<p>Drylands, comprising arid and semi-arid areas and the dry subtropics, over some 40% of the world's land area and support approximately 2 billion people, including at least 1 billion who depend on dryland agriculture and grazing. 10-20% of drylands are estimated to have already undergone degradation or desertification, and lack of monitoring and assessment remains a key impediment to preventing further desertification. Change in vegetation cover, specifically in the spatial organization of vegetation may occur prior to irreversible land degradation, and can be used to assess desertification risk. Coherent spatial structures arise in the distribution of dryland vegetation where plant growth is localized in regular spatial patterns. Such "patterned vegetation" occurs across a variety of vegetation and soil types, extends over at least 18 million ha, occurs in 5 continents and is economically and environmentally valuable in its own right.</p> <p>Vegetation patterning in drylands arises due to positive feedbacks between hydrological forcing and plant growth so that the patterns change in response to trends in mean annual rainfall. Mathematical models indicate that vegetation patterns collapse to a desertified state after undergoing a characteristic set of transformations so that the condition of a pattern at any point in time can be explicitly linked to ecosystem health. This dissertation focuses on the mathematical description of vegetation patterns with a view to improving such predictions. It evaluates the validity of current mathematical descriptions of patterning for the specific case of small-scale vegetation patterns and proposes alternative hypotheses for their formation. It assesses the significance of seed dispersal in determining pattern form and dynamics for two cases: vegetation growing on flat ground with isotropic patterning, and vegetation growing on slopes and having anisotropic (i.e. directional) patterning. Thirdly, the feedbacks between local biomass density and infiltration capacity, one of the positive feedbacks believed to contribute to patterning, are quantified across a wide range of soil and climatic conditions, and new mathematical descriptions of the biomass-infiltration relationship are proposed. Finally the influence of land surface microtopography on the partitioning of rainfall into infiltration and runoff is assessed.</p> / Dissertation

À l’échelle macroscopique, à savoir celle du paysage, la couverture végétale des milieux arides apparaît comme fortement hétérogène. Cette organisation spatiale des peuplements est habituellement attribuée aux processus de facilitation et de compétition qui opèrent à l’échelle microscopique des individus végétaux. Le qualificatif d’auto-organisées fut donc attribué à ces végétations qui se structurent en l’absence d’hétérogénéité préexistante du milieu physique. L’auto-organisation de la végétation fut particulièrement bien étudiée dans le cas des structures périodiques connues dès les années '50 sous le nom de brousses tigrées. Depuis les années '90, un pas en avant dans la compréhension de ce phénomène fut accompli grâce au développement de modèles mécanistes de la dynamique de la phytomasse et des ressources, émanant du cadre théorique de l'auto-organisation des structures dissipatives. Ces modèles se rejoignent sur un ensemble de prédictions robustes et vérifiables concernant la formation, le maintien et la modulation par l'environnement des structures macroscopiques. Durant le même laps de temps, notre niveau d’analyse a connu une expansion sans précédent, à la fois dans le temps et dans l’espace, grâce au développement de l’imagerie satellitaire et des outils d’analyse spatiale. Nous nous trouvons dès lors à un moment charnière pour la validation macroscopique des théories d’auto-organisation des végétations en milieu aride. Le présent travail s'articule en quatre études, chacune traitant d'une prédiction différente. Nous avons mis en évidence les principales variables responsables de la formation des structures et de leur modulation en termes d’échelle et de géométrie. Enfin avons démontré la mobilité des structures sous l’effet d’une pente de terrain.

Meandering rivers and associated vegetation communities are highly dynamic systems that interact through various geomorphic and successional processes. However, much is still unknown about these interactions. Studies that focus on system integration rather than examining fluvial-related and vegetation dynamics individually will benefit science and the management of river systems. Tree communities in riparian areas, although consisting mainly of bottomland hardwood species, can be very diverse. Diversity has been linked to environmental influences such as meander migration, and changes in elevation and soil texture. This study focused on a single meander bend of the lower Trinity River in southeast Texas. The purpose of this research was to examine interactions between soil texture variation and the establishment and succession of riparian tree communities, as such interactions contribute to the formation of complex riparian landscapes. A bend-scale approach was utilized to provide a detailed study of vegetation pattern and of soil texture resulting from sedimentation processes, to examine for any relationships between them. Aerial imagery was used to assist in interpreting patterns of vegetation succession. The field portion of the study collected species and size class data on trees and soil samples for textural analysis. These data were analyzed separately to understand variations in tree communities and soils, but also together, to determine any relationships between soil texture and what tree communities are able to establish. Mean annual flow data from gauges upstream and downstream of the site were analyzed for changes in flow following dam construction upstream, as river regulation could potentially alter the vegetation establishment regime. Results showed five distinct communities or zones of vegetation. Soils on the site were strongly skewed toward finer sands and high silt and clay content. Zone locations and community structure were not directly related to soil texture; however, given species had clear relationships of relative density or dominance with specific soil textures. No changes in flow were noted between pre- and post- dam construction periods, indicating that the riparian system at this site may operate under near-natural conditions. Further studies in species-soil texture interactions, and for rare and invasive species in particular, may prove beneficial in improving understanding of the complex functioning of riparian systems and in providing valuable information for their management and restoration.

À l’échelle macroscopique, à savoir celle du paysage, la couverture végétale des milieux arides apparaît comme fortement hétérogène. Cette organisation spatiale des peuplements est habituellement attribuée aux processus de facilitation et de compétition qui opèrent à l’échelle microscopique des individus végétaux. Le qualificatif d’auto-organisées fut donc attribué à ces végétations qui se structurent en l’absence d’hétérogénéité préexistante du milieu physique. <p><p>L’auto-organisation de la végétation fut particulièrement bien étudiée dans le cas des structures périodiques connues dès les années '50 sous le nom de brousses tigrées. Depuis les années '90, un pas en avant dans la compréhension de ce phénomène fut accompli grâce au développement de modèles mécanistes de la dynamique de la phytomasse et des ressources, émanant du cadre théorique de l'auto-organisation des structures dissipatives. Ces modèles se rejoignent sur un ensemble de prédictions robustes et vérifiables concernant la formation, le maintien et la modulation par l'environnement des structures macroscopiques. Durant le même laps de temps, notre niveau d’analyse a connu une expansion sans précédent, à la fois dans le temps et dans l’espace, grâce au développement de l’imagerie satellitaire et des outils d’analyse spatiale. Nous nous trouvons dès lors à un moment charnière pour la validation macroscopique des théories d’auto-organisation des végétations en milieu aride.<p><p>Le présent travail s'articule en quatre études, chacune traitant d'une prédiction différente. Nous avons mis en évidence les principales variables responsables de la formation des structures et de leur modulation en termes d’échelle et de géométrie. Enfin avons démontré la mobilité des structures sous l’effet d’une pente de terrain. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished