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La formation du bois (xylogénèse) produit une large partie de la biomasse de la planète et une ressource essentielle pour l'Homme. Les cellules du bois sont produites par division dans le cambium puis s'élargissent, forment une paroi épaisse lignifiée et meurent. Pendant l'année, ces processus sont définis par des dates, durées et vitesses qui caractérisent la dynamique intra-annuelle de la xylogénèse. Cette dynamique reste peu explorée alors que c'est un aspect clé, car c'est elle qui détermine la quantité et la qualité du bois produit et c'est sur elle que les facteurs de régulation agissent. Ce travail vise à améliorer nos connaissances sur la dynamique intra-annuelle de la xylogénèse. Pendant trois ans (2007-2009), la xylogénèse a été suivie pour 45 arbres de trois espèces de conifères (sapin pectiné, épicéa commun et pin sylvestre) dans les Vosges. Pour ça, des petits échantillons de bois ont été prélevés chaque semaine sur le tronc des arbres sélectionnés. Les échantillons ont été préparés au laboratoire, puis des sections anatomiques ont été réalisées pour observer la xylogénèse au microscope. Cette thèse a permis d'améliorer notre connaissance du fonctionnement de la xylogénèse, un système biologique d'une fascinante complexité. Nous avons caractérisé - grâce à l'innovation d'une méthode statistique performante - les aspects méconnus de la dynamique de différenciation des cellules du bois. Nous avons alors pu dévoiler les mécanismes par lesquels la dynamique de la xylogénèse donne forme à la structure du cerne, établir la dynamique intra-annuelle de l'accumulation du carbone dans le bois et évaluer les mécanismes de l'influence du climat sur la xylogénèse / Wood formation (xylogenesis) produces a large part of the biomass of this planet and provides a crucial resource to Mankind. Wood cells are produced by division in the cambium, after what they enlarge, build a lignified thick wall and die. During a year, these processes take place at certain dates, last for certain durations and go at certain rates. These dates, durations and rates characterize the intra-annual dynamics of xylogenesis. This dynamics remains poorly explored whereas it is a key aspect as it determines the quantity and quality of the produced wood and conveys the influence of intrinsic (gene, hormone) and extrinsic (environment) regulatory factors. This work aims to improve our knowledge on the intra-annual dynamics of xylogenesis. During three years (2007-2009), xylogenesis was monitored for 45 trees of three conifer species (silver fir, Norway spruce, and Scots pine) in northeast France. For that, small wood samples were collected weekly on tree stem. Samples were prepared at the laboratory, and anatomical sections were cut to observe xylogenesis under a light microscope. This thesis has improved our knowledge on the functioning of xylogenesis, a biological system of a fascinating complexity. We characterized - thanks to the development of an efficient statistical method - the little known aspects of wood cell differentiation dynamics. Based on this characterization, we eluded the mechanisms by which xylogenesis dynamics shapes tree ring structure, we established the intra-annual dynamics of carbon accumulation in wood and we evaluated the mechanisms of the climate influence on xylogenesis

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Sur la base de constats globaux concernant l’importance d’appliquer des modes de gestion durable des zones forestières et le manque d’investigation concernant l’histoire passée des feux en Europe centrale, il a été entrepris de reconstruire l’histoire des événements de feux et de la dynamique forestière pour des sites d’étude en Allemagne. L’ensemble des données obtenues et analysées ont été utilisées pour l’évaluation du niveau de naturalité des sites étudiés, cette notion étant essentielle pour la mise en place d’une gestion durable, et/ou pour des projets de conservation et / ou de restauration des systèmes perturbés. Concernant les dynamiques des écosystèmes en Europe centrale, il a été souvent mis en évidence que l’homme joue un rôle essentiel depuis des millénaires. Par conséquent, l’approche historique des événements de feux et de la dynamique forestière à été réalisée sur de longues échelles temporelles. Neuf sites d’étude ont été sélectionnés incluant une large gamme de systèmes forestiers d’Europe centrale. Les sites d’études sont répartis dans deux zones générales d’étude : le nord de l’Allemagne (Schleswig-Holstein), qui comprend quatre sites d’étude, et le centre de l’Allemagne (le Harz), qui comprend cinq sites d’étude. Quatre disciplines ont été principalement utilisées. Pour définir l’état actuel des sites d’études ceux-ci ont été caractérisés, utilisant divers indicateurs dendrométriques concernant la structure et la composition des parcelles analysées. Pour obtenir des informations à propos de la dynamique forestière des peuplements forestiers en place des analyses dendroécologiques ont été utilisées. Pour analyser la dynamique forestière sur une longue échelle temporelle, à une échelle spatiale comparable, des analyses pédoanthracologiques ont été menées, combinées à des analyses de sols. De plus, des analyses anthracologiques de séquences de tourbes ont été réalisées, fournissant, combinées avec les données pedoanthracologiques, des enseignements à propos de l’histoire des incendies. L’état actuel et la dynamique forestière récente des sites étudiés indiquent divers niveaux de complexité des peuplements forestiers, correspondant souvent à divers niveaux postulés d’impact anthropique. Il a été obtenu huit chronologies moyennes, standardisées en haute et moyenne fréquences, âgées au maximum de 1744 et au minimum de 1923 ans. A partir de ces chronologies des changements dans les conditions de croissance de peuplements forestiers ont été mises en évidence. Basées sur un ensemble de 71 charbons de bois datés par radiocarbone, il a été mis en évidence, à l’échelle locale et globale, deux principales phases présentant plus d’événements de feux datés, une durant le Pléistocène supérieur/Holocène inférieur, une autre durant l’Holocène supérieur. Pour les deux phases identifiées des forçages climatique et anthropogénique ont été respectivement postulés comme déterminisme des occurrences de feux. Finalement, les différentes données collectées ont été utilisées de façon combinée pour reconstruire l’histoire des feux et des forêts des sites étudiés, afin de contribuer à l’évaluation de leur niveau de naturalité. / Considering two global observations in Central Europe of, firstly, the need for, and development of, sustainable and biological conservation practices for forest and/or woodland areas and, secondly, the lack of long-term fire history, an attempt has been made to reconstruct the fire and the forest history at several investigation sites in Germany. The overall data set gathered and analyzed has been used for on-site naturalness assessment. This latter notion is crucial for forest system conservation/restoration planning, considering the past human impact on forest dynamics. Also, in view of this past human impact on forest systems, which is well-documented for Central Europe, as occurring on a multi-millennium scale, an historical perspective perceptive that combined a long and short temporal scale of investigation was used.Nine investigation sites were selected, in order to include various and representative types of Central European forest. Therefore, the investigation sites were located in two main investigation areas. One is in Northern Germany (Schleswig-Holstein) and includes four investigation sites. The other is in Central Germany (Harz Mountains) and includes five investigation sites. Four main approaches were used. To assess the current state of the investigated site, forest stand characterization was undertaken (i.e. based on various forest attributes that concern stand structure and composition). Tree ring series were analyzed to provide insights about short-term forest tree population dynamics. Then, charcoal records from soil (combined with soil analysis) and peat sequences were qualitatively and quantitatively analyzed. These last two approaches also provide information about the past fire history. Forest current and short-term dynamics illustrated various levels of stand complexity, often corresponding to various levels of human impact that had been postulated. Eight mean site tree-ring chronologies, standardized in high and mid-frequency signal, spanning at a maximum of up to AD 1744 and at a minimum of up to AD 1923, were obtained. The insight, about the identification of events of growing changes and the correlated temporal and, if possible, spatial patterns, was discussed. Charcoal analysis provided a long-term insight about fire history. Based on 71 charcoal radiocarbon dates, it was shown on a macro-scale that there were two phases that had a greater frequency of fire - one during the transition from the late Pleistocene to the early Holocene, and one during the mid- and late Holocene. A strong human control during the most recent fire phase has been postulated. This is supported by on-site soil and peat charcoal record analysis, allowing one to point out the event of environmental changes (disturbances), at local scales. In the end, the on-site data from the various indicators were combined to assess the fire and forest history and the naturalness level of the investigated sites, based on past insights, thereby contributing to a better understanding of the present and helping to anticipate the future.

Les avalanches sont susceptibles d’affecter le réseau routier et les infrastructures bâties, mettant en péril la population. L’extension des avalanches est généralement évaluée à l’aide de modèles physiques et/ou statistiques. Ces modèles sont très performants pour simuler des événements relativement fréquents, cependant, les incertitudes augmentent dès lors que l’on considère des événements plus rares. Il est donc indispensable de valider les procédures de modélisation afin de confirmer les prédictions qui en découlent. Dans ce travail, la dendrogéomorphologie a été utilisée comme un outil de validation. Cette approche se fonde sur le fait que les arbres forment un cerne de croissance par année et que les individus affectés par des processus naturels enregistrent l’évidence d’une perturbation dans leurs cernes. Cette thèse a permis de proposer une nouvelle approche pour l’identification des événements avalancheux fondée sur l’expertise du dendrogéomorphologue et d’évaluer la qualité de l’approche dendrogéomorphologique. Il a également été possible de réaliser une validation croisée entre des avalanches extrêmes prédites par un modèle statistique-dynamique et des informations sur des périodes de retour d’avalanches similaires obtenues à l’aide de l’approche dendrogéomorphologique. Les résultats montrent une très bonne concordance pour des événements dont la période de retour est égale ou inférieure à 300 ans. Finalement, une analyse des relations statistiques avalanche-climat a montré que les arbres enregistrent préférentiellement les événements qui ont eu lieu durant des épisodes froids associés à des tempêtes hivernales accompagnées de fortes précipitations. / Snow avalanches are a significant natural hazard that impact roads, structures and threaten human lives in mountainous terrain. The extent of avalanches is usually evaluated using topographic or statistic models. These models are well capable to simulate contemporary events, but uncertainties increase as soon as longer return periods are investigated. Thus, there is a real need for validation of modelling procedures to corroborate model predictions. In the present work, dendrogeomorphology has been used as a validation tool. This approach is based on the fact that trees affected by mass movements record the evidence of geomorphic disturbance in their growth-ring series and thereby provide a precise geochronological tool for the reconstruction of past mass movement activity. This PhD thesis presents a new tree-ring-based semi-quantitative approach for the identification of avalanche events based on the analytical skills of the dendrogeomorphic expert and proposes an evaluation of the completeness of tree-ring records. Furthermore, this work proposes the first cross-validation of high return period avalanches derived from a locally calibrated statistical-dynamical model and the long-term, higher-return period information gathered from tree-ring records. Comparison of relations between runout distances and return periods between both approaches shows very good agreement for events with return periods of < 300 yr. Finally, a statistical analysis of avalanche-climate relations suggests that tree rings preferentially record events that occurred during cold winter storms with heavy precipitation.

Il est probable que les changements climatiques futurs diminuent la croissance forestière en région tempérée. Cette vulnérabilité des espèces face aux contraintes du climat peut être étudiée via les cernes des arbres. Ces derniers sont en effet des archives du carbone utilisé par les arbres pour leur croissance, en lien avec les caractéristiques spécifiques de gestion du carbone et de réponse au climat. L’objectif principal de cette thèse est de déterminer, à partir des cernes, les réponses fonctionnelles de trois essences forestières tempérées (Fagus sylvatica, Quercus petraea et Pinus sylvestris) aux variations climatiques. Pour cela, nous avons réalisé une approche expérimentale en étudiant deux proxys (ou indices climatiques) : la croissance et la composition isotopique en 13C (δ13C) des cernes, à deux échelles temporelles : interannuelle et saisonnière. A l’échelle interannuelle, sur la période 1960-2007, une étude dendrochronologique a été réalisée sur les trois essences et a été complétée par l’analyse du δ13C des cernes (en relation avec le climat). A l’échelle saisonnière, nous avons déterminé précisément, sur une année (2009), les dynamiques de croissance du cerne et les variations de δ13C intra-cerne. Nos résultats mettent en évidence une sensibilité de la croissance et du δ13C des cernes des trois essences aux sécheresses estivales. Grâce à la complémentarité des proxys et des échelles temporelles, nous avons également trouvé des réponses climatiques contrastées entre espèces. La croissance du Hêtre est la plus réactive au climat d’une année à l’autre. Cette croissance ainsi que le δ13C des cernes sont fortement sensibles aux températures de juillet, en plus des précipitations printanières et estivales. Cette réponse immédiate au climat peut être expliquée par une forte dépendance de la croissance au fonctionnement foliaire et une faible utilisation des réserves carbonées pour assurer le début de la croissance. Le Chêne présente lui des arrières-effets climatiques sur sa croissance, via une forte sensibilité aux sécheresses de l’automne précédent, contrairement aux deux autres espèces. Ce résultat est à mettre en relation avec l’utilisation importante de réserves carbonées par rapport aux assimilats pour la croissance du bois initial, cette dernière étant très rapide, comme nous l’avons observé grâce à l’analyse saisonnière de la croissance. Concernant le Pin, la croissance, parce qu’elle dure plus longtemps que celle des décidues, est influencée par les températures et les précipitations de juin jusqu'à août. Le δ13C des cernes de pins est celui qui enregistre le plus la réponse au VPD, aussi bien à l’échelle saisonnière qu'interannuelle, probablement du fait d’une forte sensibilité de la conductance stomatique à ce paramètre. Les informations fournies par les cernes permettent d’appréhender la survie des espèces face aux changements climatiques futurs et peuvent être utilisées pour comprendre le dépérissement lié à ces changements. / Climate change will probably alter the tree growth in temperate forests. The species vulnerability to climatic constraints can be studied using tree rings. The latter's are natural archives of carbon used for tree growth and are linked to species carbon transfer and response to climate. The main thesis objective was to determine the functional response of three temperate species (Fagus sylvatica, Quercus petraea et Pinus sylvestris) under climatic variations using tree rings. For this, an experimental approach was conducted using two proxies (or climatic indices): the radial growth and the carbon isotope composition in 13C (δ13C) of rings at two time scales: interannual and intra-annual (or seasonal). At interannual scale, over the period 1960-2007, a dendrological study was done for three species and was completed by analysis of ring δ13C (in relation to climate). Over one year (2009) at seasonal scale, we precisely determined the radial growth dynamics and the variations in intra-ring δ13C. Our results highlighted growth and ring δ13C sensitivities to summer droughts. Because of proxy and time-scale complementarities, we have also found contrasted climatic responses among species. The beech growth is the most year-to-year responsive to climate. This growth and ring δ13C were highly sensitive to temperature in July in addition to spring and summer precipitation. This quick response of beech growth to climate could be explained by strong growth dependence to leaf functioning and low carbon reserve use to ensure the growth beginning. Contrary to the two others species, long-term consequences of climate on oak growth were found, via a high sensitivity to previous autumnal droughts. This result could be related to the high use of carbon reserves compared to assimilates for earlywood growth, which was very quick as observed by seasonal growth analysis. Concerning pine, the growth was influenced by temperatures and precipitation from June to August because the growth lasted longer for pine than that of the deciduous species. At both seasonal and interannual scales, the ring δ13C of pine trees was the best recorder of the VPD response, probably because of strong sensitivity of stomatal conductance to VPD. The information provided by tree rings allow to anticipate the species survival under future climate change and could be used to understand the declining due to these changes.

From the Proceedings of the 1971 Meetings of the Arizona Section - American Water Resources Assn. and the Hydrology Section - Arizona Academy of Science - April 22-23, 1971, Tempe, Arizona / The development of tree-ring chronology for bristlecone pine (Pinus aristata), stretching over 8,200 years, has been used to calibrate the radiocarbon time scale. An extensive deposit of driftwood in Stanton's cave in the grand canyon was estimated to have been deposited on the cave floor about 12,000 years ago on the basis of the 4,095-year radiocarbon age of a split-twig figurine on the surface of the cave floor. However, the initial driftwood specimen gave the surprising C-14 age of 35,000 years. A tree-ring dating study was therefore undertaken on driftwood in the grand canyon in order to: (1) evaluate the driftwood deposit in Stanton's cave; (2) provide a basis for interpreting c-14 dates from canyon archaeological sites; and (3) document a technique for deriving some concept of pre-dam hydrology, especially maximum high water levels. The percentage of dated specimens found indicated that the approach was feasible. A likely interpretation of the seemingly early c-14 dates at archaeological sites is that prehistoric man used old driftwood, as does modern man in the canyon. Tree-ring dates from wood above the pre-dam high water mark indicate that maximum 100-year flood evidence can be obtained.

Dans un contexte de changement global, prédire l’évolution de la productivité de la végétation dans le sud-ouest (SO) Sibérien reste un défi du fait d’incertitudes fortes sur les processus régulant la disponibilité en eau et en nutriments. Nous avons mis en évidence des relations entre cycles biogéochimiques, climat et propriétés du sol sur six sites contrastés.La croissance radiale des tiges de peuplier est principalement sensible au bilan hydrique du sol en forêt de steppe, au sud du SO Sibérien, alors qu’elle est stimulée par de hautes températures estivales en sub-taïga, dans le nord de la région.Des mesures de terrain et des simulations du bilan hydrique du sol ont montré que la fonte des neiges est importante pour la recharge des réserves hydriques du sol au sud. Au nord, ces réserves sont souvent rechargées en automne. La fonte des neiges est alors associée à du drainage. De plus, au nord, une épaisse couverture de neige protège le sol du gel en hiver. La distribution des racines fines est plus profonde en forêt de steppe qu’en sub-taïga, impactée par le déficit hydrique et le gel.L’homogénéité du statut en phosphore (P) des sols dans le SO Sibérien montre qu’il n’est pas encore très impacté par la pédogénèse. Les stocks en P élevés, notammen tles formes disponibles pour les plantes, suggèrent que le P n’est pas et ne sera pas limitant dans le futur.La décomposition des litières aériennes et la libération de l’azote (N) sont plus rapides en sub-taïga qu’en forêt de steppe. Un fort drainage pourrait expliquer un transfert profond du N dans les sols en sub-taïga. Cependant ces sols semblent efficaces pour retenir le N, limitant les pertes pour le système sol–plante. / Predicting the evolution of vegetation productivity in SW Siberia in the contextof global change remains a challenge because of major uncertainties concerningthe biogeochemical cycling and the plant-availability of water and nutrients. Weprovided insights on their relation to climate and soil properties, investigating sixcontrasting sites.Aspen stem radial growth is mainly sensitive to soil water budget in the foreststeppezone established in the south of SW Siberia while it is enhanced by highsummer temperatures in the sub-taiga, in the north of the region.Field measurements and water budget simulations revealed that snow-melt isimportant re-filling soil water reserves in the south. In the north, these reservesare mostly re-filled in autumn and snow-melt is associated with drainage. A thicksnow-pack also prevents soil from freezing in winter in the sub-taiga. Water deficitand soil freezing largely impact the distribution of fine roots within the soil profilewhich is deeper in forest-steppe than in sub-taiga.The homogeneous soil phosphorus (P) status in the region investigated revealedthis nutrient has not been yet very impacted by contrasting soil processes. High Pstocks, and in particular plant-available forms, suggest P is unlikely to be limitingunder current and future conditions.By contrast, we found differences in nitrogen (N) status. Above-ground litterdecay and the release of N occurs faster in sub-taiga than in forest-steppe. Higherdrainage may explain deeper N transfer in sub-taiga soils. However, sub-taiga soilsalso seem to be efficient in retaining N, limiting losses from the soil–plant system.

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