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Theses Year : 2004

Disturbance, diversity and permanence of structures in forest ecosystems

Perturbations, diversité et permanence des structures dans les écosystèmes forestiers

Thomas Cordonnier

Abstract

This study deals with the effects of disturbances on population and community structures in order to examine the relevance of implementing sylviculture treatments that may mimic natural disturbances. On the one hand, such a debate requires to deepen our understanding of the connection between patterns and processes. On the other hand, it also requires to develop concepts/tools shared both by ecologist and manger to evaluate the consequences of different ecological/management scenarios involving disturbances. In the first part, we study the disturbance-diversity relationship in plant communities. We show with simple patch models that such a relationship depends on (i) the nature of competitive interactions (founder effect, competitive hierarchy, indetermination in competitive interaction) (ii) the coexistence mechanisms (niche succession, competition-colonisation trade-offs), (iii) the mechanisms involved in the colonisation process (immigration, negative frequency dependence, recruitment limitation) and (iv) the indices of diversity (species richness, Shannon diversity index). We conclude that, to be more effective, mechanistic hypothesis encompassing all these features should be prefer to the less-informative Intermediate Disturbance Hypothesis. Some research and management guidelines based on patch dynamics are proposed in the context of spruce-fir forests (north French Alps). In the second part, we recall stability concepts (equilibrium, resistance, resilience, temporal stability, persistence and permanence) usually used to characterise ecological systems experiencing one or several disturbance events. We emphasise the non-equilibrium concept of permanence that focuses on systems behaviour near specified boundaries. With an individual based model of spruce stands dynamics, we tested several damages scenarios and investigated their consequences on the permanence of stability properties (resistance to windstorms (diameters diversity, heights diversity), elasticity (cover of seedlings and saplings)) and protective function indicators (protection rock falls (sum of diameters) and against snow avalanches (maximum gap area)). Our results corroborate that high stability properties and high protective effects are not necessarily related. The main conclusion is that permanence of indicators depends on (i) the spatial configuration of damages (aggregated/random), (ii) the magnitude of damages and (iii) the nature of the hazard. Although not optimal, sylvicultural treatments based on gaps may be more effective to maintain high resistance, high resilience and effective protective function in mountain forests. As a conclusion, we highlight the idea that both permanence and gap (patch) dynamics may be useful concepts to investigate the relevance of mimicking natural disturbance in managed forests.
Cette thèse traite de l'impact des perturbations naturelles et anthropiques sur les structures des populations et des communautés afin de discuter la problématique d'une gestion forestière qui s'inspire des - et compose avec les - perturbations naturelles. En première partie, nous étudions les effets d'un gradient de perturbations sur la diversité des communautés de plantes. A l'aide de modèles de dynamique en patchs ("patch models"), nous montrons que la relation perturbations-diversité dépend des mécanismes de compétition (hiérarchie compétitive, "founder effect"), des mécanismes de coexistence (compromis entre compétition et colonisation, niche de succession), des mécanismes affectant le processus de colonisation (limitation par le recrutement, fréquence dépendance négative des taux de colonisation et immigration) et enfin des mesures de diversité privilégiées (richesse en espèce, diversité de Shannon). L'élaboration d'hypothèses mécanistes intégrant les caractéristiques de l'agent de perturbations (dont les actions anthropiques), les descripteurs utilisés (intensité, fréquence, stochasticité etc.), les traits de vie des espèces, les mécanismes de coexistence et les facteurs biotiques et abiotiques contrôlés permettraient d'affiner les prédictions qualitatives et quantitatives sur la relation perturbations-diversité et de favoriser ainsi leurs dimensions opérationnelles. En seconde partie, nous rappelons différents concepts (équilibre, résistance, résilience, persistance, constance, permanence) permettant de caractériser le comportement des systèmes en présence de perturbations. Nous présentons une méthode d'analyse basée sur le concept de permanence qui permet d'évaluer différents scénarios écologiques ou scénarios de gestion. La permanence consiste à se focaliser sur le comportement des variables lorsque ces dernières sont proches de valeurs jugées critiques (ex. extinction d'une espèce). Nous appliquons cette méthode d'évaluation à la problématique des forêts de protection dans les Alpes du Nord. A partir d'un modèle de dynamique de pessières d'altitude, nous testons différents scénarios de gestion (prélèvements agrégés/aléatoire, différents taux de prélèvements) et déterminons leurs conséquences sur la dynamique d'indicateurs de propriétés de stabilité (diversité des hauteurs, diversité des diamètres) et d'indicateurs de fonction de protection (somme des diamètres pour les chutes de blocs, taille des trouées pour les avalanches). La possibilité d'améliorer conjointement propriétés de stabilité et efficacité de protection dépend de la nature et de l'intensité des interventions ainsi que du type de danger. Cette partie permet d'illustrer une réflexion de gestion basée sur des compromis plutôt que sur l'optimisation simultanée d'un ensemble d'indicateurs. En conclusion, nous replaçons nos résultats dans le contexte d'une gestion qui s'appuie sur la connaissance du processus de perturbation. La notion de dynamique en patchs (trouées) et la notion de permanence représentent, selon nous, des cadres conceptuels et méthodologiques intéressant pour établir un pont entre écologie des perturbations et gestion forestière. Nous ouvrons des perspectives de recherche à partir de l'exemple des sapinières-pessières dans les Alpes du Nord, exemple qui intègre à la fois la problématique de la coexistence des espèces et celle de la réalisation des fonctions de production et de protection dans des écosystèmes gérés où dominent les perturbations par le vent.
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Dates and versions

pastel-00000909 , version 1 (11-01-2005)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00000909 , version 1

Cite

Thomas Cordonnier. Disturbance, diversity and permanence of structures in forest ecosystems. Life Sciences [q-bio]. ENGREF (AgroParisTech), 2004. English. ⟨NNT : 04ENGR0010⟩. ⟨pastel-00000909⟩

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