Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’évaluation de la santé des écosystèmes forestiers nécessite la mise en place de stratégies de surveillance au sol applicables sur le long terme et selon un continuum d’échelles spatiales. Entre les réseaux de placettes permanentes élaborés de façon empirique à l'échelle européenne et les protocoles d’observation à portée très locale, peu de stratégies d’échantillonnage des dommages forestiers ont été validés à l'échelle du paysage (de quelques centaines à plusieurs milliers d’hectares), qui est pourtant celle de l'aménagement forestier. Pour optimiser les performances de l’échantillonnage des dommages forestiers trois critères ont été envisagés : les caractéristiques du paysage, la variabilité des estimations à différentes échelles spatiales et le coût des observations et des déplacements. Pour cela, deux paysages de forêt cultivée de pin maritime ont été suivi de façon intensive. L’usage de statistiques non-paramétriques (bootstrap, simulations géostatistiques) et des statistiques spatiales a été privilégié pour optimiser la répartition de l’effort d’observation au sein de plans d’échantillonnage emboîtés. Dans un premier temps, l’optimisation des réseaux systématiques d’observations actuels (Réseau Européen – ICP Forest level I, Inventaire Forestier National) à été envisagé dans le cadre d’une stratégie de suivi simultané de l’ensemble des dommages forestiers (biotiques ou abiotiques). Puis, des stratégies d’échantillonnage spécifiques ont été envisagées pour deux insectes ravageurs (la chenille processionnaire du pin Thaumetopoea pityocampa et le scolyte Ips sexdentatus) afin de prendre en compte de façon explicite la distribution spatiale de leurs dommages dans l’échantillonnage. Les résultats montrent qu’il est envisageable d’assoir un protocole d’inventaire des dommages forestiers sur les réseaux d’observations existant à l’échelle nationale à condition de porter la densité d’échantillonnage à environ 1 placette pour 700 ha. La configuration optimale des placettes réside alors dans l’observation de 25 arbres, sélectionnés sans discrimination de statut social et intégrant pour partie les arbres en lisières de peuplement (20%). Seules les populations de T. pityocampa ont montré une structure spatiale sur plusieurs dizaines de kilomètres. Un plan d’échantillonnage systématique, d’une maille carrée comprise entre 2 km et 3km, semble un bon compromis pour l’estimation et la cartographie des densités de population de cette chenille défoliatrice. En revanche, les réseaux systématiques d’observations s'avèrent inadaptés pour l’évaluation de dégâts de très faible intensité et/ou agrégés dans l’espace comme ceux des scolytes. Ainsi l’étude rétrospective de dégâts post-tempête 1999 de I. sexdentatus a montré l'intérêt d’une stratégie d’échantillonnage par cheminement adaptatif le long des pistes forestières. L’utilisation des lisières forestières en tant qu’«arbres sentinelles» apparaît prometteuse et ses applications pratiques sont proposées pour la surveillance sanitaire à l’échelle du paysage. / Forest ecosystem health assessment relies on long-term and multiple scales sampling strategies. Neither European networks of permanent plots developed empirically, nor local observation protocols can produce reliable estimates of forest damages over areas ranging from a few hundred to several thousands of hectares. Little attention has been paid to the development of robust sampling designs at the landscape scale, which is however the operational one for forest management. Three criteria were considered to optimize the performance of forest damage sampling: landscape features, variability estimates at different spatial scales and logistics costs of observations. Intensive monitoring was performed on two landscapes of maritime pine plantation forests. Nonparametric statistics (bootstrap, geostatistical simulations) and spatial statistics were used to optimize allocation of sampling effort within nested sampling designs. Firstly, the monitoring of all types of forest damage (biotic or abiotic) was investigated through the optimization of sampling schemes currently applied at the national scale (European Network - ICP forest level I and National Forest Inventory). Then, specific sampling strategies were developed for two insect pests (the defoliator Thaumetopoea pityocampa and the bark beetle Ips sexdentatus), taking into account the spatial distribution of their damage. Increasing the sampling density of national plot networks up to 1/700 ha would be necessary for forest damage survey at the landscape scale. The optimal configuration of inventory plots lies in the observation of about 25 trees, selected without discrimination of social status and partly integrating trees at stand edges (20%). At a large scale, only populations of T. pityocampa showed a spatial structure over several kilometers. A systematic sampling plan, with a square grid between 2 km and 3 km, seems to be a good compromise for estimation and mapping of its nest density. However, systematic plot networks are inadequate for assessing rare and spatially clustered phenomenon such as damage caused by bark beetles damages. A retrospective post-storm 1999 survey of I.sexdentatus damages emphasizes the effectiveness of an adaptive roadside sampling method to monitor this type of damage. The use of forest edges as "sentinel trees" seems promising and its practical applications are proposed for forest health monitoring at the landscape scale.

La phénologie du débourrement est un caractère adaptatif majeur, sensible aux variations de température. Prédire l'évolution des forêts naturelles tempérées sous l'influence de changements environnementaux nécessite de pouvoir expliquer l'origine des patrons de différentiation clinaux observés pour ce caractère à l'échelle de paysages. Il a été démontré expérimentalement que le débourrement végétatif se produisait en même temps que la floraison. Cela suggère que les croisements se font préférentiellement entre arbres présentant des phénologies du débourrement similaires ; c'est ce que l'on appelle l'homogamie. Alors que la plupart des interprétations de clines de différenciation génétique soulignent l'influence de la sélection divergente, les spécificités de la phénologie du débourrement et ses conséquences sur le système de reproduction sont rarement considérées. A travers une approche par modélisation nous montrons ici dans un premier temps que la seule interaction entre homogamie et flux de pollen peut générer une différentiation génétique clinale à l'échelle d'un paysage sans aucune pression de sélection. Dans un tel contexte théorique, le filtragedes flux de pollen réalisé par l'homogamie en présence d'un gradient environnemental différencie progressivement et durablement les populations. Dans un second temps, nous montrons que l'homogamie amplifie la réponse adaptative des populations à la sélection co-gradient alors qu'il la contraint dans le cas de sélection contre-gradient. Nous montrons par ailleurs que l'homogamie peut induire une différentiation clinale en cas de sélection uniforme. / Timing of bud burst (TBB) is a key adaptive trait affected by temperature variations. Predicting the evolution of natural forests undergoing environmental variations requires to understand the evolutionary dynamics that have resulted in the strong patterns of differentiation characterized for this trait. It has been shown experimentally that the TBB was strongly correlated with the timing off lowering. This suggests that trees having similar TBB tend to mate preferentially, making assortative mating at TBB the default reproduction regime within tree species. Clinal patterns of genetic differentiation have been mostly interpreted as resulting from divergent selection, however, few studies have considered the peculiar features of timing of bud burst. Through a modelling approach based on quantitative genetics models, we first demonstrate here that the sole interaction between assortative mating at TBB and pollen flow can induce a clinal differentiation among populations without any selection pressure. In a such theoretical context, assortative mating filters pollen flow in presence of environmental gradients and progressively shifts the genetic values of populations. Then, we demonstrate that assortative mating amplifies the adaptive response of populations to co-gradient selection, and constrains it in the case of countergradient selection. Finally, we show that assortative mating differentiates populations even in the case of uniform selection.

Le développement des nouvelles technologies permet la visualisation interactive de mondes virtuels de plus en plus vastes et complexes. La production de paysages plausibles au sein de ces mondes devient un défi majeur, en raison de l'importance des éléments de terrain et des écosystèmes dans la qualité et le réalisme du résultat. S'y rajoute la difficulté d'éditer de tels éléments sur des échelles spatiales et temporelles aussi vastes que peuvent l'être celles des chaînes de montagnes. Cette édition se fait souvent en couplant des méthodes manuelles et de longues simulations numériques dont le calibrage est complexifié par le nombre des paramètres et leur caractère peu intuitif.Cette thèse propose d'explorer de nouvelles méthodes de simulation de paysages à grande échelle, avec pour objectif d'améliorer le contrôle et le réalisme des scènes obtenues. Notre stratégie est de fonder nos méthodes sur des lois éprouvées dans différents domaines scientifiques, ce qui permet de renforcer la plausibilité des résultats, tout en construisant des outils de résolution efficaces et des leviers de contrôles intuitifs.En observant des phénomènes liés aux zones de compression de la croûte terrestre, nous proposons une méthode de contrôle intuitif de la surrection à l'aide d'une métaphore de sculpture des plaques tectoniques. Combinée avec de nouvelles méthodes efficaces d'érosion fluviale et glaciaire, celle-ci permet de sculpter rapidement de vastes chaînes de montagnes. Pour visualiser les paysages obtenus à échelle humaine, nous démontrons le besoin de combiner la simulation de phénomènes variés et de temporalités différentes, et nous proposons une méthode de simulation stochastique pour résoudre cette difficile cohabitation, que nous appliquons à la simulation de processus géologiques tels que l'érosion, jointe à la formation d'écosystèmes. Cette méthode est déclinée sur GPU et appliquée à la formation du manteau neigeux, en combinant des aspects au long cours (précipitations, changements d'état de l'eau) et des aspects dynamiques (avalanches, impact des skieurs).Les différentes méthodes proposées permettent de simuler l'évolution de paysages à grande échelle, tout en accordant une attention particulière au contrôle. Ces aspects sont validés par des études utilisateur et des comparaisons avec des données issues de paysages réels. / The development of new technologies allows the interactive visualization of virtual worlds showing an increasing amount of details and spacial extent. The production of plausible landscapes within these worlds becomes a major challenge, not only because the important part that terrain features and ecosystems play in the quality and realism of 3D sceneries, but also from the editing complexity of large landforms at mountain range scales. Interactive authoring is often achieved by coupling editing techniques with computationally and time demanding numerical simulation, whose calibration is harder as the number of non-intuitive parameters increases.This thesis explores new methods for the simulation of large-scale landscapes. Our goal is to improve both the control and the realism of the synthetic scenes. Our strategy to increase the plausibility consist on building our methods on physically and geomorphologically-inspired laws: we develop new solving schemes, which, combined with intuitive control tools, improve user experience.By observing phenomena triggered by compression areas within the Earth's crust, we propose a method for the intuitive control of the uplift based on a metaphor on the sculpting of the tectonic plates. Combined with new efficient methods for fluvial and glacial erosion, this allows for the fast sculpting of large mountain ranges. In order to visualize the resulting landscapes withing human sight, we demonstrate the need of combining the simulation of various phenomena with different time spans, and we propose a stochastic simulation technique to solve this complex cohabitation. This methodology is applied to the simulation of geological processes such as erosion interleaved with ecosystems formation. This method is then implemented on the GPU, combining long term effects (snow fall, phase changes of water) with highly dynamics ones (avalanches, skiers impact).Our methods allow the simulation of the evolution of large scale, visually plausible landscapes, while accounting for user control. These results were validated by user studies as well as comparisons with data obtained from real landscapes.

Dans les territoires de montagne en Europe, les paysages évoluent sous l’effet d’une double dynamique : l’augmentation du couvert forestier et l’intensification des paysages agricoles. A partir d’un cas d’étude, le Mont Lozère, nous montrons comment ces deux dynamiques peuvent rentrer en tension, en explorant la question des choix sociaux liés aux dynamiques paysagères. Nous développons dans cette thèse un cadre conceptuel original, qui associe le concept de service écosystémique avec celui de l’état de référence, que nous avons mis en oeuvre par une démarche compréhensive et un dispositif de recherche-action. A travers l’étude des représentations, nous avons mis à jour un glissement de l’état de référence au sein des paysages agricoles, perçu différemment par les acteurs. Nous avons ensuite révélé les mécanismes sous-jacents aux choix liés aux dynamiques des paysages agricoles, ce qui nous a permis d’identifier un besoin de concertation autour de l’état de référence. Nous y avons répondu par une proposition concrète à travers un jeu de rôles, destiné à mettre les acteurs en situation d’apprentissages et à les accompagner vers des choix plus concertés. Notre contribution porte à la fois sur la question de la conciliation de différents objectifs dans les aires protégées, le rôle de l’état de référence dans la gouvernance des paysages et la plus-value scientifique et opérationnelle du concept de service écosystémique.

Les estuaires sont constitués d'une vaste mosaïque d'habitats naturels et semi-naturels. L'objectif de cette thèse est d'étudier les végétations et les paysages végétaux des systèmes estuariens atlantique en France, en essayant de comprendre le fonctionnement et les schémas de distribution des différentes unités de végétation. La présente étude tente de mettre au point un modèle théorique commun de fonctionnement et de gradients écologiques, afin de compléter la classification et la connaissance écologique des estuaires, et une aide au suivi et à l’évaluation de l’utilisation des sols, des impacts humains, en développant un modèle spatio-temporel prédictif fondé sur la végétation réelle et potentielle, et en utilisant l'approche dynamico-caténale. Dans 8 estuaires sélectionnés, nous avons effectué des travaux sur le terrain pour une superficie totale de 98 318 ha, mettant en évidence 2 séries de végétation et 4 géopermaséries, correspondant à 131 associations végétales, 60 alliances, 43 ordres et 28 classes. Nous avons cartographié la végétation de trois estuaires représentatifs, ce qui représente une superficie totale de 74 433 ha. Un schéma synthétique des paysages végétaux estuariens est proposé, en intégrant les gradients géographiques et écologiques et les formes géomorphologiques. / Estuaries generally include a wide mosaic of natural and semi-natural habitats. The objective of this thesis is to study the vegetation and Plant Landscape of French Atlantic estuarine Systems, trying to understand the functioning and the plant distribution patterns. The present study tries to carry out a theoretical common model of functioning and ecological gradients, in order to make a basis to improve their classification and ecological studies, and to Help the monitoring and assessment of land uses, land forms transformation and human impacts : developping a spatio-temporal predictive model based on actual and potential vegetation, using the dynamico-catenal approach.The study area corresponds to the Atlantic French estuaries. In 8 selected estuaries, we undertook fieldworks for a total of 98315 ha, highlighting 2 vegetation series and 4 geopermaseries, corresponding to 131 plant associations, 60 alliances, 43 ordos and 28 classes. We mapped the vegetation of three representative estuaries for a total of 74433 ha. A synthetic scheme of estuary vegetation landscape is proposed, integrating geographical and ecological gradients as well as geomorphologic forms.

En plus des facteurs environnementaux et démographiques, les propriétés génétiques des populations sont devenues une préoccupation majeure pour préserver les populations en déclin de l'extinction. Afin d’acquérir des informations pertinentes pour la planification et la mise en œuvre des stratégies de conservation, les biologistes de la conservation ont réalisé le besoin d’avoir des connaissances en génétique des populations. Grace à l'acquisition de plus en plus rapide et de moins en moins chère d'une large gamme de marqueurs moléculaires, le recours a l’usage de l’outil moléculaire se répand de plus en plus. Ainsi, la génétique de la conservation se confirme comme une discipline à part entière qui est donc l’utilisation de la génétique dans la préservation des espèces comme entités dynamiques capables d'évoluer pour faire face aux changements environnementaux et afin de minimiser leur risque d'extinction. Par le biais de l’utilisation d’un large panel de marqueurs moléculaires (gènes mitochondriaux et nucléaires, microsatellites et SNPs), nous nous sommes intéresse à l’histoire évolutive à différentes échelles spatio-temporelles de la sous-espèce ouest méditerranéenne Testudo. hermanni hermanni (THH), qui présente une distribution insulaire et continentale très fragmentée. Le but de ce travail consiste à 1) comprendre les processus qui expliqueraient la distribution actuelle de la diversité génétique des populations et leur structure, 2) identifier l'origine des populations introduites (à Minorque et au Delta de l’Ebre), et 3) dater l’origine de la sous espèce THH. A l’échelle des populations, il s’agit d’identifier le nombre de groupes génétiques homogènes chez la tortue d’Hermann et le degré de différentiation génétique entre ces groupes afin de définir des unités de conservation évolutivement significatives (ESU) et des unités de gestion (MU). Enfin, nous nous sommes intéresses à l’étude des derniers noyaux de populations de THH dans le Var par des approches de génétique du paysage. Nos résultats ont révélé qu’une divergence par vicariance est à l’ origine de l’apparition de la sous-espèce T.h. hermanni. Ce scenario biogéographique s’expliquerait par les successions d’évènements glaciaires et interglaciaires qu’a connu le Pléistocène depuis plus de 2 MA provoquant un mouvement de retrait de l’espèce vers des zones refuges sur la frange côtière nord-méditerranéenne. Par ailleurs, le patron de différentiation mitochondriale Ile-continent observe et confirme par les microsatellites est très original par rapport à ce qui est connu chez d’autres espèces de reptiles partageant la même aire de distribution. Au vue de l’analyse phylogénétique confirmée par les microsatellites, on peut affirmer que la tortue d’Hermann n’est pas native sur Minorque et qu’elle a une double origine : la première, résultant d’une introduction à partir d’une seule source, probablement d’une population continentale génétiquement proche des Albères. La seconde d'origine insulaire, serait le résultat d’apports multiples, à partir de la Corse, de la Sardaigne ou de la Sicile. Enfin, l’isolement des populations de THH au sein de chaque région géographique reflète une structure génétique très forte. Par conséquent, six unités de gestion (MUs) sont proposées comme unités de conservation et de suivi sur le terrain. / In addition to environmental and demographic factors, the study of genetic properties of populations became inevitable issues in the conservation of declining populations. To acquire relevant information for conservation planning and implementing conservation strategies, conservationists have realized the need of population genetics tools. Moreover, this discipline has become more efficient with the development of a wide range of effective and relatively cheap methods for the characterization of a huge number of molecular markers. This led to define the conservation genetics as a separate discipline, which is the use of genetics in species preservation as dynamic entities evolving to cope with environmental changes and to minimize their extinction risk. Using a broad panel of molecular markers (mitochondrial and nuclear genes, microsatellites and SNPs), we interested in the evolutionary history at different spatial and temporal scales of the Mediterranean western subspecies Testudo hermanni hermanni (THH), which presents a very fragmented insular and continental distribution. The aim of this study is to 1) understand the processes that explain the current distribution of the structure and genetic diversity of populations, 2) identify the origin of introduced populations (Menorca and Ebro Delta) and 3) Dating the origin of the subspecies THH. At the population level, our study aimed to identify the number of homogeneous genetic groups of THH tortoise and the degree of genetic differentiation between these groups in order to identify evolutionarily significant units (ESU) and management units (MU). Finally, we were interested in the study of the last core populations of THH in the Var by landscape genetics approach. Our results revealed that a divergence by vicariance pattern explains the origin of the appearance of the subspecies THH. This biogeographic scenario is explained by the succession of glacial and interglacial events of the Pleistocene causing a withdrawal of the species toward refugia on the northern Mediterranean fringe. Moreover, the observed differentiation pattern (island vs continent) is very original compared to the reported diversity patterns of other reptiles sharing the same distribution range. According to our results, we may conclude that the Hermann’s tortoise is not native in Menorca and has a double origin: the first, is an introduction resulting from a unique source, probably from a continental lineage genetically close to Albera. The second, from an island origin, is the result of multiple contributions, from Corsica, Sardinia or Sicily. Lastly,the isolation of THH populations within each geographic region reflects a very strong genetic structure, therefor the six most relevant management units forconservation purposes are proposed on the basis that they represent a significant part of the evolutionary legacy of the species.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.