Interactions entre composition fonctionnelle de communautés végétales et formation des sols sans des lits de ravines en cours de restauration écologique

L activité érosive des badlands marneux des Alpes du Sud présente des conséquences négatives pour l homme qui a ainsi cherché à restaurer ces terrains dès le XIXème siècle. Depuis une dizaine d années, une stratégie d ingénierie écologique y est développée et se concentre sur les lits de ravines, pierres angulaires de leur restauration. La question appliquée à la base de ce travail de thèse est d identifier comment l implantation d ouvrages de génie écologique dans lelit de ravines marneuses érodées favorise leur restauration écologique sur le long terme.L objectif de recherche associé à cette question est de mieux comprendre comment des communautés végétales interagissent avec la restauration des sols de lits de ravines érodées sur le long terme. Nous avons fait l hypothèse que les traits végétaux des plantes à l échelle de communautés constituent un point d entrée pertinent pour étudier ces interactions. Dans la première partie, nous avons utilisé les traits comme un outil de compréhension de l effet mécanique des plantes sur les dynamiques géomorphologiques des lits de ravines en cours de restauration. Nous avons notamment montré que les traits permettent d expliquer la capacité de communautés végétales implantées à favoriser la formation d amas sédimentaires dans le lit des ravines durant la première décennie post-travaux. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à l évolution potentielle sur le long terme (centaine d années) des propriétés de ces amas, constituant des sols en devenir. Nous avons montré que la diversité ainsi que les valeurs dominantes des traits végétaux influencent les propriétés de ces sols, notamment la stabilité des agrégats et la fertilité des sols. En plus d être un outil de compréhension, nous montrons que cette utilisation des traits constitue un outil pour guider les actions de restauration de badlands via l implantation d ouvrages de génie écologique, en apportant des éléments sur le devenir géomorphologique et écologique post-travaux des systèmes sol-plante de lits de ravines.In the French Southern Alps, severe erosion in marly badlands shows negative consequencesfor human populations, who worked to restore these terrains since the XIXth century. For adecade, an ecological engineering strategy is developed and focuses on gully beds, cornerstonesof their restoration. The operational question at the root of this PhD project is to identify towhat extent ecological engineering structures implanted in marly gully beds can foster theirlong-term ecological restoration. The scientific objective related to this question is to betterunderstand how plant communities interact in the long-term with the restoration of soils ingully beds. We hypothesized that plant traits at the community scale is a relevant entry point tostudy these interactions. In the first part, we used traits as a tool to study the mechanical effectof plants on geomorphological dynamics in gully beds under restoration. In particular, weshowed that traits enable us to explain the capacity of plant communities to favor theaccumulation of sediment mounds in gully beds during the first decade after ecologicalengineering works. In the second part, we concentrated on the potential long-term (century)evolution of the properties of these sediment mounds, in the process of becoming real soils. Weshowed that both trait diversity and dominant values of traits interacted with the properties ofthese soils, such as soil aggregate stability and soil fertility. With a strong multidisciplinaryapproach, this work provides results and insights on the interactions between plant traits andecosystem functioning in the specific case of highly eroded semi-natural ecosystems. It alsocontribute to set tools to restore badlands via ecological engineering works, by providinginformation about the long-term geomorphological and ecological evolution of soil-plantsystems in restored gully beds.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Modification des traits racinaires le long d’une succession secondaire sur des talus routiers: implications dans la dynamique des communautés et la protection des sols contre l’érosion

Les traits fonctionnels des plantes varient au cours des successions secondaires végétales. Alors que certains traits ont été largement étudiés, les variations des traits racinaires au cours des successions restent relativement peu documentées. L’objectif de cette étude vise à mieux comprendre en quoi des variations de traits racinaires le long d’une succession secondaire contribuent à la dynamique de communautés végétales méditerranéennes. Pour cela, quinze communautés végétales, âgées de 0 à 69 ans, ont été repérées sur des talus en bordures de routes, dans le nord Montpelliérain. Sur cette chronoséquence, nous nous intéressons à des traits racinaires morphologiques et architecturaux des espèces dominantes, représentant 70% de l’abondance végétale. Nous faisons l’hypothèse que des traits morphologiques des racines fines (< 2 mm) permettent de mieux comprendre les modifications des stratégies d’acquisition et de conservation des ressources en nutriments et en eau. Des traits architecturaux, tels que la présence d’un pivot, de racines traçantes et/ou adventives, permettent d’étudier le rôle des racines dans l’ancrage et la capacité des espèces à coloniser le milieu en réponse aux contraintes topographiques liées à la pente des talus. Dans cette communication, nous présentons (i) la méthode retenue pour l’étude des traits racinaires morphologiques et architecturaux sur des espèces de formes de croissance diverses (herbacées, buissons, arbres) et (ii) discutons des limites et atouts de ces méthodes. Enfin, nous discutons de l’implication de ces traits racinaires dans la capacité des communautés à limiter l’érosion superficielle des talu

Interactions entre composition fonctionnelle de communautés végétales et formation des sols sans des lits de ravines en cours de restauration écologique

In the French Southern Alps, severe erosion in marly badlands shows negative consequencesfor human populations, who worked to restore these terrains since the XIXth century. For adecade, an ecological engineering strategy is developed and focuses on gully beds, cornerstonesof their restoration. The operational question at the root of this PhD project is to identify towhat extent ecological engineering structures implanted in marly gully beds can foster theirlong-term ecological restoration. The scientific objective related to this question is to betterunderstand how plant communities interact in the long-term with the restoration of soils ingully beds. We hypothesized that plant traits at the community scale is a relevant entry point tostudy these interactions. In the first part, we used traits as a tool to study the mechanical effectof plants on geomorphological dynamics in gully beds under restoration. In particular, weshowed that traits enable us to explain the capacity of plant communities to favor theaccumulation of sediment mounds in gully beds during the first decade after ecologicalengineering works. In the second part, we concentrated on the potential long-term (century)evolution of the properties of these sediment mounds, in the process of becoming real soils. Weshowed that both trait diversity and dominant values of traits interacted with the properties ofthese soils, such as soil aggregate stability and soil fertility. With a strong multidisciplinaryapproach, this work provides results and insights on the interactions between plant traits andecosystem functioning in the specific case of highly eroded semi-natural ecosystems. It alsocontribute to set tools to restore badlands via ecological engineering works, by providinginformation about the long-term geomorphological and ecological evolution of soil-plantsystems in restored gully beds.L’activité érosive des badlands marneux des Alpes du Sud présente des conséquences négatives pour l’homme qui a ainsi cherché à restaurer ces terrains dès le XIXème siècle. Depuis une dizaine d’années, une stratégie d’ingénierie écologique y est développée et se concentre sur les lits de ravines, pierres angulaires de leur restauration. La question appliquée à la base de ce travail de thèse est d’identifier comment l’implantation d’ouvrages de génie écologique dans lelit de ravines marneuses érodées favorise leur restauration écologique sur le long terme.L’objectif de recherche associé à cette question est de mieux comprendre comment des communautés végétales interagissent avec la restauration des sols de lits de ravines érodées sur le long terme. Nous avons fait l’hypothèse que les traits végétaux des plantes à l’échelle de communautés constituent un point d’entrée pertinent pour étudier ces interactions. Dans la première partie, nous avons utilisé les traits comme un outil de compréhension de l’effet mécanique des plantes sur les dynamiques géomorphologiques des lits de ravines en cours de restauration. Nous avons notamment montré que les traits permettent d’expliquer la capacité de communautés végétales implantées à favoriser la formation d’amas sédimentaires dans le lit des ravines durant la première décennie post-travaux. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à l’évolution potentielle sur le long terme (centaine d’années) des propriétés de ces amas, constituant des sols en devenir. Nous avons montré que la diversité ainsi que les valeurs dominantes des traits végétaux influencent les propriétés de ces sols, notamment la stabilité des agrégats et la fertilité des sols. En plus d’être un outil de compréhension, nous montrons que cette utilisation des traits constitue un outil pour guider les actions de restauration de badlands via l’implantation d’ouvrages de génie écologique, en apportant des éléments sur le devenir géomorphologique et écologique post-travaux des systèmes sol-plante de lits de ravines

Interactions entre composition fonctionelle de communautés végétales et formation des sols dans les lits de ravines en cours de restauration écologique

(trad auto)The erosive activity of the marl badlands of the Southern Alps has negative consequences for mankind, who has sought to restore these lands since the 19th century. Over the past ten years, an ecological engineering strategy has been developed there and focuses on gully beds, the cornerstones of their restoration. The question applied to the basis of this thesis work is to identify how the establishment of ecological engineering structures in the bed of eroded marl gullies promotes their ecological restoration in the long term. The research objective associated with this question is to better understand how plant communities interact with the restoration of eroded gully bed soils over the long term. We hypothesized that plant traits of plants at the community level are a relevant entry point for studying these interactions. In the first part, we used the features as a tool to understand the mechanical effect of plants on the geomorphological dynamics of gully beds undergoing restoration. In particular, we have shown that the features explain the ability of established plant communities to promote the formation of sedimentary clusters in the gully bed during the first decade after work. In the second part, we looked at the potential long-term evolution (100 years) of the properties of these clusters, which constitute soil in the making. We have shown that the diversity and dominant values of plant traits influence the properties of these soils, including aggregate stability and soil fertility. In addition to being a tool for understanding, we show that this use of features constitutes a tool to guide badlands restoration actions through the implementation of ecological engineering works, by providing elements on the post-work geomorphological and ecological future of soil-plant systems of gully beds.L’activité érosive des badlands marneux des Alpes du Sud présente des conséquences négatives pour l’homme qui a ainsi cherché à restaurer ces terrains dès le XIXème siècle. Depuis une dizaine d’années, une stratégie d’ingénierie écologique y est développée et se concentre sur les lits de ravines, pierres angulaires de leur restauration. La question appliquée à la base de ce travail de thèse est d’identifier comment l’implantation d’ouvrages de génie écologique dans le lit de ravines marneuses érodées favorise leur restauration écologique sur le long terme. L’objectif de recherche associé à cette question est de mieux comprendre comment des communautés végétales interagissent avec la restauration des sols de lits de ravines érodées sur le long terme. Nous avons fait l’hypothèse que les traits végétaux des plantes à l’échelle de communautés constituent un point d’entrée pertinent pour étudier ces interactions. Dans la première partie, nous avons utilisé les traits comme un outil de compréhension de l’effet mécanique des plantes sur les dynamiques géomorphologiques des lits de ravines en cours de restauration. Nous avons notamment montré que les traits permettent d’expliquer la capacité de communautés végétales implantées à favoriser la formation d’amas sédimentaires dans le lit des ravines durant la première décennie post-travaux. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à l’évolution potentielle sur le long terme (centaine d’années) des propriétés de ces amas, constituant des sols en devenir. Nous avons montré que la diversité ainsi que les valeurs dominantes des traits végétaux influencent les propriétés de ces sols, notamment la stabilité des agrégats et la fertilité des sols. En plus d’être un outil de compréhension, nous montrons que cette utilisation des traits constitue un outil pour guider les actions de restauration de badlands via l’implantation d’ouvrages de génie écologique, en apportant des éléments sur le devenir géomorphologique et écologique post-travaux des systèmes sol-plante de lits de ravines

Interaction between the functional structure of plant communities and soil formation in gully beds under ecological restoration

L’activité érosive des badlands marneux des Alpes du Sud présente des conséquences négatives pour l’homme qui a ainsi cherché à restaurer ces terrains dès le XIXème siècle. Depuis une dizaine d’années, une stratégie d’ingénierie écologique y est développée et se concentre sur les lits de ravines, pierres angulaires de leur restauration. La question appliquée à la base de ce travail de thèse est d’identifier comment l’implantation d’ouvrages de génie écologique dans lelit de ravines marneuses érodées favorise leur restauration écologique sur le long terme.L’objectif de recherche associé à cette question est de mieux comprendre comment des communautés végétales interagissent avec la restauration des sols de lits de ravines érodées sur le long terme. Nous avons fait l’hypothèse que les traits végétaux des plantes à l’échelle de communautés constituent un point d’entrée pertinent pour étudier ces interactions. Dans la première partie, nous avons utilisé les traits comme un outil de compréhension de l’effet mécanique des plantes sur les dynamiques géomorphologiques des lits de ravines en cours de restauration. Nous avons notamment montré que les traits permettent d’expliquer la capacité de communautés végétales implantées à favoriser la formation d’amas sédimentaires dans le lit des ravines durant la première décennie post-travaux. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à l’évolution potentielle sur le long terme (centaine d’années) des propriétés de ces amas, constituant des sols en devenir. Nous avons montré que la diversité ainsi que les valeurs dominantes des traits végétaux influencent les propriétés de ces sols, notamment la stabilité des agrégats et la fertilité des sols. En plus d’être un outil de compréhension, nous montrons que cette utilisation des traits constitue un outil pour guider les actions de restauration de badlands via l’implantation d’ouvrages de génie écologique, en apportant des éléments sur le devenir géomorphologique et écologique post-travaux des systèmes sol-plante de lits de ravines.In the French Southern Alps, severe erosion in marly badlands shows negative consequencesfor human populations, who worked to restore these terrains since the XIXth century. For adecade, an ecological engineering strategy is developed and focuses on gully beds, cornerstonesof their restoration. The operational question at the root of this PhD project is to identify towhat extent ecological engineering structures implanted in marly gully beds can foster theirlong-term ecological restoration. The scientific objective related to this question is to betterunderstand how plant communities interact in the long-term with the restoration of soils ingully beds. We hypothesized that plant traits at the community scale is a relevant entry point tostudy these interactions. In the first part, we used traits as a tool to study the mechanical effectof plants on geomorphological dynamics in gully beds under restoration. In particular, weshowed that traits enable us to explain the capacity of plant communities to favor theaccumulation of sediment mounds in gully beds during the first decade after ecologicalengineering works. In the second part, we concentrated on the potential long-term (century)evolution of the properties of these sediment mounds, in the process of becoming real soils. Weshowed that both trait diversity and dominant values of traits interacted with the properties ofthese soils, such as soil aggregate stability and soil fertility. With a strong multidisciplinaryapproach, this work provides results and insights on the interactions between plant traits andecosystem functioning in the specific case of highly eroded semi-natural ecosystems. It alsocontribute to set tools to restore badlands via ecological engineering works, by providinginformation about the long-term geomorphological and ecological evolution of soil-plantsystems in restored gully beds

Des racines qui fixent les sols

absen

Chapitre 41. Évolution des propriétés des sols de lits de ravines marneuses au cours de leur restauration écologique (Draix, France)

L’importance du transfert sédimentaire fin de l’amont vers l’aval du bassin de la Durance est aujourd’hui essentiellement due à la présence de ravines érodées. Le colmatage des retenues hydro-électriques et d’autres conséquences négatives de ce transfert stimulent et justifient la restauration de ces terrains ravinés. Une stratégie d’ingénierie écologique, développée par l’Irstea, consiste à mettre en place des barrières végétales dans le lit des ravines pour favoriser la sédimentation, puis à terme, le développement d’un système sol-plante stable et fertile. Une expérience grandeur nature, menée depuis l’an 2000 dans les Alpes du Sud, a permis de montrer que des barrières de saules implantées en amont de seuils en bois retiennent efficacement les sédiments. Par ailleurs, les atterrissements sédimentaires ainsi formés en amont des barrières sont des zones privilégiées de colonisation végétale. Afin de prédire l’évolution possible sur le long terme du système sol-plante dans ces lits de ravines, un gradient de végétation se développant spontanément dans des lits de ravines a été étudié. Ceci a permis de montrer que, dans le cas où l’activité érosive des ravines ne perturbe pas significativement la dynamique végétale spontanée via des crues trop intenses ou trop régulières, celle-ci est caractérisée par une diversification des strates végétales et favorise la stabilité des agrégats, ainsi que la fertilité du sol. Cette stratégie d’ingénierie écologique semble donc pouvoir faire basculer l’écosystème d’un cycle de dégradation vers un cycle de restauration.In the Durance catchment, gullies activity is responsible for the majority of fine sediment transfer, causing downstream negative consequences. Silting of hydroelectric dams is one of these consequences which lead to the development of various strategies for gullies restoration. An ecological engineering approach, developed by Irstea, consists in using vegetative barriers in gully beds to first promote sediment retention, and then to establish a real soil-plant system, with suitable soil stability and fertility in gully beds to sustain plant biomass production. A real-size experiment, launched ten years ago, showed that Salix cuttings barriers are efficient to retain sediment. In addition, phytogenic mounds, formed upslope plant barriers, are suitable areas for plant colonization. So as to assess the evolution of these gully beds in the next century, a vegetative gradient, meant to reproduce the vegetative succession which may occur in the future, has been studied. It unveiled that in the case of such a dynamics, vegetative cover becomes pluri-stratified and influences soil properties, with a significant increase in aggregate stability and soil fertility along the gradient. This ecological engineering approach thus seems to enable the shift of this ecosystem from a degradation cycle toward a restoration cycle

Dissecting fine root diameter distribution at the community level captures root morphological diversity

International audienceCharacterizing plant functional diversity is essential to decipher community assembly rules and ecosystem functioning. Most studies focused on above-ground traits whereas the analysis of root diversity lags far behind. We analyzed the structure of fine root (< 2 mm) diameter distribution at the community level as an indicator of root morphological diversity, and hypothesized that the shape of the distribution provide insights on root types and root exploration strategies. We tested this hypothesis along a successional gradient (6–69 year-old) with yearly mowing to better understand assembly rules regarding to belowground processes, and explored the relations between the parameters describing its modes and the vegetation composition and ecological properties of plant communities. Most communities showed a multimodal distribution, with two main modes corresponding to absorptive roots (thinner root mode) and transport roots (coarser root mode), and a third mode of lower importance corresponding to large transport roots. In early succession, the thinnest root mode was prominent, reflecting the dominance of thin absorptive roots and a low proportion of transport roots, resulting in a low root morphological diversity. As succession proceeds, the relative proportion of the second mode increased, and the proportions of the two main modes were more balanced, resulting in an increased variance and root morphological diversity. Furthermore, the first root mode (absorptive roots) became wider and shifted from very thin to thicker roots, suggesting the coexistence of various root strategies for resource exploration. Yearly mowing did not affect root diameter distribution, which may relate to the relative low mowing pressure that enabled woody species to remain, with stunted stature. Overall, our study demonstrates that the distribution of fine root diameters sheds light on root morphological diversity at the community level, and provide hints on the co-existence of root types and strategies for resource use and exploration

The physical structure of soil: Determinant and consequence of trophic interactions

Trophic interactions play a vital role in soil functioning and are increasingly considered as important drivers of the soil microbiome and biogeochemical cycles. In the last decade, novel tools to decipher the structure of soil food webs have provided unprecedent advance in describing complex trophic interactions. Yet, the major challenge remains to understand the drivers of the trophic interactions. Evidence suggests that small scale soil physical structure may offer a unifying framework for understanding the nature and patterns of trophic interactions in soils. Here, we review the current knowledge of how restrictions on soil organisms’ ability to sense and access food resources/prey inherent to soil physical structure essentially shape trophic interactions. We focus primarily on organisms unable to deform the soil and create pores themselves, such as bacteria, fungi, protists, nematodes and microarthropods, and consider pore geometry, connectivity and hydration status as main descriptors of the soil physical structure. We point that the soil physical structure appears to mostly limit the sensing and accessibility to food resources/prey, with negative effects on bottom up controls. The main mechanisms are (i) the reduced transport of sensing molecules, notably volatiles, through the soil matrix and (ii) the wide presence of refuges leading to pore size segregation of consumer/predators and food sources/prey in pores of contrasting size. In addition, variations in the connectivity of the soil pores and the water film is suggested as a central aspect driving encounter probability between consumers/predator and food source/prey and hence locally decrease or increase top-down controls. Constraints imposed by the soil physical structure on trophic interactions are thought to be major drivers of the soil diversity and local community assemblage, notably by favoring a variety of adaptations to feed in this dark labyrinth (food specialists/flexible/generalists) and by limiting competitive exclusion through limited encounter probability of consumers. We conclude with possible future ways for an interdisciplinary and more quantitative research merging soil physics and soil food web ecology.ISSN:0038-0717ISSN:1879-342

Advances in root ecology

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