Die exakte Bestimmung des energetischen Futterwertes von Grünland ist für die Praxis von großer Bedeutung. Das am häufigsten angewendete Schätzverfahren auf Basis der chemischen Analyse ist für Grünlandbestände mit geringer Nutzungsintensität nicht anwendbar. Ziel der Arbeit war es zu prüfen, ob andere ausgewählte Zellwandparameter (Xylose, Arabinose, pCA, FA, säurelösliches Lignin, ADL:Gesamtlignin) über ein breites Nutzungsspektrum eine engere Korrelation zur Verdaulichkeit der OS haben als die Rohfasergehalte, auf deren Korrelation zur in vivo Verdaulichkeit die Schätzgleichungen auf Basis der chemischen Analyse beruhen. Weitere Ziele waren ein Methodenvergleich verschiedener Schätzverfahren und die Bestimmung des Einflusses der Zusammensetzung der bestandsbestimmenden Einzelpflanzen auf den Energiegehalt der Bestände. Als Probenbasis dienten Pflanzenbestände, die in den Jahren 1996-1998 auf drei unterschiedlichen Versuchsflächen (5, 6 und 7) mit verschiedenen Gräserzusammensetzungen und drei unterschiedlichen Nutzungsformen (intensiv, 3-4 Schnitte, mit (A) bzw. ohne (B) N-Düngung und extensiv (C), 2 Schnitte, später erster Schnitt) im ersten und zweiten Aufwuchs gewonnen worden waren. Alle Bestandsproben (insgesamt 50) und Einzelpflanzen (109) wurden nach der Weender-Analytik analysiert, die Faserbestandteile NDF, ADF und ADL bestimmt, ausgewählte Zellwandparameter analysiert und der HFT-Gastest durchgeführt. Zum Methodenvergleich wurden die von der Gesellschaft für Ernährungsphysiologie (GfE, 1998) empfohlenen Gleichungen auf der Basis des Rohnährstoffgehaltes und der Gasbildung (Gb) sowie die Gleichungen von WEISSBACH et al. (1996, 1999) auf der Basis der enzymunlösbaren organischen Substanz (EuLOS) verwendet. Als Ergebnis dieser umfangreichen Untersuchungen zeigte sich, dass durch den starken Einfluss von Weißklee auf die Gehalte an Hemicellulosemonomeren (der Xylosegehalt von Klee beträgt 22% des Gehaltes in Gräsern) und phenolischen Säuren (pCA-Gehalt im Klee 10% des Gehaltes in Gräsern) in den Proben die Arbeitshypothese einer engen Korrelation dieser Parameter zur Verdaulichkeit nicht bestätigt werden konnte. Das ADL:Gesamtlignin Verhältnis erbrachte die engste Korrelation zur in vivo Verdaulichkeit. Aus diesem Grund wird dieser Parameter als Prüffaktor am geeignetsten betrachtet. Die Einzelpflanzen zeigten in Abhängigkeit zur Nutzung größere Abweichungen als zwischen den Gräserspezies. Der Methodenvergleich erbrachte, dass mit dem untersuchten Probenmaterial die HFT- und EuLOS96-Gleichungen eine sehr gute Übereinstimmung mit den gemessenen Energiewerten aufwiesen. Die erfassten unlöslichen Reste sowohl aus HFT als auch aus der Cellulasemethode (EuLOS) zeigen eine wesentlich engere Korrelation zur Verdaulichkeit als die Gasbildung und ELOS-Werte. / In practice, the accurate estimation of the feed value of grassland is important. The most common method, the calculation of feed value using the chemical analysis of nutrients, is not suitable for grasslands with a low levels of utilisation. Therefor the objective of this study was to test some selected parameters of cell wall for their better suitability of calculating the feed value than the conventional crude fibre content. These parameters were: Xylose, Arabinose, para coumaric acid (pCA), ferula acid (FA), acid soluble Lignin, and the ratio ADL to whole lignin. Further objectives were to compare different in vitro feed value estimation methods and to estimate the influence of the single grass species on the energy content of the grassland. The study samples were different grassland populations harvested during 1996 and 1998, from three different floor spaces (5,6,7) with different grass populations and with three intensities of management 3 to 4 cuts per year, with (A) and without (B) N-fertilizer and 2 cuts (C) with the first cut after the 1st July. The nutrient content, detergent fibre, cell wall parameter analysis, and HFT gas test were analysed for all grass samples (50) and single plant species (109). The recommended formulas based on the nutrienet content and HFT values (GfE, 1998) and based on the enzymatically insoluble organic matter (WEISSBACH et al., 1996, 1999) were used for the comparison of the feed value calculation methods. Based on the results of this extensive analytical work the chosen cell wall parameters xylose, arabinose, xylose: arabinose, pCA and ferula acid were not better suitable for the estimation of energy content. The possible reason for this is that the big differences in xylose and pCA contents between the white clover and grasses on the grassland. The concentration of xylose and pCA in clover is only 22% and 10% of the grasses, respectively. The ratio ADL: whole lignin gave a close correlation to the in vivo digestibility and seems to be the best suitable for estimating the energy content. The management intensity affected the nutrient contents more than the single grass species. The HFT and EuLOS96 - methods provided the lowest deviation to the in vivo values and are best suitable also for the extensively produced samples. The measured insoluble residues of the HFT and cellulase-methods gave closer correlation coefficients than the ml Gb and the cellulase soluble matter.

Le brachypode rameux (Brachypodium retusum) est une espèce herbacée pérenne qui domine les pelouses sèches de Méditerranée occidentale. Dans notre zone d’étude du Sud de la France, la recolonisation spontanée est très faible après perturbation du sol. Cette observation ne correspond pas aux résultats d'études menées dans d'autres régions montrant une capacité de colonisation élevée. L'objectif principal de cette thèse était donc de tester les différentes hypothèses pouvant expliquer les différents patrons de colonisation.Dans un premier chapitre, nous avons testé si ces différents patrons de colonisation résultent d'une différenciation génétique entre les populations. Des marqueurs AFLP ont été utilisés pour analyser la structure génétique de 17 populations de Méditerranée occidentale dont la différenciation neutre entre populations. Dans un sous-échantillon de 13 populations françaises, la différenciation de traits phénotypiques sous sélection a été testée dans un jardin commun et comparée à la différenciation neutre. Dans le deuxième chapitre, nous présentons une étude sur la différenciation adaptative des traits phénotypiques et avons testé une potentielle réponse différentielle à la manipulation de facteurs environnementaux clés. Les deux derniers chapitres de la thèse ont analysé les facteurs environnementaux qui limitent la recolonisation in situ, indépendamment du génotype ou de la population. Dans le troisième chapitre, nous avons testé l’effet du pâturage et du feu sur le recouvrement végétatif ainsi que sur la reproduction sexuée de B. retusum installé. Enfin, dans le quatrième chapitre, nous avons mesuré l’effet de l’arrosage initial et du pâturage sur l’installation de plantules transplantées initialement germées en serre et de plantules issues de semis in situ. Nos résultats ont montré que les populations de B. retusum sont génétiquement différenciées pour les marqueurs neutres mais également pour les traits phénotypiques. Cette différenciation est supérieure à la dérive seule et suggère une adaptation aux conditions environnementales, en particulier aux températures estivales et à la fréquence du gel en hiver. Une réponse différentielle à la manipulation expérimentale de facteurs environnementaux (sol, pâturage, humidité du sol) a confirmé le caractère adaptatif de la différenciation génétique. Les expériences in situ ont montré que le feu a un effet positif sur la reproduction de B. retusum et sur la communauté végétale associée, alors que son recouvrement végétatif n’était pas supérieur à la moyenne de la communauté. L'exclusion du pâturage pendant deux saisons n'a eu d'incidence sur aucun des paramètres mesurés chez les populations adultes. L'arrosage initial a affecté l’installation des plantules au cours de la première saison. Au cours de la deuxième saison, l'effet seul de l’arrosage n'était pas significatif, cependant son effet est resté positif sur la survie uniquement dans les parcelles pâturées. Le pâturage, au début du cycle de vie de B. retusum, a eu un effet négatif sur le recrutement et la croissance des plantules. En conclusion, la différenciation adaptative entre les populations peut avoir contribué aux différences régionales en termes de capacité de colonisation et doit être prise en compte lors du ciblage des populations sources pour l'introduction de plantes en restauration écologique. La réponse positive de B. retusum a indiqué que le feu était une force sélective importante dans le passé qui pourrait être utilisée pour favoriser l'espèce et la communauté végétale associée dans des opérations de conservation et de restauration. L'exclusion du pâturage à court terme est tolérée par les populations adultes de B. retusum, mais l'abandon à long terme entraîne une diminution de son recouvrement par rapport aux graminées pérennes à croissance rapide. / Ramose false brome (Brachypodium retusum) is a perennial herbaceous species that dominates dry grasslands of the Western Mediterranean. In our southern French study area, spontaneous re-colonisation is very low after soil disturbance. This observation does not correspond to the results of studies from other regions showing a high colonisation capacity. The major objective of this PhD thesis was to test different hypotheses potentially explaining the different colonisation patterns.In the first chapter, we tested whether these different colonisation patterns are the result of genetic differentiation among populations. AFLP markers were used to analyse genetic structure including neutral population differentiation in 17 Western Mediterranean populations. In a sub-sample of 13 French populations, differentiation in phenotypic traits under selection was tested in a common garden and compared to neutral differentiation. In the second chapter, we present a study on adaptive differentiation in phenotypic traits testing a potentially differential response to the manipulation of key environmental factors. The last two chapters of the PhD analysed environmental factors that limit re-colonisation in the field independent of genotype or population. In the third chapter, we tested the effect of grazing and fire on vegetative recovery as well as on sexual reproduction of established B. retusum and in the fourth chapter we measured the effect of initial watering and grazing on the establishment of transplanted seedlings pre-grown in a greenhouse and of field-sown seedlings.Our results showed that populations of B. retusum are genetically differentiated in neutral markers but also in phenotypic traits. This differentiation is superior to drift alone and suggests adaptation to environmental conditions, particularly to summer temperature and winter frost frequency. A differential response to experimental manipulation of environmental factors (soil, pasture, soil moisture) confirmed the adaptive character of genetic differentiation. The field experiments showed that fire has a positive effect on B. retusum reproduction and on the associated community whereas vegetative recovery was not higher than community average. Two seasons of grazing exclosure did not affect any of the measured parameters in adult populations. Initial watering affected seedling establishment in the first season. In the second season, the watering main effect was not significant but interestingly the effect remained positive on survival in grazed plots whereas no such effect was observed in exclosures. Grazing in early life cycle stages of B. retusum had a negative effect on seedling recruitment and growth.In conclusion, adaptive differentiation between populations may have contributed to regional differences in colonisation capacity and needs to be taken into account in targeting source populations for plant introduction in ecological restoration. The positive response of B. retusum indicated that fire was an important selective force in the past which may be used to favour the species and its associated plant community in current conservation and restoration management. Short-term grazing exclosure is tolerated by mature B. retusum populations but long-term abandonment results in a decrease of cover relative to high-growing perennial grasses. In early stages of seedling establishment grazing should be avoided to guarantee introduction success - or grazing stress needs to be compensated by watering.

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Interference of natural environment by invasive plants is a global concern. In South Africa and in particular Gauteng Province, interference of natural land by invasive plants that originated from other countries has been an endemic problem. These invasive plants pose a threat to biodiversity as a result of its wild and wide dispersion rate where it spreads into neighbouring Provinces such as Mpumalanga, Limpopo, North West and the Free State. Pompom weed is aggressive to control and can spread by means of both wind and water. This research project investigates problems associated with ineffective control of invasive plants in general and pompom weed in particular. State organs, Non Governmental Organisations (NGOs) and farming communities were identified as relevant respondents in this study. Three hundred (300) validated questionnaires were distributed to these stakeholders and 286 were adequately completed and received. These were analysed and the data interpreted. Results obtained showed that lack of coordination and teamwork from all stakeholders are responsible for ineffective control of invasive plants in the country. The use of biological control was recommended for the control and eradication of the invasive plants. / Environmental Sciences / M.A. (Environmental Management)

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: Conservation planners use many traditional biodiversity conservation tools to help alleviate the global biodiversity crisis. However, ongoing biodiversity loss has stimulated the development of new and improved methods for conserving biodiversity. One such new conservation tool is the mesofilter approach. Mesofilters are biotic or abiotic ecosystem elements which are critical to the well-being of many species, and therefore could help to explain spatial heterogeneity in species across a landscape. It is also complementary to more traditionally used concepts such as coarse- and fine-filter conservation concepts. Applying the mesofilter approach in protected area, conservancy, or land-sparing design and management, could optimise biodiversity conservation in a rapidly developing world. For example, the timber industry has been pro-active in its approach to lessen biodiversity loss, by optimising design and management of the plantation matrix through ecological networks. Here, I explore the use of mesofilters within highly threatened remnant Afro-montane grasslands in KwaZulu-Natal, South Africa, to optimise biodiversity conservation planning for such landscapes. As per anecdotal evidence, I used rockiness in the landscape as a possible driver of species richness and species assemblage variability at the meso-scale, using a multi-taxon and multi-trophic approach. In this montane landscape, I also examined the effect of elevation on spatial heterogeneity of taxa. I further examined the functional responses of taxa to rockiness in the landscape. Rockiness in the landscape significantly influenced the species richness and assemblage structure of three key grassland taxa: flora, butterflies, and grasshoppers. I showed that for plants, this response was due to growth forms such as geophytes and perennial grasses that were more closely associated with rockiness, and therefore the main contributors to observed differences in the dispersion patterns of flora. Grasshoppers were not necessarily responding to higher rock exposure per se, but rather towards the environmental conditions created by rockiness within the landscape, such as lower vegetation density. For butterflies, certain behavioural traits, such as resting, territorial behaviour and/or mate-locating behaviour, were more typical in areas of higher rock exposure. This suggested that rocks are a definite habitat resource to certain butterflies. Overall, this finding where an abiotic surrogate is representative of key taxa in an ecosystem is interesting, as cross-taxon surrogacy has been shown to be stronger than surrogates based on environmental data. Furthermore, taxa responded functionally to rockiness in the landscape. This thesis therefore supports the idea that environmental surrogates are indeed useful for biodiversity conservation planning. Furthermore, ecosystems can potentially have many attributes or features that would be of conservation interest, and delineating a set of mesofilters is a useful way of expressing particular attributes to be used in wildlife conservation evaluation. The concept of the mesofilter as a practical biodiversity conservation tool is therefore validated here. I also argue the importance of habitat heterogeneity for biodiversity conservation planning in this montane grassland landscape. The potential for optimising the design of landscape configurations such as ecological networks, through information obtained from the mesofilter, is emphasised. We can safely add another tool in the biodiversity conservation toolbox of this Afro-montane grassland ecosystem. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Bewaringbeplanners gebruik tans baie tradisionele biodiversiteit-bewarings metodes om die huidige biodiversiteits krisis te help verlig. Tog, die huidige voortdurende verliese in biodiversiteit wêreldwyd, vra na nuwer en verbeterde metodes van biodiversiteit-bewaring. Een so ‘n nuwe bewaring metode, is die mesofilter. Mesofilters is biotiese of abiotiese ekosisteem elemente wat kritiek is tot die welstand van spesies, en daarom veral waardevol is om variasie in spesies verspreiding in ‘n landskap te help verduidelik. Daarby is die mesofilter konsep ook komplementêr tot meer tradisioneel gebruike bewaringskonsepte, soos fyn-filter en breë-filter konsepte. Deur die mesofilter benadering toe te pas in die ontwerp en bestuur van beskermde areas, bewaareas, of land-spaar initiatiewe, kan ons biodiversiteitbewaring in ‘n vining ontwikkelende wêreld optimaliseer. Byvoorbeeld, die bosbou industrie is pro-aktief in hul benadering om biodiversiteit verliese te verminder, deur optimalisering van die ontwerp en bestuur van ekologiese netwerke in die plantasiematriks. In hierdie tesis, ondersoek ek die gebruik van mesofilters in hoogs bedreigde oorblyfels Afrikaberg grasvelde in KwaZulu-Natal, Suid-Afrika, om die bewaringsbeplanning van dié gebiede te optimaliseer. Vanaf anekdotiese bewyse, het ek spesifiek gebruik gemaak van klipperigheid in die landskap as ‘n moontlike drywer van spesies-rykheid en spesies-samestelling variasie by ‘n meso-skaal, deur ‘n multi-takson en multi-trofiese benadering. In hierdie berglandskap, het ek ook die effek van hoogte bo seevlak op ruimtelike verspreiding van taksa bestudeer. Verder het ek ook gekyk na die funksionele reaksie van taksa tot klipperigheid in die landskap. Klipperigheid in die landskap het ‘n beduidende invloed gehad op spesies-rykheid en spesiessamestelling van drie sleutel grasveld taksa: plante, skoenlappers, en springkane. Ek wys dat vir plante, hierdie reaksie as gevolg was van spesifieke plantgroeivorme, soos bolplante en meerjarige grasse, se noue verband met klipperigheid, en daarom, dat hierdie groepe die hoof bydraers is tot gesiene variasie in plantspesies verspreiding in die landskap. Vir springkane, was hierdie reaksie nie noodwendig omdat hulle die klippe self gebruik het nie, maar meer as gevolg van die omgewingskondisies geskep deur verhoogde klipperigheid in die landskap, soos laer plantegroei digtheid. Vir skoenlappers, was hierdie reaksie tot klippe as gevolg van sekere gedragskaraktereienskappe, soos rus op klippe, gebied beskerming en/of paarmaat soektog, wat tipies meer gesien was in klipperige omgewings. Dit dui daarop dat klippe ‘n definitiewe habitat hulpbron is vir sekere skoenlappers. Oor die algemeen is hierdie bevinding, waar abiotiese surrogate verteenwoordig is van drie sleutel taksa in ‘n ekosisteem, baie interessant, siende dat tussen-takson surrogate soms gesien word as sterker as surrogate gebaseer op omgewingsdata. Verder, taksa het funksioneel gereageer teenoor die klippe in die landskap. Hierdie tesis ondersteun dus die idee dat omgewingssurrogate wel nuttig is vir biodiversiteit-bewaring beplanning. Ekosisteme mag vele potensiele elemente van bewarings belang bevat, maar om sulke elemente as ‘n stel mesofilters te klassifiseer, is ‘n nuttige manier om spesifieke elemente te gebruik in natuurbewarings evaluasie initiatiewe. Gevolglik word die konsep van die mesofilter as ‘n praktiese biodiversiteit-bewaring gereedskapstuk hier bevestig. Ek beredeneer ook die belangrikheid van habitat heterogeniteit vir biodiversiteit-bewaring van hierdie berggrasveld landskap. Die potensiaal vir optimalisering van ontwerp en bestuur van landskap konfigurasies, soos ekologiese netwerke, word beklemtoon. Ons kan met veiligheid nog ‘n gereedskapstuk plaas in die biodiversiteitbewarings gereedskapkis van hierdie Afrikaberg grasveld ekosisteem.

L'un des moyens pour faire face à la réduction de l'utilisation d'intrants de synthèse est de favoriser durablement les services agro-écologiques de la diversité végétale. Pour cela, l'agriculteur devra adapter ses modes de gestion. Ma thèse s'inscrit dans l'objectif finalisé d'apporter à l'agriculteur, de l'aide à la gestion de cette diversité végétale sur le territoire de son exploitation. Je me suis fixé 2 objectifs de recherche : i) vérifier si les interchamps et le stock semencier constituent des sources d'espèces pour le centre des parcelles agricoles et ii) quantifier l'influence de la dynamique de deux grands groupes de facteurs, représentée sous la forme de trajectoires de parcelles, sur la diversité végétale : les pratiques agricoles et les caractéristiques de la mosaïque paysagère.J'ai mené ce travail sur l'ensemble du parcellaire de l'Installation Expérimentale de l'Inra ASTER Mirecourt, dont les systèmes de production (polyculture-élevage bovin laitier) sont convertis à l'agriculture biologique depuis 2004. J'ai caractérisé la végétation - en place dans les interchamps et au centre des parcelles, et dans le stock semencier - des parcelles en prairies permanentes et en champs cultivés selon deux approches complémentaires : taxonomique au rang de l'espèce et fonctionnelle à partir de sept propriétés rendant compte de la dissémination, de l'établissement et de la survie des espèces végétales. J'ai caractérisé les trajectoires des parcelles, sur une durée de neuf ans, soit à partir des pratiques agricoles mises en œuvre chaque année, soit à partir des caractéristiques annuelles de la mosaïque paysagère. Cette mosaïque correspond aux différentes occupations du sol obtenues à partir de relevés de terrain ou d'enquêtes auprès des exploitants.Je montre que le stock semencier et les interchamps ne constituent pas des sources potentielles d'espèces végétales pour le centre des parcelles, champs cultivés ou prairies permanentes. En revanche, ce sont des refuges importants pour une grande partie des espèces prairiales. Au vu de mes résultats, je fais l'hypothèse que les interchamps sont des puits d'espèces adventices en champs cultivés. J'ai également mis en évidence que le gradient fonctionnel de la végétation prairiale entre la bordure et le centre s'étend jusqu'à 2 m seulement.Enfin, la diversité végétale des parcelles étudiées est principalement influencée par la trajectoire des parcelles selon les caractéristiques de la mosaïque paysagère et par les pratiques agricoles mises en œuvre durant l'année en cours. Les caractéristiques du sol ont un rôle très minoritaire. Ces trois groupes de facteurs expliquent à eux seuls plus des trois quarts de la variabilité de la composition fonctionnelle de la végétation.La gestion de la diversité végétale des parcelles agricoles d'une exploitation peut donc être menée en partie par l'agriculteur. Cependant, compte-tenu des effets de la trajectoire des parcelles selon les caractéristiques paysagères, il est nécessaire de mettre aussi en place une gestion collective de la végétation entre les différents acteurs partageant le territoire / One of the means to offset the decrease of pesticide use is to favour agro-ecological services of plant diversity. In this aim, farmer will have to adapt its farming management. My work partly answers to the following applied objective: to bring to the farmer some advices for the management of plant diversity on the farm territory. I have two scientific objectives: i) to verify if field boundaries and soil seed bank are potential sources of plant species for field centres; ii) to quantify the relative influence of dynamics of two factor groups, characterized as field paths, on plant diversity: farming practices and characteristics of landscape mosaïc.I have carried out this study on the experimental farm of INRA ASTER Mirecourt. Its farming systems (mixed crop-dairy systems) have been converted to organic farming since 2004. I have characterized vegetation - established vegetation in field boundaries and in field centres, and vegetation in the soil seed bank - of permanent grasslands and arable fields with complementary approaches: taxonomical approach based on the species, and functional approach based on seven functional properties about dispersal, establishment and persistence of plant species. I have characterized field paths, along nine years, either from farming practices set up on field, either from annual characteristics of landscape mosaïc. I have represented this landscape mosaïc as a mosaïc of distinct land-uses. All of them and their spatialization have been determined from farmer surveys or landscape observations.My results show that soil seed bank and field bboundaries are not potential sources of plant species for field centres, in both permanent grasslands and arable fields. On the other hand, they are efficient refuges for a large part of grassland species. According to my results, I hypothesize that field boudaries are species sinks in arable fields. I also highlight that functional gradient of grassland vegetation in the field edge, between field margins and field centres, is spread until 2 m only.Finally, plant diversity in studied fields is mainly influenced by field path according landscape mosaïc and by farming practices set up the same year of vegetation sampling. Soil characteristics have a minor influence. These three groups of influent factors explain more than 75 % of the functional composition variability of the vegetation in field centres.The management of plant diversity in agricultural fields of a given farm can be partly reach by the farmer. However, according to the effects of field paths about landscape mosaïc, it is necessary to set up a collective management of plant diversity with all actors sharing the studied territory

En Europe, les prairies permanentes représentent l’une des principales formes d’utilisation des terres. La durabilité des services rendus par ces écosystèmes est étroitement liée à la structure et au fonctionnement des communautés végétales qui les composent. La stabilité des processus écosystémiques, sous l’impact des fluctuations environnementales, va alors dépendre des mécanismes de résistance et de récupération propres à ces communautés. Les risques d’apparition d’extrêmes climatiques liés à l’évolution du climat, rendent nécessaire une adaptation des agro-écosystèmes à cette fluctuation climatique accrue. Cela implique de mieux comprendre les mécanismes par lesquels la variabilité du climat influe sur le fonctionnement et la structure des communautés végétales, et comment les pratiques agricoles impactent ces réponses. Cette thèse à pour objectif d’évaluer la vulnérabilité des prairies permanentes à un extrême climatique combinant une canicule et une sécheresse, dans un contexte de changement climatique. Afin d’identifier et de caractériser les mécanismes intrinsèques de la résistance à la sécheresse des communautés végétales, une démarche expérimentale mobilisant les concepts de l’écologie fonctionnelle a été développée. Les effets de la variabilité climatique sur la structure (diversité, composition) et le fonctionnement des communautés végétales ont d’abord été analysés in situ pendant 3 ans, après simulation d’une canicule-sécheresse dans les conditions climatiques actuelles et sous climat modifié (réchauffement et réduction des précipitations). Pour évaluer l’influence de la gestion sur la réponse des communautés végétales aux perturbations climatiques, deux fréquences de fauches ont été appliquées. Ce travail présente l’originalité d’avoir étudié conjointement le fonctionnement aérien et souterrain de la végétation. Sont considérées la production de biomasse, la démographie et la durée de vie des racines, afin de déterminer le rôle du système racinaire dans la résistance et la récupération des communautés végétales après une canicule sécheresse. Nous montrons un effet direct de l’extrême climatique sur la sénescence aérienne et la croissance racinaire dans les deux régimes de fauches. En réponse à un déficit hydrique modéré, la stratégie d’évitement au stress par le maintien de la croissance racinaire a été favorisée par des fauches non fréquentes. A l’automne suivant, les précipitations ont permis un reverdissement rapide de la couverture végétale et la production de nouvelles racines. Une baisse significative de la production de biomasse aérienne annuelle sous climat modifié, et suite à l’application de l’extrême climatique, a été observée pendant les 3 années d’expérimentation. En revanche, la production racinaire n’a pas été significativement affectée. Néanmoins une acclimatation de la croissance racinaire a été mise en évidence un an après l’extrême, en particulier dans les communautés de fauches non fréquemment. Ces changements de fonctionnement aériens et souterrains peuvent s’expliquer en partie par des modifications de la composition botanique. De plus, en réponse aux perturbations climatiques, la mortalité racinaire a été interrompue. Ces résultats inattendus ont donc entrainé une augmentation de la durée de vie des racines et suggèrent un effet négatif sur le turnover racinaire et les cycles biogéochimiques. Une expérimentation complémentaire à l’étude in situ a été menée en conditions semicontrôlées pour déterminer les mécanismes intrinsèques de la résistance à la sécheresse de la prairie permanente. Des traits morphologiques et physiologiques, aériens et souterrains, ont été mesurés sur des monocultures de sept populations prairiales en conditions optimales, puis en conditions de sécheresse afin de caractériser leurs stratégies de survie. Les résultats ont mis en évidence le rôle du système racinaire dans la survie des plantes. (...) / In Europe, grassland is one of the dominant forms of land use. The sustainability of their environmental and ecological services is linked to plant community structure and functioning. Under climatic constraints, the stability of community functioning will depend on plant resistance and recovery mechanisms. Actually, increase in climate variability linked to climate change, is expected to lead to more frequent and more intense climate extremes.Therefore, it is necessary to adapt ecosystem management to climate variability increase. This imply to improve our knowledge on mechanisms by which climate drivers modify the structure and the functioning of plant community, and to determine how the agricultural practices affect these responses. Therefore, this study aimed to characterise vulnerability of perennial grassland to combined heat wave and severe drought and to determine mechanisms of plant community resistance to drought. For this, an experimental approach was developed based on the functional ecology concepts. The effect of climate variability on the structure (diversity and composition) and the functioning of plant community were first analyzed in situ during three years. Microclimate of the vegetation was manipulated to simulate warming, precipitation reduction, heat wave combined to severe drought. To analyse the role of grassland management in plant community responses to climate disturbances, two contrasted cutting frequencies were applied. This work has the originality to analyse both above- and below-ground processes of plant community. Thus, above- and below-ground biomass production, root demography and longevity were considered to determine the role of root system in resistance and recovery of plant community after a severe drought. In both cutting frequencies, our results showed direct effects of climate extreme on leaf senescence and root growth. However, in response to moderate water deficit, drought avoidance through maintenance of root growth was favoured by infrequent cutting frequency. After rehydration in the following autumn, canopy greenness and root growth rapidly recovered. Annual above-ground production was significantly decreased by climate change and climate extreme during the three years of the experiment. However no effect was observed on root production but acclimation of root growth was observed one year after the climate extreme, particularly under infrequent cuts. Plant community structure was significantly modified be climate disturbance and could explain change in community functioning. In addition, root mortality was surprisingly decreased in response to climate disturbance that consequently increases root longevity. These results suggest negative effects of climate disturbances on root turnover with lasting effects on nutrient cycles.To determine intrinsic mechanisms of plant community for drought resistance and recovery, an additional experiment was carried out in semi-controlled conditions. Therefore, morphological and physiological leaf and root traits were measured under full irrigation, moderate and severe drought on monocultures of seven perennial grassland populations to study plant functional strategies of drought survival. Roots were implicated in drought avoidance by maintaining water uptake and drought tolerance by accumulating sucrose and/or fructans. Morphological and physiological root traits were thus correlated to plant survivalafter drought. (...)

La présence de plantes accélère la décomposition de la matière organique du sol (MOS) au travers de l’apport de composés riches en énergie (rhizodépôts et litières) stimulant les microorganismes ; un phénomène appelé « rhizosphere priming effect » (RPE). Une augmentation de la photosynthèse, activité pourvoyeuse d'énergie rhizodéposée, pourrait augmenter le RPE et l’offre du sol en nutriments. Récemment, le modèle SYMPHONY couplant activités photosynthétiques et microbiennes du sol suggère un ajustement de l'offre du sol en nutriments (delta minéralisation-immobilisation) à la demande des plantes. Cependant, le rôle clé de la photosynthèse sur cet ajustement offre-demande reste à étudier expérimentalement.L’objectif général de la thèse est d'étudier le rôle des interactions des activités photosynthétiques et microbiennes du sol dans les régulations des flux de carbone (C) et d'azote (N) des écosystèmes. Trois écosystèmes types ont été étudiés : la prairie, la monoculture de blé et un nouveau système de culture (NSC) associant blé et plantes pérennes de la prairie. Nous émettons l’hypothèse que les plantes pérennes, via une activité photosynthétique pourvoyant les microorganismes en énergie tout au long de l'année, sont essentielles à l'ajustement offre-demande en N. De nombreux défis techniques ont été relevés afin de construire une plateforme expérimentale de 40 mésocosmes sous éclairage et température naturels. Cette plateforme permet de coupler marquage 13C des plantes, mesures continues des échanges de CO2, du RPE, de la production végétale, du stockage de C du sol, le taux de minéralisation-immobilisation d'N et du lessivage d'N. Ce dispositif nous a permis de déterminer la contribution du RPE dans les flux de C des écosystèmes comprenant la production nette de l’écosystème (NEP), la production primaire brute (GPP) et la respiration de l’écosystème (RE) exprimées en g C m-2 24h-1. Nous avons montré une relation positive linéaire entre (1) RPE et GPP et (2) RPE et biomasse aérienne (AGB) (g C m-2). A partir de ces relations, le RPE peut être prédit en utilisant les équations suivantes : (...). Nous montrons un ajustement offre-demande de l’N au cours des saisons : une forte activité photosynthétique (printemps) est liée à un RPE et un delta minéralisation-immobilisation d’N élevés alors qu’une faible activité photosynthétique (automne) est liée à un RPE et un delta minéralisation-immobilisation d’N faibles. Cet ajustement était observé dans la prairie et dans le NSC mais pas en monoculture de blé. Logiquement, la lixiviation d’N était importante en monoculture de blé alors qu’elle était quasi nulle en prairie et dans le NSC. Après deux années de maintien des trois écosystèmes types, la production aérienne totale du NSC était équivalente à la prairie, tous deux étant supérieurs d’environ un facteur deux à la monoculture de blé. Ces résultats confirment l’importance des plantes pérennes dans la synchronisation offre-demande de l’N. L’ensemble de ces investigations souligne l’importance des activités des plantes et des processus rhizosphériques dans la régulation des cycles CN des écosystèmes. Ces régulations pourront être étudiées in situ et à l'échelle globale grâce aux proxys de ces processus rhizosphériques (RPE, ajustement offre-demande) déterminés dans la thèse. Des activités photosynthétiques et rhizosphériques tout au long de l'année sont essentielles à l'ajustement offre-demande en nutriments conduisant à une forte production primaire, à la fermeture des cycles des nutriments et au stockage de MOS. Ces découvertes offrent l'opportunité de construire de nouveaux systèmes de culture, à l'image de l’association blé-plantes pérennes étudiée, à hautes performances agro-environnementales. / The presence of plants accelerates the decomposition of soil organic matter (SOM) through the supply of energy-rich compounds (rhizodeposits and litter) stimulating microorganisms; a phenomenon called rhizosphere priming effect (RPE). An increase of photosynthesis, supplying soil with rhizodeposited energy, could increase the RPE and soil nutrients offer. Recently, the SYMPHONY model coupling photosynthesis and soil microbial activities suggested an adjustment of the soil nutrient offer (delta mineralization-immobilization) to plant demand. However, the key role of photosynthesis in this offer-demand adjustment needs to be investigated experimentally.The general objective of the thesis is to study the role of interactions between photosynthesis and soil microbial activities in the regulation of carbon (C) and nitrogen (N) fluxes of ecosystems. Three ecosystem types were studied: grassland, wheat monoculture and a new cropping system (NSC) where wheat and perennial grassland species were intercropped. We hypothesize that perennial species, through a continuous photosynthetic activity supplying microorganisms with energy over the year, are essential for offer-demand adjustment.Many technical challenges were overcame to build an experimental platform of 40 mesocosms under natural light and temperature. This platform allows to couple 13C labeling of plants, continuous CO2-exchange measurements, RPE, plant production, soil C storage, N mineralization-immobilization turnover and N leaching.This experimental platform allowed us to determine the contribution of RPE to C fluxes of ecosystems including net ecosystem production (NEP), gross primary production (GPP) and ecosystem respiration (ER) expressed in g C m-2 24h-1. We found positive linear relationships between (1) RPE and GPP and (2) RPE and aboveground biomass (AGB) (g C m-2). Using these relationships, the RPE can be predicted with the following equations: (...).We show an adjustment of soil N-offer to plant N-demand across seasons: a high photosynthetic activity (spring) is linked to high RPE and delta mineralization-immobilization of N whereas a low photosynthetic activity (autumn) is linked to low RPE and delta mineralization-immobilization of N. This adjustment was observed in grassland and NSC but not in wheat monoculture. Consistently, N leaching was high in wheat monoculture while it was almost null in grassland and NSC. After two years of establishment of the three ecosystems, the total aboveground production of the NSC was equivalent to the grassland, each being about twice as high as the wheat monoculture. These results confirm the importance of perennial species in the offer-demand adjustment of N.Our findings underline the importance of plant activities and rhizosphere processes in the regulation of ecosystems C N cycles. Using the proxies of rhizosphere processes (RPE, offer-demand adjustment) provided in the thesis, further studies could investigate these regulations in situ and at the global scale. The presence of photosynthetic and rhizospheric activities over the year are essential for offer-demand adjustment of nutrients leading to high primary production, closing nutrient cycles and SOM storage. These findings offer the opportunity to build new cropping systems such as the wheat-perennial species studied, with high agro-environmental performances.

Traditional agriculture has played an important role in shaping the landscape for thousands of years. Agriculture and interactions between humans and their surroundings have changed since the beginning of historic time in Sweden, approximately 1000 years ago. Through botanical macrofossil analysis of plant remnants found in an urban ditch in Sigtuna, Sweden, I examine which natural landscapes the town’s inhabitants may have interacted with in terms of resource collection in the beginning of the Medieval period. The results showed indications of predominantly nutritious wet grassland habitats, but also dry grassland and forests, as well as remnants of urban and cultivated species. The species indicate that the resources may have been used as winter fodder for animals, but possibly also as sustenance for humans as well as building material. The results indicated little change over time, regarding which landscape types were interacted with, but there were possible indications of a decrease in grassland resource collection in the youngest sample from 1150 A.D. Further research is needed to understand the indication. The material indicates that the Cyperaceae family will be instrumental in continuing this research.

Comprendre comment la biodiversité des prairies répond aux changements d’utilisation des terres constitue un enjeu majeur pour la conservation de la biodiversité et le maintien des services écosystémiques dans les paysages agricoles. Dans ce travail de thèse, nous avons cherché (i) à analyser la réponse simultanée d’un ensemble de taxons appartenant à différents niveaux trophiques (plantes, herbivores, pollinisateurs, prédateurs) aux changements d’utilisation des terres agissant à différentes échelles spatiales et temporelles ; (ii) à approcher les mécanismes impliqués dans cette réponse et notamment le rôle des interactions trophiques. Notre approche est basée sur l’utilisation de multiples traits fonctionnels liés à l’acquisition des ressources, la taille et la mobilité des organismes. Nous avons testé la réponse de ces traits à l’histoire des paysages, leur configuration et leur composition. Nous montrons qu’il existe une réponse générale de la diversité fonctionnelle multitrophique aux changements d’utilisation des terres. Nous mettons en évidence l’importance des effets historiques du changement d’utilisation des terres à l’échelle des paysages agricoles menaçant le maintien de communautés fonctionnellement diversifiées dans ces paysages. En considérant un set de traits multiples, notre travail a permis d’approcher certains mécanismes par lesquels les changements d’utilisation des terres présents et passés impactent différentes facettes de la biodiversité. Enfin, l’utilisation des traits fonctionnels a permis d’appréhender l’importance des interactions trophiques et leur implication dans la structuration des communautés animales dans les milieux agricoles. / Understanding how grassland biodiversity responds to land use intensification is crucial for both biodiversity conservation and the management of key ecosystem services in agricultural landscapes. My PhD aims at (i) identifying and generalising the effects of land use intensification operating at different spatial and temporal scales across multiple taxonomic groups and trophic levels (plants, herbivores, pollinators, predators and top-predators) ; (ii) investigating the underlying mechanisms of biodiversity response, and particularly the role of trophic interactions. We used multiple functional traits related to resource acquisition, the size of the organisms and their mobility. We tested how multitrophic functional trait diversity responded to landscape history, composition and heterogeneity. Considering multiple taxonomic groups simultaneously, our study brings out a clear response of overall biodiversity to land use intensification. We found that legacy effects of land use intensification operating at the landscape scale are major drivers of present-day multitrophic functional trait diversity in agricultural landscapes. By considering a core set of organismal traits reflecting similar functions across trophic levels, our approach reveals multiple dimensions by which land use intensification filters out biodiversity over time and allows us to generalise its effect across multiple trophic levels and trait-spectrum. Finally, trait-based approach allowed us to assess the importance of trophic interactions and their contribution in shaping animal communities in agricultural landscapes.