Influence of climate on resources investment to reproduction in forest trees: A mechanistic modelling approach
Influence du climat lors de l'investissement des ressources dans la reproduction chez les arbres forestiers : Une approche par modélisation mécaniste
Résumé
Long term climatic trends and extreme climatic events result in massive forest decline and can even lead to mortality. One of the major process of forest dynamics is sexual reproduction, which allows forest regeneration, determines the composition of forest community, and also the ability of tree populations to adapt locally to changing environmental conditions or to track their bioclimatic optimum through migration. However, there are still many uncertainties on the effect of climate change on trees reproduction, especially on when and how resources are allocated to pollen and seeds. The main objective of this PhD thesis is to develop an approach based on resource and phenology modelling, in order to understand and predict climate effects on forest trees reproduction. First, I used a statistical approach to investigate the drivers of temporal and spatial variation of fruit production in beech and oak stands. I found that the length of growing season is a limiting factor of fruit biomass production. In a second part, I quantified the allocation of resources between vegetative versus reproductive functions in the Atlantic cedar, using a hierarchical Bayesian model and observations of growth, male and female reproduction over several years. By explicitly accounting for inter-individual variation in the level of resources, this model allowed me to identify trade-offs between growth and reproduction during floral initiation, and between current and future reproduction. In the third part, I developed a process-based model of reproduction and included it in an existing biophysical and ecophysiological model of forest functioning (CASTANEA). The new reproduction model incorporates resource allocation and reproductive phenology from flower initiation to maturation, and simulates spatial and temporal patterns of seed production. The model was calibrated and validated on silver fir on Mont-Ventoux and used to investigate how climate change will impact fruit production. In the future, this model could be used at a larger scale to investigate the ecophysiological mechanisms involved in masting.
Les changements climatiques en cours induisent des dépérissements forestiers massifs, qui peuvent aller jusqu'à la mortalité des arbres. Un des processus majeurs de la dynamique forestière est la reproduction sexuée, qui permet la régénération des peuplements, détermine la composition des communautés forestières, et affecte la capacité des populations d'arbres à persister localement au fil des générations grâce à l’adaptation, ou à suivre leur optimum bioclimatique par migration. Mais il reste de nombreuses incertitudes sur l’effet du climat sur la reproduction des arbres, notamment sur le moment et la manière dont sont allouées les ressources au pollen et aux graines. L’objectif principal de cette thèse est de développer une approche basée sur la modélisation des ressources et de la phénologie pour comprendre et prédire l’effet du climat sur la reproduction des arbres forestiers. Dans une première partie, j'ai étudié par une approche statistique les déterminants des variations temporelles et spatiales de la fructification dans des peuplements de Hêtre et de Chênes. J'ai trouvé que la durée de saison de végétation foliaire peut expliquer une part significative de la biomasse de fructification. Dans une seconde partie, j'ai quantifié l’allocation des ressources entre les fonctions de croissance et de reproduction chez le Cèdre de l'Atlas, à l’aide d’un modèle Bayésien hiérarchique, et de données de croissance et reproduction mâle et femelle. En tenant compte explicitement des variations individuelles du niveau de ressources disponibles, ce modèle m'a permis d’identifier des compromis entre croissance et reproduction lors de l’initiation florale, ainsi qu'entre reproduction de l'année et reproduction future. Dans la dernière partie, j'ai développé un modèle mécaniste de reproduction au sein d’un modèle biophysique et écophysiologique déjà existant (CASTANEA). Ce nouveau modèle incorpore les processus d'allocation des ressources et de phénologie depuis l’initiation florale jusqu’à la maturation des graines et fruits, et simule les variations spatiales et temporelles de production de graines. Le modèle a d'abord été calibré et validé sur le Sapin pectiné sur le Mont-Ventoux, puis utilisé pour prédire comment le changement climatique peut impacter la reproduction des arbres. Ce modèle pourra ensuite être utilisé sur d'autres espèces et à large échelle pour étudier les mécanismes physiologiques majeurs impliqués dans les variations de productions de graines et fruits.
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