations will be useful to develop relevant practices favouring mixed forests in the long term

Cartographie des forêts anciennes de France : objectifs, bilan et perspectives

Il y a dix ans démarraient les premiers travaux de vectorisation, à l'échelle régionale, des forêts de la carte d'Etat-Major, en vue de l'établissement d'une carte nationale des forêts à longue continuité de l'état boisé. Où en est-on aujourd'hui ? Nous faisons le point de l'avancement des travaux et en tirons les premiers enseignements, en répondant aux questions suivantes : Quels sont les définitions et concepts sous-jacents à ces travaux ? Pourquoi cartographier les forêts dites "anciennes" ou "récentes" ? L'analyse des institutions ayant réalisé le travail montre que ce sont principalement les milieux de la conservation qui ont été moteurs dans ces travaux. Mais la production et la qualité des produits bois sont aussi concernés par cette cartographie. Le rôle actuel de puits de carbone des forêts françaises ne peut par exemple se comprendre qu'au travers de cette dynamique forestière ancienne. Pourquoi une focalisation sur la première moitié du XIXe siècle comme date de référence ? Que signifie la notion de minimum forestier ? Quelles en sont les limites ? Quels sont les supports de données les plus intéressantes pour cette cartographie ? Pourquoi la carte d'Etat-Major est une source particulière d'information, dans l'objectif de la cartographie des forêts anciennes, parmi la multitude de cartes ou statistiques disponibles à différentes dates et échelles ? Quelles sont les méthodes d'acquisition de la donnée ? Quelle est la précision spatiale des cartes d'occupation du sol obtenues ? Les principaux problèmes posés par l'utilisation de la carte d'Etat-Major seront présentés, ainsi que la façon dont différents projets y ont répondu. Quels résultats ont été obtenus ? Nous reviendrons entre autres sur l'estimation de la surface forestière française à la date de son minimum. Les cartes déjà réalisées, sur 33% du territoire, permettent de dessiner avec précision et de comparer les changements d'occupation du sol dans différentes régions de France, en termes de pourcentage de déboisement, reboisement et taux de forêt ancienne dans la forêt actuelle. Les évolutions du couvert forestier issues d'autres sources non cartographiques sont-elles confirmées ? Le lien avec le type de propriété foncière est particulièrement intéressant à analyser. Dans plusieurs zones de France (Pyrénées, Luberon, Alpes, Lorraine, Nord-Pas-de-Calais...) ont été réalisés des croisements entre ces cartes et les bases de données régionales de relevés floristiques (Inventaire forestier national, conservatoires botaniques). Ce nouveau type d'analyse permet d'identifier rapidement les espèces végétales liées à la continuité de l'état boisé, dites espèces de forêts anciennes, et les traits de vie qui leur sont associés. Nous présenterons une synthèse de ces résultats. Dans la moitié des zones déjà cartographiées, ce sont toutes les occupations du sol anciennes qui ont été numérisées et non seulement les forêts. Nous évoquerons l'intérêt de ce cadastre ancien, au-delà des seules questions forestières, pour le suivi de la dynamique à long terme des prairies, des milieux humides, des vignes ou des milieux urbanisés. Les techniques de vectorisation des occupations anciennes du sol évoluent vers une simplification et une accélération qui laisse présager une fin du travail plus rapide que prévue initialement, parfois au détriment de la qualité. L'extension à la France entière permettra une vision à la fois à petite échelle mais localement précise des mouvements des masses forestières. Nous discuterons les perspectives de recherche et les développements en cours, ouverts par ces progrès

Exemples d'expériences de simulations. Liens avec l'expérimentation in situ

National audienceDans cette présentation, nous donnons des exemples d'expérimentations virtuelles effectuées avec la modèle de dynamique forestière Samsara2 (modèle individu centré spatialement explicite) dans le cas des futaies irrégulières de montagne. Nous présentons également un exemple d'utilisation du modèle et des résultats de ces expérimentations virtuelles pour la mise en place d'une expérimentation in situ rattachée au GIS-Coop

The effect of colonization and competition processes on the relation between disturbance and diversity in plant communities

Many theoretical and field studies have emphasized the impact of disturbance in the dynamics and diversity of sessile organism communities. This view is best reflected by the Intermediate Disturbance Hypothesis (IDH), which states that a maximum of diversity is found in ecosystems or communities experiencing intermediate disturbance regimes or at an intermediate stage of development since the last major disturbance event. Although theoretical models based on competitive interactions tend to validate this hypothesis, a recent meta-analysis of field experiments revealed that the mono-modal relationship between disturbance and diversity might not be a general pattern. In this article, we investigate the relationship between disturbance and diversity through the study of patch models, combining two types of competitive interactions: with or without competitive hierarchy, with two mechanisms influencing colonization: negative frequency dependence in colonization rates and immigration. These combinations led to various disturbancediversity patterns. In the model without competitive hierarchy (founder effect model), a decreasing relationship appeared to be the rule as mentioned in previous studies. In the model with competitive hierarchy, the IDH pattern was obtained for low frequency dependence and low immigration. Nevertheless, high negative frequency dependence in colonization rates led to a decreasing relationship between disturbance and diversity. In contrast, high immigration led to an increasing relationship. The coexistence window (the range of disturbance intensity allowing coexistence) was the widest for intermediate immigration rates. For random species assemblages, patterns with multiple peaks were also possible. These results highlight the fact that the mono-modal IDH pattern should not be considered a rule. Competition and colonization mechanisms have a profound impact on the relationship between disturbance and diversity

A Versatile, Linear Complexity Algorithm for Flow Routing in Topographies with Depressions

International audienceWe present a new algorithm for solving the common problem of flow trapped in closed depressions within digital elevation models, as encountered in many applications relying on flow routing. Unlike other approaches (e.g., the so-called "Priority-Flood" depression filling algorithm), this solution is based on the explicit computation of the flow paths both within and across the depressions through the construction of a graph connecting together all adjacent drainage basins. Although this represents 5 many operations, a linear time-complexity can be reached for the whole computation, making it very efficient. Compared to the most optimized solutions proposed so far, we show that this algorithm of flow path enforcement yields the best performance when used in landscape evolution models. Besides its efficiency, our proposed method has also the advantage of letting the user choose among different strategies of flow path enforcement within the depressions (i.e., filling vs. carving). Furthermore, the computed graph of basins is a generic structure that has the potential to be reused for solving other problems as well , such as the simulation of erosion. This sequential algorithm may be helpful for those who need to, e.g., process digital elevation models of moderate size on single computers or run batches of simulations as part of an inference study

The effect of colonization and competition processes on the relation between disturbance and diversity in plant communities

Many theoretical and field studies have emphasized the impact of disturbance in the dynamics and diversity of sessile organism communities. This view is best reflected by the Intermediate Disturbance Hypothesis (IDH), which states that a maximum of diversity is found in ecosystems or communities experiencing intermediate disturbance regimes or at an intermediate stage of development since the last major disturbance event. Although theoretical models based on competitive interactions tend to validate this hypothesis, a recent meta-analysis of field experiments revealed that the mono-modal relationship between disturbance and diversity might not be a general pattern. In this article, we investigate the relationship between disturbance and diversity through the study of patch models, combining two types of competitive interactions: with or without competitive hierarchy, with two mechanisms influencing colonization: negative frequency dependence in colonization rates and immigration. These combinations led to various disturbancediversity patterns. In the model without competitive hierarchy (founder effect model), a decreasing relationship appeared to be the rule as mentioned in previous studies. In the model with competitive hierarchy, the IDH pattern was obtained for low frequency dependence and low immigration. Nevertheless, high negative frequency dependence in colonization rates led to a decreasing relationship between disturbance and diversity. In contrast, high immigration led to an increasing relationship. The coexistence window (the range of disturbance intensity allowing coexistence) was the widest for intermediate immigration rates. For random species assemblages, patterns with multiple peaks were also possible. These results highlight the fact that the mono-modal IDH pattern should not be considered a rule. Competition and colonization mechanisms have a profound impact on the relationship between disturbance and diversity

Permanence des structures et récolte de bois dans les futaies irrégulières mélangées sapin-épicéa de montagne : influence de l'hétérogénéité

International audienceLa montée en puissance de la multifonctionnalité a conduit les forestiers à rechercher des systèmes sylvicoles permettant de maintenir sur le long-terme la production de différents services écosystémiques. Ils ont ainsi développés des sylvicultures qui favorisent la régénération naturelle continue et l'hétérogénéité des structures, deux éléments censés favoriser la stabilité des peuplements. Associés à des pratiques de rétention, ces sylvicultures se veulent également bénéfiques pour la biodiversité en diversifiant les niches potentielles des espèces forestières. Les travaux de simulation adressant les effets sur le long terme de la sylviculture sur les structures et les services écosystémiques indiquent bien la possibilité de concilier hétérogénéité, conservation de la biodiversité et production. Elles considèrent toutefois l'hétérogénéité comme une variable de réponse et non comme un élément moteur de la multifonctionnalité. A partir d'une expérimentation par simulations et une analyse par équations structurales, nous avons étudié les effets de différentes pratiques sylvicoles sur la diversité en taille, l'agrégation spatiale et l'équitabilité des espèces et leurs effets directs et indirects (via l'hétérogénéité) sur la permanence des structures et la production de bois dans les futaies irrégulière de montagne mélangée Abies alba-Norway spruce. Nous montrons que ces éléments l'hétérogénéité jouent un rôle important dans la multifonctionnalité et pourraient ainsi occuper une place centrale dans le développement des sylvicultures de demain

Rheological flow laws for multiphase magmas: An empirical approach

The physical properties of magmas play a fundamental role in controlling the eruptive dynamics of volcanoes. Magmas are multiphase mixtures of crystals and gas bubbles suspended in a silicate melt and, to date, no flow laws describe their rheological behaviour. In this study we present a set of equations quantifying the flow of high-viscosity (> 105 Pa·s) silica-rich multiphase magmas, containing both crystals (24–65 vol.%) and gas bubbles (9–12 vol.%). Flow laws were obtained using deformation experiments performed at high temperature (673–1023 K) and pressure (200–250 MPa) over a range of strain-rates (5 · 10− 6 s− 1 to 4 · 10− 3 s− 1), conditions that are relevant for volcanic conduit processes of silica-rich systems ranging from crystal-rich lava domes to crystal-poor obsidian flows. We propose flow laws in which stress exponent, activation energy, and pre-exponential factor depend on a parameter that includes the volume fraction of weak phases (i.e. melt and gas bubbles) present in the magma