Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Dans les projets de restauration écologique, bien qu'un des buts soit communément de réintroduire des communautés végétales diversifiées, peu d'attention est généralement accordée au rétablissement de la diversité en bryophytes après la restauration. C'est notamment le cas des tourbières à sphaignes restaurées par la méthode de transfert de la couche muscinale (MTCM) après l'extraction mécanique de tourbe pour l'horticulture. Ce sont ces écosystèmes qui sont au cœur de la présente recherche, où les pools d'espèces de bryophytes et de lichens ont d'abord été comparés dans 41 paires de sites donneurs naturels - secteurs de tourbière restaurée. La proportion des espèces muscinales transférées des sites donneurs se rétablissant avec succès après la restauration (taux de transfert) a pu être établie à 69 ± 2 %, ou à en moyenne 13 des 18 espèces de bryophytes réintroduites. Seulement quatre espèces ont été identifiées comme récalcitrantes - présentes dans les sites donneurs, mais absentes des secteurs restaurés : Calypogeia neesiana, C. sphagnicola, Ptilidium ciliare et Sphagnum quinquefarium. La flore muscinale et lichénique des tourbières ayant servi de site donneur est, toutefois, moins diversifiée que celle des tourbières restaurées, où la richesse en bryophytes diminue au fil des années post-restauration. Après l'application de la MTCM, il y a expansion du tapis de sphaignes en régénération et recouvrement des substrats perturbés (e.g. tourbe à nu, soulèvement gélival, paille, litière). Cela entraîne la disparition progressive des bryophytes apparues spontanément - absentes du matériel transféré et souvent des espèces de début de succession, - permettant aux communautés muscinales des tourbières restaurées par MTCM d'évoluer vers celles typiques de leurs équivalents naturels, soit des tourbières de type « bog ouvert ». La méthode de restauration permet ainsi le rétablissement de la diversité de la bryoflore typique des tourbières à sphaignes, les bryophytes identifiées comme récalcitrantes étant surtout associées à des conditions ombragées, lesquelles peuvent ne pas être disponibles entre 6 et 26 ans post-restauration. Considérant que l'écosystème de référence ciblé par la restauration est, après tout, le « bog ouvert », aucune intervention autre que de laisser s'écouler davantage de temps depuis celle-ci n'est suggérée pour favoriser le rétablissement des quatre espèces récalcitrantes. / In ecological restoration projects, although one common goal is to reintroduce diverse plant communities, little attention is generally given to the restoration of bryophyte diversity. This is particularly the case for Sphagnum-dominated peatlands restored using the Moss Layer Transfer Technique (MLTT) after mechanical peat extraction for horticulture. These ecosystems are the focus of the present study, where the species pools of bryophytes and lichens were initially compared between 41 pairs of natural donor sites and restored peatland sectors. The proportion of transferred bryophyte species successfully re-establishing after restoration (transfer rate) was determined to be 69 ± 2% (13 out of 18 reintroduced bryophytes). Only four species were identified as recalcitrant - present in donor sites but absent in restored sectors: Calypogeia neesiana, C. sphagnicola, Ptilidium ciliare, and Sphagnum quinquefarium. However, the bryophyte and lichen flora of the donor peatlands was less diverse than that of the restored peatlands, where bryophyte richness decreased over the post-restoration years. Following MLTT application, there was expansion of regenerating Sphagnum cover and revegetation of disturbed substrates (e.g., bare peat, frost heaving, straw, litter). This led to the progressive disappearance of spontaneously established bryophytes, which are absent from the transferred material and often represent early successional species. As a result, the bryophyte communities of MLTT-restored peatlands evolved towards those typical of their natural counterparts, namely « open bog » type peatlands. The restoration method thus facilitates the recovery of typical bryophyte diversity in Sphagnum-dominated peatlands, as the recalcitrant bryophytes are mostly associated with shaded conditions that may not be available between 6 and 26 years post-restoration. Considering that the targeted reference ecosystem for restoration is ultimately the « open bog », no intervention other than allowing more time to elapse since restoration is suggested to promote the recovery of the four recalcitrant species.

Les bassins de rétention, infrastructures vertes servant à recueillir les eaux de ruissellement, sont de plus en plus utilisés dans la gestion des eaux pluviales le long des grands axes routiers. Or, la colonisation végétale associée à ces structures a été peu étudiée. Dans un contexte de forte diminution des superficies occupées par les milieux humides, la contribution de ces bassins au maintien de la diversité végétale associée aux milieux humides est d'un grand intérêt. L'objectif de l'étude est de comparer la diversité taxonomique et fonctionnelle des communautés végétales établies dans les bassins de rétention à celles d'écosystèmes de référence et d'évaluer l'influence de divers facteurs environnementaux locaux et régionaux sur la composition spécifique de ces communautés. Pour ce faire, 20 bassins de rétention autoroutiers localisés le long de quatre autoroutes du Québec ont été inventoriés et comparés à 40 milieux humides de référence, dont 20 étaient situés près d'une route et 20 autres à plus de 50 mètres d'une route. L'étude révèle que la composition spécifique différait grandement entre les bassins de rétention et les milieux humides de référence. Les bassins de rétention présentaient une richesse spécifique légèrement supérieure aux milieux humides de référence, alors que ces derniers avaient une diversité bêta nettement plus grande. L'inclinaison de la pente des berges ainsi que le pH et la conductivité de l'eau étaient plus élevés dans les bassins de rétention et ceux-ci présentaient une richesse fonctionnelle plus élevée, mais une divergence fonctionnelle plus faible que les milieux humides de référence. Nos résultats suggèrent que les bassins de rétention peuvent contribuer à la diversité végétale des milieux humides, mais leur apport est limité. Il est probable que cette contribution puisse être améliorée en modifiant les approches d'aménagement lors de leur conception. / Stormwater ponds, basins designed to collect surface flow water, are increasingly used for water management along the highways. However, few studies have been conducted on plant colonization in these green infrastructures. In a context where road development can lead to wetlands losses, assessing the ecological value of stormwater ponds is of great interest. This project aims to compare the taxonomic and functional diversity of plant communities established in stormwater ponds with the one found in reference wetlands and evaluate the effect of various local and environmental factors on those communities. Twenty stormwater ponds located along side four highways in the province of Quebec were surveyed and compared to 60 reference wetlands located in the same region, 20 of which along side a pavedroad and 20 others at more than 50 meters of a paved road. Our results show that species composition differed significantly between stormwater ponds and reference wetlands. Specific richness was slightly higher in stormwater ponds, but beta diversity was much higher in reference wetlands. The slope and water pH conductivity were all higher in stormwater ponds. Functional richness was higher in stormwater ponds, while functional divergence was lower. Our results suggest that stormwater ponds somewhat promote wetland plant diversity, but their contribution seems limited. However, modifications in their layout would likely enhance their ecological qualities.

Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec, Canada et Université de Bordeaux Talence, France / Les forêt mélangées sont l'une des principales options de gestion pour stabiliser la production de biomasse forestière tout en réduisant l'impact du stress hydrique de plus en plus fréquent avec les changements globaux. Cependant, les effets interactifs entre diversité des espèces d'arbres et disponibilité en eau ont rarement été étudiés in situ, et encore moins en étudiant le fonctionnement du sol. Dans cette thèse, nous avons cherché à déterminer si les effets positifs de la diversité des espèces d'arbres sur le recyclage des nutriments étaient modulés par la disponibilité en eau. Pour répondre à cette question, deux sites appartenant au réseau mondial de diversité des arbres (TreeDivNet) ont été étudiés : ORPHEE dans le sud-ouest de la France et IDENT-SSM à Sault Ste. Marie au Canada. Ces deux sites expérimentaux manipulent la diversité des arbres (richesse des espèces d'arbres) et la disponibilité en eau (irrigation dans les deux cas, avec exclusion partielle des pluies à IDENT-SSM). Les travaux sont divisés en quatre chapitres : (1) la complémentarité spatiale verticale de la disponibilité des nutriments du sol, (2) la dépolymérisation de l'azote organique du sol, (3) la complémentarité temporelle dans les prélèvements de nutriments et les processus du sol, et (4) l'efficience d'utilisation des nutriments par les arbres. En examinant le cycle des nutriments dans les sols, nous avons constaté qu'une forte disponibilité en eau augmentait la dégradation de la matière organique (par les enzymes extracellulaires et la dépolymérisation des protéines), tandis qu'elle diminuait la minéralisation nette des nutriments. Un effet du mélange d'espèces d'arbres n'a été observé que dans la couche intermédiaire du sol, où l'on a trouvé une teneur en matières organiques et des activités enzymatiques plus élevées que dans les monocultures. Au cours de l'année, des différences dans la disponibilité des nutriments n'étaient visibles que lorsque la disponibilité en eau était suffisante : il y avait plus d'azote biodisponible dans les parcelles de pins en monoculture, tandis que le phosphore était plus important dans les parcelles de bouleaux en monoculture, par rapport aux autres traitements d'espèces. Malgré les variations saisonnières, ces tendances sont restées constantes entre les périodes de dormance et de végétation. En étudiant expérimentalement l'absorption des nutriments, nous avons observé une asynchronie de l'absorption lors du débourrement de la végétation: à ce stade phénologique, l'espèce sempervirente (pin) a pût prélever plus tôt que l'espèce décidue (bouleau), avec respectivement un avantage et un désavantage pour l'absorption des nutriments dans les parcelles mélangées. En ce qui concerne l'efficience d'utilisation des nutriments (NutUE), nous avons constaté que l'identité des espèces était un facteur plus important que la diversité des espèces. Bien que l'augmentation de diversité ait eu tendance à accroître la productivité aérienne et la biomasse de la litière, la dominance de certaines espèces dans les mélanges était le principal facteur contrôlant la NutUE (le bouleau sur le pin à IDENT-SSM et le pin sur le bouleau à ORPHEE). Ainsi, les processus biogéochimiques de la couche superficielle du sol ont été déterminés par la disponibilité en eau, les processus du sol intermédiaire par le mélange des espèces, et l'efficience d'utilisation des nutriments a été déterminée par l'identité des espèces plutôt que par le mélange. A l'inverse de l'effet prononcé des facteurs pris individuellement, nous n'avons pas observé d'effet interactif entre ceux-ci. Sur la base de l'ensemble de nos résultats, nous concluons que chacun des facteurs étudiés (disponibilité en eau, diversité des arbres et identité des espèces) joue un rôle significatif sur le recyclage des nutriments, même s'il n'y avait pas d'effets interactifs. / Mixed forests are one of the main management strategies to stabilize forest biomass production while reducing the impact of water stress, which is becoming more frequent as a result of global changes. However, the interactive effects between tree diversity and water availability have rarely been studied in situ, let alone while studying soil functioning. In this thesis, we sought to determine whether the positive effects of tree species diversity on nutrient cycling in forests were modulated by water availability. To answer this question, two sites belonging to the global tree diversity network (TreeDivNet) were studied: ORPHEE in southwestern France and IDENT-SSM in Sault Ste. Marie, Canada. These two experimental sites manipulate tree diversity (tree species richness) and water availability (irrigation in both cases, with partial rain exclusion at IDENTSSM). The work is divided into four chapters: (1) vertical spatial complementarity of soil nutrient availability, (2) soil organic nitrogen depolymerization processes, (3) temporal complementarity of nutrient uptake and soil nutrient processes, and (4) nutrient use efficiency by trees. When looking at belowground nutrient cycling, we found that high water availability increased organic matter breakdown (by extracellular enzymes and protein depolymerization), while it decreased net nutrient mineralization. An effect of mixing tree species was only detected in the mid soil layer, where we observed a higher amount of organic matter and enzyme activities compared to the monocultures. Throughout the year, differences in nutrient availability were only visible when water availability was sufficient: more bioavailable nitrogen was produced in the pine monocultures, while more phosphorus was produced in the birch monocultures, compared to the other species treatments. Despite seasonal variation, these trends remained consistent between the dormant and vegetative periods. When experimentally investigating nutrient uptake, we observed an asynchrony of uptake during budburst: at this phenological stage, the evergreen species (pine) was able to take up nutrients earlier than the deciduous species (birch), with an advantage and a disadvantage respectively for nitrogen uptake in the mixed plots. Finally, we found that species identity was a stronger driver than species diversity for aboveground nutrient use efficiency (NutUE). Although increasing tree species tended to increase aboveground productivity and litterfall biomass, certain species dominance drove NutUE trends (i.e. birch dominance over pine at IDENT-SSM and pine over birch at ORPHEE). In summary, surface soil biogeochemical processes were driven by water availability, intermediate soil processes by species mixing, and nutrient use efficiency was driven by species identity rather than mixing. In contrast to the pronounced effect of individual factors, we did not observe an interactive effect between them. Based on all of our results, we conclude that each of the factors studied (water availability, tree diversity, and species identity) had an important role in nutrient cycling, even though there were no interactive effects.

Les espèces végétales envahissantes sont l'un des principaux facteurs de changement de la biodiversité dans les écosystèmes terrestres. Une détection précise et précoce des espèces exotiques est donc cruciale pour surveiller les invasions en cours et pour prévenir leur propagation. Présentement, les méthodes de surveillance des invasions biologiques permettent de suivre la propagation des envahisseurs à travers les aires de répartition géographique, mais une attention moindre a été accordée à la surveillance des espèces envahissantes à travers le temps. Les plates-formes de télédétection, capables de fournir des informations détaillées sur les variations des traits foliaires dans le temps et l'espace, sont particulièrement bien placées pour surveiller les plantes envahissantes en temps réel. Les changements temporels des traits fonctionnels sont exprimés dans la signature spectrale des espèces par des caractéristiques d'absorption spécifiques de la lumière associés aux pigments photosynthétiques et aux constituants chimiques tous deux liés à la phénologie. Ainsi, les variations temporelles dans la réponse spectrale des plantes peuvent être utilisées afin de mieux identifier des espèces individuelles. L'un des envahisseurs les plus problématiques au Canada est le roseau commun, Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steudel sous-espèce australis, dont la propagation menace la biodiversité des écosystèmes de zones humides en Amérique du Nord. Déterminer la période de l'année où cet envahisseur se distingue d’avantage, du point de vue spectral et fonctionnel, des autres plantes de la communauté serait centrale dans une meilleure gestion du roseau commun. Pour ce faire, nous avons utilisé des traits fonctionnels et une série temporelle de données spectrales foliaires à haute résolution au cours d'une saison de croissance à Boucherville, Québec, Canada, afin de déterminer la séparabilité spectrale de l'envahisseur par rapport aux espèces co-occurrentes et comment cette dernière varie à travers le temps. Nos résultats ont révélé que la spectroscopie foliaire a permis de distinguer le phragmite des espèces co-occurrentes avec une précision de plus de 95% tout au long de la saison de croissance – un résultat prometteur pour le futur de la télédétection des espèces végétales envahissantes. / Invasive plant species are one of the main drivers of biodiversity change in terrestrial ecosystems. Accurate detection of exotic species is critical to monitor on-going invasions and early detection of incipient invasions is necessary to prevent further spread. At present, surveillance methods of biological invasions allow to track the spread of invaders across geographic ranges, but less attention has been given to invasive species monitoring across time. Remote sensing platforms, capable of providing detailed information on foliar trait variations across time and space, are uniquely positioned for monitoring invasive plants in real time. Temporal changes in foliar traits are expressed in a species spectral profile through specific absorption features related to variation in photosynthetic pigments and chemical constituents driven by phenology. Thus, variations in a plant’s spectral response can be used to improve the identification of individual species. One of Canada’s most problematic invaders is the common reed, Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steudel subspecies australis, whose spread threatens biodiversity in wetland ecosystems in North America. Determining the time of year when the invader is spectrally and functionally more distinct from other plants in the community would be central to better management of common reed. To do so, we collected a time-series of foliar traits and high-resolution leaf spectral data over the course of a growing season at Boucherville, Quebec, Canada, to determine the spectral separability of the invader from co-occurring species and how its detection varies over time. Our results revealed that leaf-level spectroscopy distinguished Phragmites and co-occurring species with > 95% accuracy throughout the growing season – a promising result for the future remote detection of invasive plant species.

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Le potentiel adaptatif d’une espèce peut être défini par sa capacité à faire face aux changements environnementaux. Le potentiel adaptatif augmente avec la variation du phénotype, du niveau intra-individuel au niveau inter-populations. Cependant, les facteurs qui contrôlent et expliquent cette variation phénotypique sont encore relativement peu compris. Nous avons étudié quatre espèces végétales des îles Kerguelen, en subantarctique, une des régions les plus sévèrement affectée par le changement climatique. Les espèces végétales des îles Kerguelen montrent un fort degré d’intégration phénotypique (i.e. forte corrélation entre les traits), suggéré comme étant une contrainte pour la variation des traits. Chez ces espèces, nous avons étudié les facteurs qui peuvent contraindre la variation phénotypique : les facteurs environnementaux extrinsèques, l’intégration phénotypique intrinsèque et les coûts associés de performance. Nous avons montré que la variation intra-individuelle, i.e. plasticité, peut être contrainte par la modification simultanée de multiple facteurs environnementaux, et par les coûts de performance qui en résultent. En revanche, la plasticité peut être favorisée par un fort degré d’intégration phénotypique (Chapitre 3). Nous avons montré que la variation interindividuelle, à l’intérieur des populations, n’était pas contrainte par des facteurs environnementaux, mais pouvait cependant être favorisée par un fort degré d’intégration phénotypique (Chapitre 1). Egalement, nous avons trouvé que la variation inter-populations à l’intérieur d’une région peut être contrainte par une variation environnementale limitée (Chapitre 1). Finalement, nous avons étudié des métabolites secondaires (amines et flavonols) qui font le lien entre variation environnementale et variation phénotypique. Nous avons trouvé que la composition et la fonction de ces métabolites varient entre régions, suggérant une différentiation évolutive entre régions (Chapitre 2). Les patrons de variation entre régions, suggèrent au niveau intra-spécifique une redondance et une versatilité fonctionnelle des métabolites, que nous somme, à notre connaissance, les premiers à mettre en évidence. Nous suggérons que le changement climatique des îles Kerguelen va avoir un impact négatif sur la performance des espèces végétales. La persistance d’habitats humides favorables à ces espèces sera alors un facteur déterminant de la capacité des espèces à faire face au changement climatique. De plus, ce projet a permis d’identifier des facteurs jusqu’alors peu reconnus qui pourtant favorisent le potentiel adaptatif des espèces. En particulier, le potentiel adaptatif peut être favorisé par (i) le degré d’intégration phénotypique (contrairement à ce qui est communément suggéré) et (ii) la redondance et la versatilité des métabolites (qui a peu été étudiée jusqu’alors). Qui plus est, nous avons mis en évidence pour la première fois, plusieurs coûts et limites de la plasticité, suggérant qu’une réponse plasticité de la plante n’est pas une garantie de succès dans le nouvel environnement. / The adaptive potential of a species can be defined as its capacity to cope with environmental change. Adaptive potential increases with phenotypic variation, from the intra-individual to the inter-population level, but factors controlling and explaining this variation still remain poorly understood.We studied four plant species from Iles Kerguelen in the sub-Antarctic region which is currently facing one of the strongest climate changes worldwide. Plant species from Iles Kerguelen are known to show high phenotypic integration (i.e. strong correlation among traits), a phenomenon that has been suggested to constrain trait variation. For these species we studied what constrains phenotypic variation, considering the external environment, the internal phenotypic integration and the associated performance costs. We found that intra-individual variation, i.e. plasticity, may be constrained by complex environmental change and the performance costs it triggers. In contrast, plasticity may be favored by high degree of phenotypic integration (Chapter 3). We found that inter-individual variation within populations may not be constrained by environmental factors, but may be favored by high phenotypic integration (Chapter 1). We found inter-population variation within regions may be constrained by restricted environmental variation (Chapter 1). Finally, we studied secondary metabolites (amines and flavonols) that connect environmental variation to phenotypic variation. We found that compositions and functions of these metabolites vary among regions, probably reflecting evolutionary differentiation among regions (Chapter 2). Patterns of variation betweenregions suggest that within species metabolites may be functionally redundant or versatile, for which to our knowledge our results are the first hint. Overall, we suggest that climate change in Kerguelen will impact plant species performance, and that the persistence of suitable wet habitats will be determinant in species capacities to cope with such changes. Furthermore, this project identified so far underestimated factors which may favor the adaptive potential of species. Particularly, we emphasize that the adaptive potential of species may increase due to (i) phenotypic integration, (contrary to common suggestion) and (ii) metabolite redundancy or versatility (only poorly studied so far). Moreover, we evidenced, partly for the first time, multiple costs and limits of plasticity and suggest that plasticity does not guarantee plant success in the new environment.

La diversité végétale exceptionnelle des forêts tropicales a toujours suscité une part d’incompréhension chez les scientifiques qui tentent de comprendre les processus à l’origine de cette diversité, ainsi que les mécanismes expliquant les changements spatiaux de composition spécifique. Une des clés de ce dernier mystère résiderait dans l’influence de la différentiation des niches écologiques, mais aussi de la dispersion limitée des graines et d’événements stochastiques (purement aléatoires et non prévisibles). La niche d’une espèce contraint celle-ci à s’établir dans un habitat présentant des gammes de conditions bien délimitées en termes de propriétés du sol (disponibilité en nutriments et toxicité de certains éléments) et d’intensité lumineuse. Par exemple, certaines espèces sont plus tolérantes à l’ombrage (espèces « sciaphiles ») que d’autres qui ne peuvent s’établir que dans des trouées forestières offrant suffisamment de lumière (espèces « héliophiles »). En Afrique centrale, les communautés d’arbres sont aujourd’hui en grande partie composées de ces espèces dites « héliophiles », alors que les ouvertures forestières naturelles sont rares. Il est fortement suspecté que la dominance de ces espèces soient la conséquence de trouées générées par l’homme qui, jusqu’au début de la période coloniale (vers 1900), occupait de vastes surfaces de forêt où il pratiquait l’agriculture sur brûlis. Cependant, peu d’études ont jusqu’à présent déterminé dans quelle mesure ces pratiques agricoles ont influencé la composition spécifique des forêts à l’échelle régionale comme à l’échelle locale.<p>L’objectif du présent travail est de faire la lumière sur l’impact de ces perturbations humaines mais aussi plus généralement sur l’influence relative de la niche écologique des espèces d’arbres par rapport à d’autres facteurs (dispersion limitée et facteurs stochastiques) sur leur distribution spatiale. Pour cela nous avons utilisé des données botaniques et environnementales provenant d’inventaires réalisés dans une forêt tropicale située en République Démocratique du Congo (quatre transects parallèles mesurant chacun 500 à 600 m de long), ainsi que des données similaires complémentées d’inventaires anthracologiques (estimation de la quantité de charbons de bois dans le sol, utilisée comme indicateur de feux passés d’origine anthropique) récoltées dans trois régions du sud du Cameroun (208 parcelles de 0,2 ha chacune). <p>Les données récoltées nous ont permis de mettre en évidence un impact significatif des propriétés physico-chimiques du sol sur la composition en espèces d’arbres. Plus précisément, nous avons pu constater une différence floristique marquée entre deux habitats très contrastés (sol sableux vs. sol argileux, Rép. Dém. Du Congo), et cela à une échelle spatiale locale (< 1 km²) où l’on pensait que de l’influence des facteurs stochastiques et de dispersion limitée étaient prépondérante. Mes analyses ont également démontré que cette différence était plus marquée pour les arbres de la canopée que pour les arbres des strates inférieures (« sous-canopée »), ce qui est sans doute lié au fait que de nombreux individus de la sous-canopée sont composés de juvéniles régénérant la canopée, parmi lesquels de nombreux arbres subissent une exclusion compétitive en cours (brouillant ainsi les signaux d’association espèce-habitat). <p>À une échelle spatiale beaucoup plus large cette fois (de 5 à 100 km, inventaires du Sud Cameroun), nous avons démontré que la diversité floristique était également influencée de manière significative par l’hétérogénéité spatiale de propriétés abiotiques du sol, notamment par les concentrations en (i) certains nutriments essentiels pouvant présenter des valeurs potentiellement limitantes (K, Mg, Ca et P) ainsi qu’en en (ii) élements pouvant être présents en quantités toxiques (Al et Mn). Cependant, alors que le signal environmental a été clairement détecté à l’échelle communautaire, seule les abondances d’une minorité d’espèces (< 15%) ont répondu significativement à la variation des conditions de sol. En outre, le nombre de réponses significatives a augmenté avec l’échelle d’observation ainsi qu’avec le degré d’hétérogénéité environnementale et/ou floristique. Pour mettre en évidence cet effet du sol, nous avons introduit une nouvelle approche permettant de tester la fraction d’une analyse de partition de variance correspondant à la part de variation floristique expliquée par l’effet de conditions édaphiques spatialement structurées (co-variation entre effets spatiaux et édaphiques), en combinant l’analyse de partition de variance avec des vecteurs propres de Moran (« Moran’s eigenvector maps ») et des translations toroïdales. Bien que cette méthode nous ait permis de déterminer si la fraction en question était significative, nous avons également mis en doute son interprétation habituelle suggérant que cette fraction représente une structure floristique directement induite par des structures spatiales de conditions de sol. Grâce à des simulations de populations végétales liées à des propriétés environnementales, nous avons mis en évidence que la valeur de la fraction étudiée ne semble finalement pas influencée par le degré de structuration spatiale des conditions environnementales, remettant donc en question l’utilité de l’analyse de partition de variance pour inférer des effets de processus écologiques sous-jacents sur la distribution spatiale des espèces d’arbres.<p>Enfin, les données floristiques et anthracologiques du Sud Cameroun ne nous ont pas permis de démontrer statistiquement l’hypothèse que les perturbations humaines passées sont en partie responsables de la dominance actuelle des espèces héliophiles. L’absence de corrélation significative entre l’abondance relative de ces espèces et la quantité de charbons de bois dans le sol peut s’expliquer par le fait que la majorité de ces charbons (60%) étaient trop vieux (1500 à 3000 ans) pour refléter des perturbations ayant influencé la diversité végétale présente. <p>Les conclusions générales de ma thèse de doctorat soutiennent que la niche écologique des espèces d’arbres des forêts tropicales africaines contribue de manière significative à déterminer leur assemblage dans l’espace, mais aussi que ces effets de niche dépendent fortement du contexte environnemental étudié ainsi que de l’échelle spatiale d’observation. Ce travail lève donc en partie un voile sur l’écologie des écosystèmes forestiers d’Afrique centrale qui restent largement méconnus par rapport à ceux d’Asie du Sud-Est et des régions néotropicales.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation biologie végétale / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les systèmes de biorétention sont de plus en plus utilisés pour gérer le ruissellement des eaux pluviales urbaines. Bien que les plantes soient une composante essentielle des biorétentions, il existe à ce jour peu de preuves de la contribution des espèces choisies, en particulier dans les climats tempérés à grande variation saisonnière. Aussi, les bactéries et les champignons peuvent jouer un rôle majeur dans la performance des biorétentions en améliorant la qualité de l'eau ou en soutenant l'efficacité des plantes. Mais à ce jour, on sait peu de choses sur les microorganismes peuplant les biorétentions et encore moins sur l'influence des choix de conception de ce système et ses conséquences sur la contribution de ces organismes. D’autre part, en climat froid, l'utilisation de sels de déglaçage génère des ruissellements salins qui pourraient affecter les performances des biorétentions, notamment en impactant les processus biologiques en cours dans le système. Le but de mon étude était de comparer la contribution de la végétation à la performance des biorétentions en fonction de l'espèce plantée, de tester l'impact du ruissellement salin sur l'hydrologie et la filtration des contaminants par le système en fonction des espèces végétales utilisées, et de caractériser l'influence de ces 2 facteurs sur la diversité, la composition et l'abondance relative des bactéries et champignons au sein des biorétentions. J’ai réalisé une expérience en mésocosmes avec 4 espèces végétales couramment utilisées en biorétention et couvrant un large éventail de types biologiques (Cornus sericea, Juncus effusus, Iris versicolor, Sesleria autumnalis). Pour simuler un ruissellement printanier chargé en sel de déglaçage, l'eau de ruissellement semi-synthétique utilisée pour l'irrigation à était complétée au printemps avec quatre concentrations de NaCl (0, 250, 1000 ou 4000 mg Cl/L). Le séquençage des gènes 16S et ITS ont été utilisé comme indicateur de diversité, de composition et d'abondance relative bactérienne et fongique. En général, tous les mésocosmes de biorétention ont significativement réduit les volumes d'eau, les débits de pointe et les charges de contaminants. Certaines plantes améliorent significativement les performances en augmentant la perte d'eau par évapotranspiration pendant la période de croissance (jusqu'à 2,5 fois) et en réduisant le débit d'eau (jusqu'à 2,7 fois). Les plantes ont amélioré l’enlèvement des macronutriments, avec un enlèvement massique moyen de 55 % pour l’Azote total, 81 % pour le Phosphore total et 61 % pour le K, contre -6 % (relargage), 61 % et 22 % respectivement pour les non plantés. À l'exception des Sesleria, l’enlèvement des éléments traces par les mésocosmes plantés était généralement plus élevée que chez les non plantés (jusqu'à 8,7 %). Leur niveau de contribution suivait le même ordre que leur taux d'évapotranspiration et leur taille globale (Cornus > Juncus > Iris > Sesleria). Même à la concentration la plus élevée de NaCl testée, aucun effet sur la réduction du volume d'eau et les débits n'a été détecté. En revanche, le ruissellement chargé en sel a temporairement augmenté l’enlèvement de certains métaux tels que Cr, Ni, Pb et Zn. Dans l’ensemble, les plantes ont très bien toléré le passage du ruissellement chargé de sel au printemps. Tous les mésocosmes ont naturellement été colonisés par des bactéries et des champignons adaptés à un environnement humide et contaminé. Parmi les taxons dominants, plusieurs ont des fonctions en lien avec la performance des biorétentions, telles que l'implication dans le cycle de l'azote, la dégradation des hydrocarbures, la tolérance et la remédiation de métaux, ou des symbiotes végétaux. Ma thèse souligne l'importance du choix des espèces végétales sur la performance des biorétentions. D’une part en raison de leur contribution différentielle à la réduction du volume d'eau, des débits de pointe et l'enlèvement des contaminants, en particulier des macronutriments, et d’autre part à cause de leur influence sur la composition et l’abondance des microorganismes. Même si plusieurs des bactéries et champignons dominants ce système auraient la capacité de contribuer à la performance des biorétentions, d’autres études devront être menées pour vérifier leur activité. Finalement, ma thèse a démontré que la présence de sel de déverglaçage dans le ruissellement ne devrait pas être un frein à la mise en place de cellules de biorétention, puisque qu'aux concentrations habituellement observées à la suite d’épandages, aucun effet négatif sur la performance, la végétation ou les communautés bactérienne et fongique n’a été observé dans la présente thèse. Cependant, la libération des cations structurants du sol et l’exfiltration du sels devrait être faire l’objet d’un suivi à plus long terme. Bien que ces expériences aient permis d'analyser l'effet des espèces végétales et des sels de déverglaçage sur la réduction du volume d'eau, des débits de pointe, l’enlèvement des contaminants, et les micro-organismes, l'extrapolation de ces résultats à grande échelle doit être effectuée avec prudence. En effet, les mésocosmes sont des systèmes artificiels qui ne reproduisent pas entièrement les conditions réelles des biorétentions à grande échelle, notamment en ce qui concerne les températures hivernales inférieures à zéro, et ne sont étudiés qu’un lapse de temps. Aussi, les biorétentions réelles sont rarement plantées en monoculture, de sorte que les interactions entre les espèces végétales et les microorganismes pourraient influencer la performance du système. Pour une application réussie des conclusions de cette étude à l'échelle pratique, il serait essentiel que des projets pilotes valident ces résultats. / Bioretention systems are increasingly used to manage urban stormwater runoff. Plants are an essential component of bioretention, improving water quality and reducing runoff volume and peak flows. Although plants are an essential component of bioretentions, there is little evidence on how their contribution changes according to the species chosen, especially in temperate climates with large seasonal variations. In addition, bacteria and fungi could play a major role in bioretention performance by improving water quality or supporting plant efficiency. But to date, little is known about the microorganisms living in bioretentions and even less about the influence of the design choices of this system and therefore its consequences on the contribution of these organisms. In cold climates, the use of de-icing salts generates saline runoff which could affect the bioretentions performance, especially by reducing biological processes. The aim of my study was to compare the contribution of vegetation to the performance of bioretentions according to the species planted, to test the impact of saline runoff on the hydrology and the filtration of contaminants by the system according to the plant species used, and to characterize the influence of these 2 factors on the diversity, composition and relative abundance of bacteria and fungi within bioretentions. I performed a mesocosm experiment with 4 plant species commonly used in bioretention and covering a wide range of biological types (Cornus sericea, Juncus effusus, Iris versicolor, Sesleria autumnalis). To simulate spring salt-laden runoffs, the semi-synthetic runoff water used for irrigation was supplemented in spring with four concentrations of NaCl (0, 250, 1000 or 4000 mg Cl/L). Sequencing of 16S and ITS genes was used as bacterial and fungal diversity, composition and relative abondance indicator. In general, all bioretention mesocosms significantly reduced water volumes, peak flows, and contaminant loads. Some plants significantly increased the performances, by increasing water loss through evapotranspiration during the growing period (up to 2.5 times) and reducing water flow (up to 2.7 times). Plants improved macronutrients removal, with an average mass removal of 55% for total nitrogen, 81% for total phosphorus and 61% for K compared to –6% (release), 61% and 22% respectively for the unplanted. Except for Sesleria, mass removal of trace elements in planted mesocosms was generally higher than in unplanted ones (up to 8.7%). Their contribution level followed the same order as their evapotranspiration rate and overall size (Cornus > Juncus > Iris > Sesleria). Even at the highest concentration of NaCl tested, no impact on water volume reduction and flow rates were detected. In contrast, salt-laden runoffs temporarily increased removal of some metals such as Cr, Ni, Pb, and Zn. Overall, the plants tolerated the passage of salt runoff in spring. All bioretention mesocosms were naturally colonized by bacteria and fungi adapted to a humid and contaminated environment. Among the dominant taxa, several described functions related to the bioretention performances, such as involvement in the nitrogen cycle, the degradation of hydrocarbons, the tolerance and remediation of metals, or plant symbionts. My thesis emphasizes the importance of the plant species choice on the bioretentions performance. firstly because of their differential contribution to the water volume reduction, peak flows, and the contaminants removal, in particular macronutrients, secondly through their influence on the composition and abundance of microorganisms. Even though several of the dominant bacteria and fungi found would have the ability to contribute to the performance of bioretentions, further studies will be needed to verify their activity. Finally, my thesis demonstrated that the presence of de-icing salt in the runoff should not be a hindrance to the bioretention cells implementation, since at concentrations usually observed following salt spreading, no negative effect on the bioretentions performance, on the vegetation or the bacterial and fungal communities were observed in this thesis. However, the release of soil-structuring cations as well as salts exfiltration should be monitored in the longer term. Although these experiments allowed for the analysis of the effect of plant species and de-icing salts on the reduction of water volume, peak flow rates, contaminant removal, and microorganisms, the extrapolation of these results to a larger scale must be done with caution. Despite the advantage of characterizing the performance of bioretention in mesocosms in terms of replication and factor control, it is important to recognize that this approach also has its limitations. Mesocosms are artificial systems that do not fully replicate the real-world conditions of large-scale bioretention, especially concerning sub-zero winter temperatures and the limited time frame of study. The size of the mesocosms could lead to edge effects, such as preferential flows, while real-world scenarios involve slopes that create heterogeneous conditions within these basins, influencing factors like frequency and quantity of water received. Additionally, real bioretention systems are seldom planted as monocultures, thus interactions between plant species and microorganisms may impact system performance. For successful implementation of the findings of this study on a practical scale, validation through pilot projects would be essential.

Les travaux de recherche ont été menés dans la réserve de biosphère de la boucle du Baoulé (RBBB) au Mali. Cette réserve est constituée de 3 aires, Badinko, Kongosambougou et Fina. Cette étude a été faite dans l’aire de Fina, la plus importante pour sa richesse en faune. La péjoration des conditions climatiques et les impacts des pressions anthropiques croissantes ont entraîné une dégradation des écosystèmes en particulier la biodiversité végétale. L’objectif de notre recherche est d’étudier l’influence des gradients anthropique et géomorphologique sur la variation de la biodiversité végétale dans la RBBB. Elle contribuera à la caractérisation et à l’évaluation de l’état actuel de la végétation dans une perspective de conservation durable des ressources végétales en particulier la biodiversité. Nous sommes partis de l’idée que les aires protégées constituent des espaces témoins de conservation des milieux naturels qui, comparés aux milieux perturbés permettraient de caractériser l’état d’évolution de la biodiversité végétale. Deux approches ont été utilisées pour aborder cette étude :l’approche synchronique et l’approche diachronique. Un recensement et une classification des espèces ont été effectués en s’appuyant sur le dispositif de zonage d’une réserve de biosphère basée sur les degrés de pression (régimes de protection) et la situation géomorphologique. Puis une quantification des variations de pressions liées aux activités anthropiques a été faite. <p>Nos résultats ont montré que les facteurs structurants de la végétation varient suivant la géomorphologie et surtout le dispositif de zonage (gradient anthropique). C’est dans les milieux perturbés que la diversité est élevée, mais avec un niveau d’organisation peu homogène comparativement aux milieux non perturbés. L’intensification actuelle des pressions dans les milieux perturbés et la dégradation des formations végétales qui en résulte n’entraînent pas actuellement dans la réserve une baisse de diversité. Aussi, dans les conditions écologiques locales pratiquement semblables dans la réserve, le zonage caractérisant les niveaux d’anthropisation est autant important que les facteurs texture du sol qui sont liés aux conditions géomorphologiques dans la structuration floristique. Les résultats phytosociologiques ont montré l’individualisation de 10 groupements végétaux dont 6 en milieux perturbés avec une tendance à la dégradation de la végétation et sa transformation en savane arbustive et 4 en milieux non perturbés marqués par la disparition des formes de végétation originelles. La plus forte densité en espèces est observée dans les groupements végétaux des unités de plaine et de vallée pour l’ensemble des 3 zones. C’est dans ces unités également que la surface terrière pour les arbres de plus de 8 m et la valeur pastorale sont importantes. La diminution du recouvrement des espèces herbacées de bonne valeur fourragère en particulier les pérennes est corrélée aux perturbations liées aux intenses activités anthropiques (agricole et pastorale par exemple). Ces activités engendrent la dégradation du milieu, une baisse de la valeur pastorale qui est indépendante de la biodiversité. Les dynamiques temporelles de la composition du paysage forestier de la réserve ont montré une ouverture du paysage caractérisée par une extension des superficies cultivables de la zone de transition vers la zone protégée ainsi que la réduction de la superficie des savanes arborées et la transformation progressive du paysage en savane arbustive. L’étude a permis de comprendre que le dispositif législatif classique de protection ne correspond pas à la réalité de terrain. De façon générale, l’influence des gradients géomorphologique et surtout anthropique est perceptible sur la structure de la flore et de sa diversité. <p>Une extension de notre approche d’étude dans les réserves de Badinko et de Kongosambougou permettra d’asseoir un dispositif de suivi de l’évolution spatio-temporelle de la végétation et de poser les bases d’une politique rationnelle de conservation de la réserve de biosphère de la boucle du Baoulé.<p><p>Mots clés :Anthropisation, diversité floristique, dynamique spatiale, géomorphologie, réserve de Fina, Mali.<p><p>ABSTRACT<p>The research was conducted in the Fina, part of biosphere reserve of « boucle du Baoulé » (RBBB) in Mali. This reserve consists of 3 areas, Badinko, Kongosambougou and Fina. Fina area is the most important for its rich fauna, this study was done. The climatic conditions pejoration and the impacts of increasing human pressures have led to ecosystem degradation, particularly plant biodiversity of the Fina reserve. In this study we have updated data on plant diversity and its variation based on the device of biosphere reserve zoning based on the pressure degree (protects systems). The objective of this thesis was to test the main hypothesis that protected areas are witness spaces of natural settings conservation that, compared to the disturbed areas, would characterize plant biodiversity evolution. Two approaches were used to address this study: synchronic and diachronic approach. Our results showed that the vegetation structural factors vary with the environment (zones) and geomorphology. The correlations between vegetation and ecological factors showed that the disturbance gradient is a major factor in the floristic variability. Human pressure intensification in disturbed habitats and resulting vegetation degradation do not currently induce any decrease of diversity in the reserve. In local similar environmental conditions as is the Fina reserve case, zoning characterizing the human impact levels is as important as the soil texture factors that are related to geomorphological conditions in the floristic structure. The phytosociological results showed the individualization of 10 plant groups in disturbed habitats, including 6 with a tendency to shrubby savanna and 4 in undisturbed environments marked by the disappearance of the vegetation original forms. The highest density of species is observed in plant communities of the plain and valley units in all the three zones. It is also in these units that basal area for trees over 8 m and pastoral value are important. The herbaceous species of good fodder value recovery reduction in particular the perennial causes the environmental degradation, and the pastoral value reduction that is independent of biodiversity. Temporal dynamics of the forest landscape composition of the reserve showed an opening of the landscape characterized by an expansion of arable land in the transition zone to the protected area of the reserve, the decrease in savanna area and gradual transformation landscape in shrubby savanna.<p>An extension of our study approach in the Badinko and Kongosambougou reserves could help establishing a monitoring of the spatial and temporal vegetation evolution and putting the rational politics bases of Baoulé biosphere reserve conservation.<p><p>Key words: Anthropisation, geomorphology, floristic diversity, Fina reserve, spatial dynamics, Mali.<p><p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished