Des traits des graminées au fonctionnement de l'écosystème prairial : une approche de modélisation mécaniste - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

From functional traits of grasses to the functioning of grassland ecosystem : a mechanistic modelling approach

Des traits des graminées au fonctionnement de l'écosystème prairial : une approche de modélisation mécaniste

Résumé

Due to the difficulty to link dynamically and mechanistically the composition, the structure and the individual functions of grassland ecosystem, the ecosystem functioning remains unclear, which limits the prediction of ecosystem response to climatic and management changes. Plant functional traits are proposed as useful tool to link community response to environmental change and consecutive effect on ecosystem functioning. Plant functional trait is morphological, physiological, chemical and phenological characteristic of a plant, which can be transposed to organization levels of species and community. This thesis deals with traits utilisation in a mechanistic modelling approach in order to link dynamically this hierarchy of organization levels and, consequently, community response and ecosystem functioning. We used the functional traits of 13 grass species coocurring in mesic grassland, in a biogeochemical model of grassland diversity, GEMINI (Grassland Ecosystem Model with INdividual centered Interactions). This model has been developed, calibrated and used to understand the role of plant traits for the response of these species to two cut frequencies and two N fertilisation levels in monocultures and in mixtures in terms of productivity, plasticity and abundance. In first time, a model hypothesis concerning the leaf C:N stoichiometry has been validated. This leaf photosynthesis coordination hypothesis states a co-limitation of photosynthesis by light-driven and dark biochemical reactions. It has been tested by using a database of 31 species belonging to 6 plant functional groups and growing in different environmental conditions. This hypothesis explained without bias 92% of total variance of leaf nitrogen content per unit leaf area by the variations of three leaf photosynthetic traits. The model equations of substrates allocation between leaf structures and leaf photosynthetic proteins are therefore validated and calibrated. In second time, functional traits linked to root N acquisition and shoot N utilisation (N productivity efficiency and N residence time in tissue) have been measured in field monoculture on 13 species. We showed mechanistically the fundamental relationships linking root and shoot traits (size vs physiological activity specialization axes). Moreover, we highlighted interspecific trade-offs between: i) the root uptake capacities of NO3 - and NH4 + and ii) root area developed in resource patch and root N uptake. These results allowed the integration of root and leaf traits implied in N plant strategies in the calibration of GEMINI for each grass species. Once the model development completed, the simulations showed several emergent properties: 1) after defoliation and nitrogen deprivation, the plastic adjustments of relative size of structural compartments and of their physiological activities restore the functional balance leading to a colimitation of plant by light, nitrogen and CO2; 2) at equilibrium state, the size and the tiller density simulated by the model covary according to a -3/4 power coefficient. The model allows the simulation of vegetative production variations between species and between two cut frequencies and two N fertilisation levels both in monocultures and in mixtures. The observed ranks of grasses relative abundance are well predicted in different six species mixtures. Finally, the model simulates a positive biodiversity effect on the production of 6 species mixtures, which overproduce in comparison of each species in monoculture with the same initial tiller density. When the model is simplified, its prediction ability is degraded. The actual version of the model gives interesting perspective in terms of fundamental question in community ecology and in functional ecology. We provide an application example by investigating the origin of covariations between morphological traits observed in natura. For four traits representative of functional strategies of 13 grass species, a systematic study in 4D space built by these traits showed that: 1) the measured traits value maximizes the simulated growth for each of these species; 2) the individual plasticity observed in response to N deprivation maximizes the simulated growth. These results increases the understanding about the constraints imposed by intra-and-inter-specific trade-offs on the performance and the plasticity of these grass species across resource gradients.
Dans un environnement fluctuant, le fonctionnement de l'écosystème prairial est régulé par la diversité des espèces végétales et leur dynamiqie propre. Comprendre les mécanismes fins par lesquels opère cette régulation et pouvoir simuler en retour le fonctionnement de l'écosystème sont des enjeux majeurs en agriculture (valorisation de la ressource fourragère) et en écologie ( gestion de la biodiversité). Dans ce cadre d'étude, nous avons développé, utilisé et évalué un modèle écophysiologique de diversité prairiale (GEMINI), qui simule de manière mécaniste la réponse des plantes à des contraintes climatiques et de gestion, et la dynamique des interactions entre les différentes espèces. Un dispositif expérimental situé à Theix a permis de paramétrer ce modèle grâce aux traits fonctionnels et de l'évaluer sur 13 espèces de graminées en culture pure et en mélange de six espèces, et sous deux conditions de fréquence de coupe et deux niveaux de fertilisation azotée. Nous avons montré que la complexité du modèle était nécessaire et suffisante pour prédire correctement la réponse individuelle de ces espèces dans ces différentes conditions. L'utilisation de ce modèle a également permis d'avancer les connaissances sur les différences de statégies végétales utilisées par les plantes pour les mécanismes d'acquisition et d'utilisation de l'azote minérale et d'acquisition du carbone atmosphérique pour la photosynthèse. Pour ces différents mécanismes nous avons montré des lois de compromis entre les différentes fonctions d'une plante et des lois de coordination entre les flux de carbone et d'azote au sein d'une plante. Grâce au modèle, nous avons montré que ces deux types de lois étaient essentiels pour le fonctionnement et la plasticité d'une plante.
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Dates et versions

tel-00725487 , version 1 (27-08-2012)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00725487 , version 1

Citer

Vincent Maire. Des traits des graminées au fonctionnement de l'écosystème prairial : une approche de modélisation mécaniste. Biodiversité et Ecologie. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II; Université d'Auvergne - Clermont-Ferrand I, 2009. Français. ⟨NNT : 2009CLF21934⟩. ⟨tel-00725487⟩
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