La diversité fonctionnelle racinaire peut-elle favoriser la résilience des mélanges de graminées méditerranéennes sous sécheresses sévères ?

The sustainability of grasslands is threatened under climate change especially in Mediterranean areas. As biodiversity is increasingly recognized to enhance and stabilize processes within plant communities, we aimed to test whether the associations of forage species with contrasting belowground functional strategies improve soil water use and resilience of biomass productivity under increasing summer aridity. Monocultures and bi- or tri-specific mixtures of perennial grasses were compared in a 3-years field experiment under either an average or an extreme summer drought scenario in southern France. From the measured root traits, both the functional identity (mean traits of associated species) and the functional diversity (trait differences) were calculated for each mixture. Overyielding and resilience were assessed from seasonal aboveground biomass (AGB). Total Transpirable Soil Water (TTSW) was derived from monthly soil water content monitoring. Across all treatments and drought scenari, AGB productivity and resilience were highly correlated with TTSW and root depth. The functional identity of mixtures better explained overyielding and resilience responses than the functional diversity. These results provide sound agro-ecological rules to design suitable associations of species for drought-prone areas.La durabilité des prairies est menacée sous changement climatique surtout en zones méditerranéennes. Comme une biodiversité élevée est reconnue pour stabiliser les communautés végétales, cette étude a testé si des mélanges d’espèces fourragères avec des stratégies fonctionnelles racinaires contrastées pouvaient améliorer les prélèvements hydriques et la résilience des couverts sous sécheresses sévères. Des monocultures et des mélanges bi ou tri-spécifiques de graminées pérennes ont été comparés dans un essai au champ sous sécheresse estivale moyenne et extrême dans le sud de la France.Les traits racinaires ont permis de calculer l’identité fonctionnelle (traits moyens des espèces associées) et la diversité fonctionnelle (différence de traits) pour chaque mélange. Overyielding et résilience ont été estimés par des mesures de biomasses aériennes (AGB). La fraction de l’eau du sol transpirable par les plantes (TTSW) a été mesurée. Pour tous les traitements et niveaux de sécheresse, AGB et résilience sont très corrélés à TTSW et profondeur racinaire. L’identité fonctionnelle racinaire permet de mieux expliquer les réponses d’overyielding et de résilience que la diversité fonctionnelle. Ces résultats ont des implications pour la conception de mélanges fourragers adaptés aux zones sèches

Impact of root traits on components of carbon storage : from species to community functioning

L'objectif principal de cette thèse est de comprendre l'impact de la diversité des racines fines sur les composantes du stockage de carbone à différents niveaux d'organisation. Nous avons fait l'hypothèse que les traits des racines fines, mesurés au niveau de l'espèce ou de la communauté, influencent trois processus majeurs liés aux entrées et sorties de C dans le sol : la production, la respiration et la décomposition racinaires et ont ainsi des conséquences sur les stocks de C du sol. Nos résultats montrent que les traits fonctionnels racinaires sont de bons proxys des processus de décomposition et de respiration au niveau de l'espèce. Un compromis de gestion de la ressource carbonée a été mis en évidence entre des espèces caractérisées par de fortes densités racinaires et de forts ratio C/N ou lignine/N qui ont de faible vitesse de respiration et de décomposition et celles caractérisées par de fortes longueurs spécifiques racinaires et teneurs en azote, qui ont un métabolisme rapide. Au niveau de la communauté, ce schéma n'est pas vérifié. La décomposition d'un mélange racinaire ne peut pas être prédite à partir de la décomposition des espèces qui le composent ou des traits du mélange. Les variations de stocks de carbone dans le sol sont expliqués par la quantité et la productivité des racines mais pas par leur qualité ou le turnover. Ces travaux ont révélé la difficulté d'extrapoler les résultats trouvés au niveau de l'espèce, au niveau de communautés in situ pour prédire le fonctionnement de l'écosystème.The main objective of this thesis is to understand the impact of fine root functional diversity on carbon storage components at different levels of organization. We hypothesized that fine root traits, measured at the species and community levels, influence three major processes of carbon inputs and outputs : root production, respiration and decomposition and thus have consequences on soil carbon stocks. Ours results show that root functional traits are good proxies of processes of decomposition and respiration at the species level. A carbon resource trade-off exist between species characterized by high root tissue density, C/N and lignin/N ratio with a low rate of respiration and decomposition and those characterized by high specific root length and nitrogen content with a rapid metabolism. At the community level, this scheme is not confirmed. Root mixture decomposition is not predicted by decomposition of species composing it or by root traits. Variations of soil carbon stocks are explained by root quantity and productivity but not by their quality or turnover. Those studies revealed the difficulty to scale up results found at the species level to the community level to predict ecosystem functioning

Impact of root traits on components of carbon storage : from species to community functioning

L'objectif principal de cette thèse est de comprendre l'impact de la diversité des racines fines sur les composantes du stockage de carbone à différents niveaux d'organisation. Nous avons fait l'hypothèse que les traits des racines fines, mesurés au niveau de l'espèce ou de la communauté, influencent trois processus majeurs liés aux entrées et sorties de C dans le sol : la production, la respiration et la décomposition racinaires et ont ainsi des conséquences sur les stocks de C du sol. Nos résultats montrent que les traits fonctionnels racinaires sont de bons proxys des processus de décomposition et de respiration au niveau de l'espèce. Un compromis de gestion de la ressource carbonée a été mis en évidence entre des espèces caractérisées par de fortes densités racinaires et de forts ratio C/N ou lignine/N qui ont de faible vitesse de respiration et de décomposition et celles caractérisées par de fortes longueurs spécifiques racinaires et teneurs en azote, qui ont un métabolisme rapide. Au niveau de la communauté, ce schéma n'est pas vérifié. La décomposition d'un mélange racinaire ne peut pas être prédite à partir de la décomposition des espèces qui le composent ou des traits du mélange. Les variations de stocks de carbone dans le sol sont expliqués par la quantité et la productivité des racines mais pas par leur qualité ou le turnover. Ces travaux ont révélé la difficulté d'extrapoler les résultats trouvés au niveau de l'espèce, au niveau de communautés in situ pour prédire le fonctionnement de l'écosystème.The main objective of this thesis is to understand the impact of fine root functional diversity on carbon storage components at different levels of organization. We hypothesized that fine root traits, measured at the species and community levels, influence three major processes of carbon inputs and outputs : root production, respiration and decomposition and thus have consequences on soil carbon stocks. Ours results show that root functional traits are good proxies of processes of decomposition and respiration at the species level. A carbon resource trade-off exist between species characterized by high root tissue density, C/N and lignin/N ratio with a low rate of respiration and decomposition and those characterized by high specific root length and nitrogen content with a rapid metabolism. At the community level, this scheme is not confirmed. Root mixture decomposition is not predicted by decomposition of species composing it or by root traits. Variations of soil carbon stocks are explained by root quantity and productivity but not by their quality or turnover. Those studies revealed the difficulty to scale up results found at the species level to the community level to predict ecosystem functioning

Measurement of fine root tissue density: a comparison of three methods reveals the potential of root dry matter content

15 pages, 3 figures, 2 tables, 57 references.Aims Root tissue density (RTD, the ratio of root dry mass to root volume) is a fundamental trait in comparative root ecology, being increasingly used as an indicator of plant species’ resource use strategy. However, the lack of standardized method to measure this trait makes comparisons tricky. This study aims to compare three methods commonly used for determining fine RTD and to test whether root dry matter content (RDMC, the ratio between root drymass and root freshmass) could be used as a surrogate of fine root tissue density. Methods RTD of 163 fine root samples was determined using (i) Archimedes’ method, (ii) image analysis (WinRHIZO software), and (iii) using the root dry matter content as a proxy. Root samples belonged to different herbaceous species grown in different conditions. Results RTD measured with Archimedes’ method was positively correlated with RTD estimated with image analysis and with RDMC. However we demonstrated that RTD measured with Archimedes’ method was better predicted by RDMC (R2=0.90) than by RTD measured with image analysis (R2=0.56). The performance and limitations of each method were discussed. Conclusion RDMCis a quick, cheap and relatively easy measurable root attribute; we thus recommended its measurement as a proxy of fine root tissue density.The research was supported by the FRB RESPIRS CT 054045 grant, from the “Fondation de la Recherche sur la Biodiversité”.Peer reviewe

Root structure-function relationships : evidence of a “root economics spectrum”?

absen

Root structure - function relationships: evidence of a root economics spectrum?

Root structure - function relationships: evidence of a root economics spectrum?. Joint 2014 Annual Meeting Bristish Ecological Society and Société Française d'Ecologi

Root structure-function relationships in 74 species: evidence of a root economics spectrum related to carbon economy

Although fine roots are important components of the global carbon cycle, there is limited understanding of root structure-function relationships among species. We determined whether root respiration rate and decomposability, two key processes driving carbon cycling but always studied separately, varied with root morphological and chemical traits, in a coordinated way that would demonstrate the existence of a root economics spectrum (RES). Twelve traits were measured on fine roots (diameter 2mm) of 74 species (31 graminoids and 43 herbaceous and dwarf shrub eudicots) collected in three biomes. The findings of this study support the existence of a RES representing an axis of trait variation in which root respiration was positively correlated to nitrogen concentration and specific root length and negatively correlated to the root dry matter content, lignin:nitrogen ratio and the remaining mass after decomposition. This pattern of traits was highly consistent within graminoids but less consistent within eudicots, as a result of an uncoupling between decomposability and morphology, and of heterogeneity of individual roots of eudicots within the fine-root pool. The positive relationship found between root respiration and decomposability is essential for a better understanding of vegetation-soil feedbacks and for improving terrestrial biosphere models predicting the consequences of plant community changes for carbon cycling

Utiliser les mélanges fourragers pour s'adapter au changement climatique : opportunités et défis

Ce numéro de la revue Fourrages présente les résultats des travaux du projet Climagie du métaprogramme Adaptation au changement climatique de l'agriculture et de la forêt (ACCAF) de l'InraIn the context of climate change, grasslands will need to be populated with forage species that tolerate drought conditions. Planting forage mixtures is a possible solution, but questions remain regarding the specific varieties to use. Recently, different experiments have shown that both intra- and interspecific diversity could have a positive effect on grassland production under climate change and, more specifically, during droughts. However, to choose which species and genotypes to include, it is necessary to define the rules of assembly. These rules could be based on the choice of certain functional traits. For instance, research suggests that differences in growth-related traits among plants within the community, namely temporal differences in growth periods, have a positive effect. Defining the traits of greatest interest and their relative importance in grassland communities is a major consideration when selecting the plant varieties to include in forage mixtures.Le changement climatique s'accompagne d'un accroissement de la fréquence des sécheresses qui menace la pérennité et la production des prairies. Il est donc nécessaire d'adapter les couverts prairiaux à des conditions hydriques limitantes. Les mélanges offrent des perspectives intéressantes mais posent des questions quant aux critères de sélection des variétésDifférentes expérimentations récentes montrent la plus-value de la diversité spécifique et intraspécifique sur la production des prairies face au changement climatique et en particulier face aux épisodes de sécheresse. Mais le choix des espèces et des génotypes composant cette diversité nécessite de définir correctement les règles d'assemblage. Ces règles pourraient être basées sur des choix de traits (caractères) des espèces et des génotypes. La diversification de traits liés à des stratégies de croissance décalées dans le temps semble avoir un effet positif, contrairement aux traits racinaires. Ainsi, le choix de traits d'intérêt et de la valeur de ces traits dans les couverts prairiaux est à considérer dans les processus de sélection variétale