Coupling groundwater modeling with biology to identify strategic water resources

International audiencePurpose and scope / Quantify interactions between the rivers and their floodplain through groundwater a relevant issue for the water resources management in the long term and for the preservation of biodiversit

Coupling groundwater modeling and biological indicators for identifying river/aquifer exchanges.

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17. Le développement durable et les zones humides : une équation difficile

Caractéristiques fonctionnelles Les zones humides sont des terrains, exploités ou non, habituellement inondés ou gorgés d’eau douce, salée ou saumâtre, de façon permanente ou temporaire. La végétation, quand elle existe, y est dominée par des plantes hygrophiles*, pendant au moins une partie de l’année (article L.211-1 du code de l’environnement). Les zones humides, selon cette définition, sont donc essentiellement identifiées géographiquement par la présence d’eau, et d’espèces affectionnant..

Comment les traits clonaux varient ils le long de gradients environnementaux ? (étude de cas en milieu Alpin et sur une communauté restaurée des bords du Rhône)

La clonalité correspond à la reproduction asexuée (ou végétative), et se définit comme une reproduction sans cellule sexuelle. Il s agit d une forme particulière de croissance qui est virtuellement infinie. La reproduction végétative procède par duplication de modules. Dans ma thèse j'ai mesuré les patrons de multiplication végétative des plantes herbacées distribuées le long de différents gradients environnementaux. J'ai fait cette étude à plusieurs échelles, depuis l'échelle de la métacommunauté (ensemble de communautés reliées par la dissémination) jusqu'à celle de la population. Le terme de réponse clonale englobe différents traits de multiplication végétative, comme la longueur des rhizomes, la taille de la banque de bourgeons, la durée de connexion entre les ramets ou les modalités de stockage de la plante. Les gradients environnementaux étudiés correspondent à des gradients de stress (ressource, climat) et de perturbation (éboulis). J'ai tout d'abord, à partir d'éléments de la littérature construit un modèle conceptuel qui permet de prédire la réponse des traits clonaux le long de gradients de niveaux de stress et de régime de perturbations. Le milieu alpin sied particulièrement bien à ce type d'études car la clonalité y est très répandue et les régimes de perturbation (gel, éboulements, pistes de ski) et de stress (températures, durée de végétation) y sont de forte intensité. J'ai par conséquent testé ce modèle sur deux milieux alpins, sur l ensemble du massif de la Vanoise d une part, et sur un versant présentant des faciès contrastés d autre part. Dans une deuxième étude, j ai abordé ces questions sur les communautés herbacées des berges restaurées du Rhône canalisé. Ce site présente l'avantage de disposer d'une part d'un historique complet de la végétation, et d'autre part de permettre une extraction aisée et complète des rhizomes de par la texture grossière du substrat. J'ai ainsi testé la validité du modèle conceptuel reliant les traits clonaux et les niveaux de stress et de perturbations à différentes échelles spatiales. Il ressort de cette étude que certaines réponses apparaissent robustes à plusieurs échelles (longueur des entrenœuds, capacité de multiplication végétative), alors que d'autres semblent plus contextuelles. On peut par ailleurs noter que la présence de traits clonaux semble ne pas toujours s'expliquer par une meilleure adaptation aux conditions de milieu. L'histoire phylogénique, ou la corrélation avec d'autres traits biologiques pourraient également expliquer la présence de certains traits clonauxClonality is the vegetative reproduction of organisms by means of production of new individuals. It proceeds by duplication of modules (ie morphological units) and therefore involves nor sexual cells neither fecundation. This particular reproduction mode is virtually infinite in space and time and is largely used by plant species especially in mountain habitats. This work aimed to study the clonal response of herbaceous plants along different environmental gradients in (sub)alpine ecosystems. This was performed at different scales : from meta-community (a set of community linked by dispersal) to population. The clonal response can be understood as the variation of plant clonal traits (eg spacers length, size of the bud bank, duration of the connection between ramets or modalities of plant s storage) in response to environmental changes. Two kinds of gradients were distinguished to evaluate the clonal response of plants as they have a major impact on plant community structure in upland habitats : a stress gradient (resource, climate) and a disturbance gradient (scree frequency, bare soil). First of all, a literature review led to a conceptual framework that predicted clonal response along gradients of stress and disturbance in a general way. Then, predictions emerged of this review were tested on two different herbaceous ecosystems : first on alpine plant communities by using a set of floristic composition data in the Massif de la Vanoise where a large set of stress and disturbance conditions were encountered ; secondly on a restored grassland on Rhône riverbanks where vegetation dynamics was largely documented and measurements of clonal traits easy to conduct. The results showed that some predicted clonal reponses were robust at all scales for some clonal traits such as length of internodes or vegetative growth capacity but other clonal traits seemed more contextual. It can be concluded that the observed importance of some clonal traits is not fully explained by a better adaptation to environmental factors, but phylogeny or correlation with other biological traits may also explain the presence of some clonal traitsLYON1-BU.Sciences (692662101) / SudocSudocFranceF

Influence de la nature et de la fréquence des perturbations sur les banques de diaspores dans les communautés végétales aquatiques

L'objectif de ce travail a été d'évaluer l'effet de la nature et de la fréquence des perturbations sur les stratégies de régénération des végétaux aquatiques, et sur leur degré d'implication probable dans le maintien des communautés végétales dans les zones humides fluviales. La quantification de la banque de diaspores et de la végétion établie a été réalisée 1) dans des bras morts soumis à des perturbations de nature différente (crue décapantes ou exondations, 2) dans une zone humide soumise à une perturbation nouvelle (restauration) et 3) dans des zones humides réparties sur un gradient de connectivité avec le cours actif. Ces expériences ont permis d'aboutir aux conclusions suivantes : - Les stratégies de régénération mises en oeuvre par des végétaux aquatiques sont dépendantes de la nature de la perturbation (crue vs. exondation). -La superposition de deux régimes de perturbation sélectionne d des traits différents de ceux favorisés par l'une ou l'autre des perturbations. - Une perturbation nouvelle pour l'écosystème (restauration de conditions aquatiques permanentes par dragage ses sédiments) entraîne une augmentation de la densité de diaspores dans la banque, mais la génération de la communauté repose principalement sur des rhizomes et des fragments végétatifs. Les zones humides les moins fréquemment connectées au cours actif sont caractérisées par la présence d'une banque persistante d'origine endogène. La plus forte densité de la banque et la plus forte liaison entre la banque et la végétation établie sont rencontrées dans les zones humides à niveau de connectivité intermédiaire. Les zones humides les plus connectées sont caractérisées par une banque de diaspores participant peu à la végétation établie, et donc vraisemblablement d'origine exogène (dérive). Une forte connectivité en milieu péri-fluvial est souvent associée à un régime de perturbations. Connectivité et perturbations contrôlent conjointement la composition de la banque de diaspores et ses relations avec la végétation établie.LYON1-BU.Sciences (692662101) / SudocPARIS-Museum Hist.Naturelle (751052304) / SudocSudocFranceF

Being evergreen in an aquatic habitat with attenuated seasonal contrasts– a major competitive advantage?

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Being evergreen in an habitat with atenuated seasonal contrasts – a major competitive advantage ?

This study experimentally compares growth of four aquatic macrophytes species (Sparganium emersum Rehm., Hippuris vulgaris L., Groenlandia densa (L.) Fourr., Luronium natans (L.) Raf.) with different modes of winter persistence in a thermally buffered habitat. The question is whether the above-ground persistence of photosynthetic structures during winter can compensate for low growth rates of evergreens when they compete with fast growing, non-evergreen species. The experiment was carried out in experimental boxes installed in a former river channel fed by stenothermic ground-water. Species were planted pairwise in experimental boxes in autumn, monitoring was carried out in the following year: degree of evergreenness was evaluated through number of ramets present prior to the main growing season, competitive ability of species was assessed during the growing season through cover measurements at three dates. Degree of evergreenness varied considerably between species, ranging from increase of ramet numbers during winter in Luronium over preservation of ramet numbers in Groenlandia and Hippuris to nearly complete winter die-back in Sparganium. Luronium presented the highest cover during the entire growing season. Only by the end of summer did Sparganium attain a similar cover through a high growth rate. Despite large differences in cover, growth appeared largely unaffected by the kind of treatment partner a species was confronted with. Nevertheless, this study demonstrates that being evergreen can compensate for a low growth rate during the main growing season when it is associated to extensive growth outside this main growing season. Mots clef: aquatic macrophytes; competition; phenology; plant strategies; seasonal cycle

Adaptations to increasing hydraulic stress: morphology, hydrodynamics and fitness of two higher aquatic plant species.

10 pagesSessile organisms often exhibit morphological changes in response to permanent exposure to mechanical stimulation (wind or water movements). The adaptive value of these morphological changes (hydrodynamic performance and consequences on fitness) has not been studied extensively, particularly for higher plants submitted to flow stress. The aim was to determine the adaptive value of morphological patterns observed within two higher aquatic plant species, Berula erecta and Mentha aquatica, growing along a natural flow stress gradient. The hydrodynamic ability of each ramet was investigated through quantitative variables (drag coefficient and E-value). Fitness-related traits based on vegetative growth and clonal multiplication were assessed for each individual. For both species, the drag coefficient and the E-value were explained only to a limited extent by the morphological traits used. B. erecta exhibited a reduction in size and low overall plant drag at higher flow velocities, despite high drag values relative to leaf area, due to a low flexibility. The plants maintained their fitness, at least in part, through biomass reallocation: one tall ramet at low velocity, but shorter individuals with many interconnected stolons when flow velocity increased. For M. aquatica, morphological differences along the velocity gradient did not lead to greater hydrodynamic performance. Plant size increased with increasing velocities, suggesting the indirect effects of current favouring growth in high velocities. The fitness-related traits did not demonstrate lower plant fitness for high velocities. Different developmental constraints linked to plant morphology and trade-offs between major plant functions probably lead to different plant responses to flow stress

Aquatic plant diversity in riverine wetlands: the role of connectivity

International audience1. The hypothesis was tested that intermediate connectivity to a river results in propagule inputs to wetlands, whereas excessive connectivity impedes recruitment, and insufficient connectivity causes less competitive species to be eliminated, with no recruitment of new species. As a consequence, very low or very high nutrient levels should decrease species richness by selecting specialized species, whereas intermediate nutrient levels should favour the co-occurrence of species with contrasting nutrient requirements.2. Among cut-off channels with high sinuosity and which are infrequently flooded by the river (low flood scouring), one example possesses high species richness because most species are saved from extinction by long-term isolation of the channel and cold groundwater supplies. Other channels are poorly supplied with groundwater and show a lower richness of species, because of low propagule inputs and low recruitment potential.3. Cut-off channels with low sinuosity and which are flooded at intermediate frequencies were divided into three groups. The first group was species-poor, being closely connected to the river through downstream backflows which maintain nutrient-rich and turbid waters, in keeping with the hypothesis. The second group presents intermediate richness caused by: (i) lower river backflows; and (ii) floods that partly scour substrate and plants, and afford regeneration niches for transported propagules. The third group was species-poor because of excessive groundwater supplies, which probably acted as a limiting factor for species growth and recruitment.4. The most frequently flooded channel shows the highest species richness, and occurrence of rare and fugitive species, because of floods which compensate competition by scouring sediments and plants, and afford regeneration niches for propagules. In this case, conservation of biodiversity necessitates propagule sources at the level of the river landscape