Natural and human controls on floodplain forests pattern and functioning in rhodanian hydrosystems
Contrôles naturels et anthropiques de la structure et de la dynamique des forêts riveraines des cours d'eau du bassin rhodanien (Ain, Arve, Drôme et Rhône)
Résumé
Floodplain forests present a complex and diversified mosaic of vegetation units, which result from a combination of physical and temporal gradients, biotic interactions and human pressures. Qualitatively, the links between vegetation and hydro-morphological processes have been explored by several authors, but some aspects remain poorly documented (Chapter 1). In this thesis, we analyse, quantitatively, the impact of the hydro-morphological evolution of the channel on water and sediments fluxes, and thus on floodplain forests of Rhodanian hydrosystems.
At first, a temporal framework for examining the vegetation dynamics during the second part of the 20th century is developed (Chapter 2). At the landscape scale (Chapter 2-A), human control is fundamental to both the evolution of the surfaces and the structural characteristics of the corridor. Thus, we show that abandonment of forestry and pastoral practices can lead to an increase in floodplain vegetation cover (Ain River). Conversely, human activities can reduce forested cover and lead to its fragmentation (Arve River). Where lateral channel mobility occurs, the diversity of the landscape mosaic is increased. However, we highlight a strong geographical decoupling between the internal zone of the corridor and the external one. Finally, the transitory nature of the structure and diversity are discussed. At the individual scale (Chapter 2-B), radial growth analysis of ash along the Rhône River and its tributaries also show that hydro-morphological and human processes are the dominant controls. The altitude of a site is the most important control on the degree of hydrological connection; on the Ain River a threshold has been identified between a flow of 750 m3.s-1 and 1000 m3.s-1. Furthermore, the spatial pattern of sediment deposits can greatly affect ash growth. Indeed, analysis of the root systems shows a double control: an edaphic control (pebble layer as an impenetrable horizon) and hydrologic control (high groundwater level). Obviously, process and pattern are strongly linked and our results show that bed mobility, by modifying topographical pattern connection and sediment dynamics, changes ecological conditions within the floodplain. In highly human-influenced systems, human activities alter the distribution of temporal and spatial fluxes.
Second (Chapter 3), we worked at a smaller timescale and at the community level. For both the understory strata of post-pioneer forests of the Ain River (Chapter 3-A) and pioneer communities of Drôme River, we demonstrate that ecological conditions are influenced not only by the spatial position of a unit, but also by the geometrical evolution of the bed. This evolution depends on reach dynamics: bed mobility on the Ain River; embankment on the Drôme River. For riparian communities, contrasts in the degree of connection and disturbance result in different community composition, structure, regeneration and diversity. We highlight the role of fine sediment dynamics within forested ecosystems. Thus sediment erosion and deposition is a main process in term of disturbance impact. In pioneer communities, sediment grain size and thickness act as an important filter for ligneous species selection. We also show how fine sediment dynamics are controlled by reach-scale processes.
The examples developed in this work show a geographical pattern of key factors linked with hydro-morphological conditions and human influences. They constitute a significant argument for promoting a consistent management strategy for fluvial systems and floodplain forests, with practices that consider the evolution of all hydrosystem components (bed, groundwater etc.). For this purpose, after noting the specificities of floodplain forests, a strategic framework is proposed that addresses the spatial coherence of forests, functional diagnosis, the choice of management, taking into account the hydro-morphological context, site rehabilitation, and the legal and financial tools available (Chapter 4).
Finally, the results obtained within the framework of this thesis make it possible to discuss the concepts of physical connection (hydrological and morphological), human pressures, and riparian path (Conclusion).
At first, a temporal framework for examining the vegetation dynamics during the second part of the 20th century is developed (Chapter 2). At the landscape scale (Chapter 2-A), human control is fundamental to both the evolution of the surfaces and the structural characteristics of the corridor. Thus, we show that abandonment of forestry and pastoral practices can lead to an increase in floodplain vegetation cover (Ain River). Conversely, human activities can reduce forested cover and lead to its fragmentation (Arve River). Where lateral channel mobility occurs, the diversity of the landscape mosaic is increased. However, we highlight a strong geographical decoupling between the internal zone of the corridor and the external one. Finally, the transitory nature of the structure and diversity are discussed. At the individual scale (Chapter 2-B), radial growth analysis of ash along the Rhône River and its tributaries also show that hydro-morphological and human processes are the dominant controls. The altitude of a site is the most important control on the degree of hydrological connection; on the Ain River a threshold has been identified between a flow of 750 m3.s-1 and 1000 m3.s-1. Furthermore, the spatial pattern of sediment deposits can greatly affect ash growth. Indeed, analysis of the root systems shows a double control: an edaphic control (pebble layer as an impenetrable horizon) and hydrologic control (high groundwater level). Obviously, process and pattern are strongly linked and our results show that bed mobility, by modifying topographical pattern connection and sediment dynamics, changes ecological conditions within the floodplain. In highly human-influenced systems, human activities alter the distribution of temporal and spatial fluxes.
Second (Chapter 3), we worked at a smaller timescale and at the community level. For both the understory strata of post-pioneer forests of the Ain River (Chapter 3-A) and pioneer communities of Drôme River, we demonstrate that ecological conditions are influenced not only by the spatial position of a unit, but also by the geometrical evolution of the bed. This evolution depends on reach dynamics: bed mobility on the Ain River; embankment on the Drôme River. For riparian communities, contrasts in the degree of connection and disturbance result in different community composition, structure, regeneration and diversity. We highlight the role of fine sediment dynamics within forested ecosystems. Thus sediment erosion and deposition is a main process in term of disturbance impact. In pioneer communities, sediment grain size and thickness act as an important filter for ligneous species selection. We also show how fine sediment dynamics are controlled by reach-scale processes.
The examples developed in this work show a geographical pattern of key factors linked with hydro-morphological conditions and human influences. They constitute a significant argument for promoting a consistent management strategy for fluvial systems and floodplain forests, with practices that consider the evolution of all hydrosystem components (bed, groundwater etc.). For this purpose, after noting the specificities of floodplain forests, a strategic framework is proposed that addresses the spatial coherence of forests, functional diagnosis, the choice of management, taking into account the hydro-morphological context, site rehabilitation, and the legal and financial tools available (Chapter 4).
Finally, the results obtained within the framework of this thesis make it possible to discuss the concepts of physical connection (hydrological and morphological), human pressures, and riparian path (Conclusion).
L'effet combiné des gradients physiques, des interactions biotiques et des impacts anthropiques, le tout dans un cadre temporel évolutif, donne aux forêts alluviales l'aspect d'une mosaïque complexe où se juxtaposent, dans l'espace et dans le temps, des milieux variés et diversifiés. Si, depuis plus de trente ans, les études ont décrit, qualitativement, les liens qui unissent la végétation des plaines alluviales et la dynamique hydro-morphologique du chenal, certains aspects ont été peu abordés (Chapitre 1). C'est pourquoi, nous avons analysé, quantitativement, l'impact de l'évolution hydro-morphologique du chenal sur les flux d'eau et de sédiments et donc sur les boisements riverains dans les hydrosystèmes rhodaniens. Dans ce contexte, les contrôles anthropiques ont été explicitement intégrés dans l'analyse de l'évolution des structures et des flux. De fait, deux questions scientifiques ont été abordées.
Dans un premier temps (Chapitre 2), une approche temporelle de la dynamique de la végétation riveraine à l'échelle de la seconde moitié du 20e s a été développée. Au niveau du paysage (Chapitre 2-A), le contrôle anthropique apparaît très important, aussi bien pour l'évolution des surfaces boisées, que pour la structuration spatiale du corridor naturel. Ainsi, nous avons montré que l'abandon des pratiques sylvicoles et pastorales peut être le moteur de la végétalisation des lits majeurs (Ain). A l'inverse, l'implantation de structures anthropiques dans le paysage réduit la superficie des milieux forestiers et provoque une fragmentation de l'ensemble du corridor (Arve). Lorsque la dynamique latérale du chenal peut s'exprimer, elle est à l'origine d'une plus grande diversité des unités paysagères. Cependant, nous avons mis en lumière un fort découplage géographique entre la dynamique de la zone interne du corridor et celle de la zone externe. Enfin, le caractère transitoire de la structure et de la diversité de la mosaïque paysagère a également été montré. A l'échelle des individus (Chapitre 2-B), l'analyse de la croissance ligneuse du frêne montre également que les contrôles hydro-morphologiques et anthropiques sont prépondérants pour la dynamique de la végétation riveraine à moyen terme. De fait, la position altitudinale d'une placette contrôle en grande partie son degré de connexion hydrologique ; sur l'Ain, un effet de seuil a pu être identifié pour la croissance du frêne entre des débits de connexion de 750 m3.s-1 et de 1000 m3.s-1. De plus, la structuration spatiale du substrat est également, pour le frêne, un facteur important contrôlant sa croissance radiale. L'analyse de la prospection racinaire de cette essence met en évidence un double contrôle au niveau du substrat : un contrôle édaphique (présence d'horizons impénétrables, ex. : le toit de galets) et un contrôle hydrologique (présence d'une nappe permanente ou semi-permanente). Evidemment, structure et fonctionnement sont intimement liées et nos résultats indiquent que la mobilité du chenal, en modifiant de façon significative le patron hydrologique et sédimentaire, affecte les conditions écologiques au sein de la plaine. De même, dans les corridors riverains soumis à une pression anthropique importante, le développement d'activités consommatrices d'eau entraîne une modification de la répartition spatiale et temporelle des flux au sein de l'hydrosystème.
Dans un deuxième temps (Chapitre 3), nous avons travaillé à une échelle de temps plus courte et à l'échelle spatiale de la communauté végétale. Dans la strate basse des boisements post-pionniers (frênaie) du corridor de l'Ain (Chapitre 3-A) aussi bien que dans les unités pionnières (saulaies) de la Drôme (Chapitre 3-B), nous avons montré que les conditions écologiques d'une unité varient non seulement en fonction de sa position dans l'hydrosystème à un instant donné, mais aussi au gré de l'évolution de la géométrie du chenal. Cette évolution résulte de l'ajustement aux conditions de débits, solide et liquide, au sein du chenal ; elle est donc liée à la dynamique de l'ensemble du tronçon fluvial : mobilité du chenal (incision sur l'Ain), effet des aménagements anthropiques (endiguement sur la Drôme). Concernant les communautés végétales, la position spatiale et la dynamique du tronçon se traduisent par des niveaux contrastés de connexion hydro-sédimentaire et donc de régime de perturbation. L'expression des processus hydrologiques et sédimentaires se répercute ainsi sur la communauté, en termes de composition, de structure, de régénération ou de diversité. Le rôle important joué par la dynamique des sédiments fins dans les forêts alluviales est alors souligné par nos résultats. En effet, l'érosion et le dépôt de sédiments constituent les processus primordiaux du caractère perturbant d'une crue. De plus, la granulométrie et l'épaisseur du substrat constituent un filtre à l'origine d'une sélection des espèces arbustives dans les milieux pionniers. Notons que cette dynamique des sédiments fins est sous le contrôle de la dynamique hydro-morphologique de l'ensemble du tronçon.
Les exemples développés dans notre travail font apparaître une véritable géographie des facteurs de contrôle liée à l'expression différenciée des conditions hydro-morphologiques mais aussi une empreinte anthropique toujours présente. Par exemple, l'influence de la mobilité du chenal sur la croissance et la régénération ligneuse ainsi que le contrôle exercé par la dynamique sédimentaire sur le paysage et les communautés riveraines constituent des arguments importants pour développer une gestion cohérente des lits fluviaux et de leurs marges boisées. Pour cela, après avoir rappelé la spécificité des boisements alluviaux, nous proposons des éléments stratégiques de gestion, concernant notamment : la cohérence géographique des boisements à gérer, le diagnostic fonctionnel de ces forêts, le choix des objectifs de gestion, la prise en compte du contexte hydro-morphologique et de son évolution, la réhabilitation des sites et la cohérence des outils législatifs et financiers permettant d'agir dans ce domaine (Chapitre 4).
Enfin, les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse permettent de discuter les notions de connexion physique (hydrologique et sédimentaire), de contraintes anthropiques et de trajectoire écologique (Conclusion).
Dans un premier temps (Chapitre 2), une approche temporelle de la dynamique de la végétation riveraine à l'échelle de la seconde moitié du 20e s a été développée. Au niveau du paysage (Chapitre 2-A), le contrôle anthropique apparaît très important, aussi bien pour l'évolution des surfaces boisées, que pour la structuration spatiale du corridor naturel. Ainsi, nous avons montré que l'abandon des pratiques sylvicoles et pastorales peut être le moteur de la végétalisation des lits majeurs (Ain). A l'inverse, l'implantation de structures anthropiques dans le paysage réduit la superficie des milieux forestiers et provoque une fragmentation de l'ensemble du corridor (Arve). Lorsque la dynamique latérale du chenal peut s'exprimer, elle est à l'origine d'une plus grande diversité des unités paysagères. Cependant, nous avons mis en lumière un fort découplage géographique entre la dynamique de la zone interne du corridor et celle de la zone externe. Enfin, le caractère transitoire de la structure et de la diversité de la mosaïque paysagère a également été montré. A l'échelle des individus (Chapitre 2-B), l'analyse de la croissance ligneuse du frêne montre également que les contrôles hydro-morphologiques et anthropiques sont prépondérants pour la dynamique de la végétation riveraine à moyen terme. De fait, la position altitudinale d'une placette contrôle en grande partie son degré de connexion hydrologique ; sur l'Ain, un effet de seuil a pu être identifié pour la croissance du frêne entre des débits de connexion de 750 m3.s-1 et de 1000 m3.s-1. De plus, la structuration spatiale du substrat est également, pour le frêne, un facteur important contrôlant sa croissance radiale. L'analyse de la prospection racinaire de cette essence met en évidence un double contrôle au niveau du substrat : un contrôle édaphique (présence d'horizons impénétrables, ex. : le toit de galets) et un contrôle hydrologique (présence d'une nappe permanente ou semi-permanente). Evidemment, structure et fonctionnement sont intimement liées et nos résultats indiquent que la mobilité du chenal, en modifiant de façon significative le patron hydrologique et sédimentaire, affecte les conditions écologiques au sein de la plaine. De même, dans les corridors riverains soumis à une pression anthropique importante, le développement d'activités consommatrices d'eau entraîne une modification de la répartition spatiale et temporelle des flux au sein de l'hydrosystème.
Dans un deuxième temps (Chapitre 3), nous avons travaillé à une échelle de temps plus courte et à l'échelle spatiale de la communauté végétale. Dans la strate basse des boisements post-pionniers (frênaie) du corridor de l'Ain (Chapitre 3-A) aussi bien que dans les unités pionnières (saulaies) de la Drôme (Chapitre 3-B), nous avons montré que les conditions écologiques d'une unité varient non seulement en fonction de sa position dans l'hydrosystème à un instant donné, mais aussi au gré de l'évolution de la géométrie du chenal. Cette évolution résulte de l'ajustement aux conditions de débits, solide et liquide, au sein du chenal ; elle est donc liée à la dynamique de l'ensemble du tronçon fluvial : mobilité du chenal (incision sur l'Ain), effet des aménagements anthropiques (endiguement sur la Drôme). Concernant les communautés végétales, la position spatiale et la dynamique du tronçon se traduisent par des niveaux contrastés de connexion hydro-sédimentaire et donc de régime de perturbation. L'expression des processus hydrologiques et sédimentaires se répercute ainsi sur la communauté, en termes de composition, de structure, de régénération ou de diversité. Le rôle important joué par la dynamique des sédiments fins dans les forêts alluviales est alors souligné par nos résultats. En effet, l'érosion et le dépôt de sédiments constituent les processus primordiaux du caractère perturbant d'une crue. De plus, la granulométrie et l'épaisseur du substrat constituent un filtre à l'origine d'une sélection des espèces arbustives dans les milieux pionniers. Notons que cette dynamique des sédiments fins est sous le contrôle de la dynamique hydro-morphologique de l'ensemble du tronçon.
Les exemples développés dans notre travail font apparaître une véritable géographie des facteurs de contrôle liée à l'expression différenciée des conditions hydro-morphologiques mais aussi une empreinte anthropique toujours présente. Par exemple, l'influence de la mobilité du chenal sur la croissance et la régénération ligneuse ainsi que le contrôle exercé par la dynamique sédimentaire sur le paysage et les communautés riveraines constituent des arguments importants pour développer une gestion cohérente des lits fluviaux et de leurs marges boisées. Pour cela, après avoir rappelé la spécificité des boisements alluviaux, nous proposons des éléments stratégiques de gestion, concernant notamment : la cohérence géographique des boisements à gérer, le diagnostic fonctionnel de ces forêts, le choix des objectifs de gestion, la prise en compte du contexte hydro-morphologique et de son évolution, la réhabilitation des sites et la cohérence des outils législatifs et financiers permettant d'agir dans ce domaine (Chapitre 4).
Enfin, les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse permettent de discuter les notions de connexion physique (hydrologique et sédimentaire), de contraintes anthropiques et de trajectoire écologique (Conclusion).