The role of environmental drivers in tree community structure of Central African lowland forests - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement
Thèse Année : 2018

The role of environmental drivers in tree community structure of Central African lowland forests

Le rôle des facteurs environnementaux dans la structure des communautés d'arbres des forêts de plaine d'Afrique centrale

Résumé

Tree communities vary at different spatial scales and are influenced by environmental factors. To understand the role of environmental factors in tree communities requires a scale-wise analysis. The overall objective of this study was to analyse the influence of environmental drivers (soil and climate) on three aspects of forest community structure (floristic patterns, tree height–diameter relationship and leaf functional traits) at regional (>100 km2) and local (0.5 km2) spatial scales. This study was conducted in Cameroon, Gabon and the Democratic Republic of the Congo, all belonging to the lowland (< 800 m) forests of Central Africa. At the regional scale, 133 non-contiguous permanent plots of one ha separated by at least 500 m were established in mature forests. Data from the 50 ha forest block were obtained for the local scale analysis. The later was split into 50 single one ha plots and each plot was subdivided into 25 quadrats of 20 m x 20 m. Ten soil and ten climatic variables were collected and analysed from 78 plots; five leaf functional traits (leaf area, specific leaf area, leaf phosphorus nitrogen content and nitrogen: phosphorus ratio) were measured only in Korup. Principal component analyses permitted to determine soil and climate gradients, and correspondence analysis with instrumental variables enabled to decompose their influence on floristic patterns. The Second-order polynomial model permitted to model tree height-diameter relationship while linear regression and correlation were employed for trait-gradient analysis with the help of R statistical software. At the regional scale in the moist forests of eastern Cameroon, floristic patterns were characterised by few “abundant species” (> one individual ha-1 per site) and by many “scarce species” (≤ one individual ha-1 per site). The gradients in soil composition (soil texture, phosphorus and organic fertility) explained 15.42 % (76/493) mostly scarce tree species while the climatic gradients (rainfall, temperature and precipitation seasonality) explained 26.37 % (130/493) mostly abundant tree species. Tree basal area and the climatic gradient improved the prediction of tree height with only 18.9 % model error as opposed to 20.2 % and 21.7 % model error from two existing pantropical height–diameter models (Chave and Feldpausch, respectively). The new height–diameter models also improved aboveground biomass prediction and revealed that the pantropical models consistently overestimated biomass by 25 and 55 Mg ha-1. At the local scale in Korup, soil fertility was the main gradient and significantly correlated with the leaf functional traits (leaf area, specific leaf area, leaf phosphorus and nitrogen contents). Up to 33 % of these traits were significantly either over-dispersed or under-dispersed (non-random distribution) confirming the influence of abiotic filtering by the soil fertility gradient. In the prospect of possible climate change, there may be a shift in species dominance for tree species in eastern Cameroon forests while the effects of soil on the scarce species pool may limit the risk of extinction. This study thus presents an improved height-diameter model to predict the heights of Central African forest trees by integrating the effects of some easy-to-retrieve ecological predictors. At the local scale, leaf functional traits reveal the effect of soil gradient in the distribution of species and community assembly.
Les communautés d'arbres varient à différentes échelles spatiales et sont influencées par des facteurs environnementaux. Pour comprendre le rôle des facteurs environnementaux dans la structuration des communautés d'arbres, une analyse par échelles spatiales est nécessaire. L'objectif global de cette étude est d'analyser l'influence des facteurs environnementaux (sol et climat) sur trois aspects de la structure des communautés d'arbres, à savoir les patrons floristiques, les hauteurs des arbres et les traits fonctionnels foliaires, à échelle spatiale régionale (>100 km2) et locale (< 0,5 km2). Le présent travail a été mené dans les forêts de basses altitudes (< 800 m) de trois pays d'Afrique centrale : le Cameroun, le Gabon et la République Démocratique du Congo. Pour l‟analyse régionale, 133 parcelles permanentes d'un hectare, non contiguës et séparées d‟au moins 500 m, ont été établies en forêt mature. Pour les analyses à l‟échelle locale, les données ont été obtenues dans un bloc forestier de 50 ha localisé dans le parc national de Korup (Sud-ouest Cameroun). Ce dernier a été subdivisé en 50 parcelles d'un ha chacune. Pour tous les inventaires, les parcelles ont été subdivisées en 25 quadrats de 20 m x 20 m et tous les arbres de diamètre à hauteur de poitrine au moins égal à 10 cm ont été identifiés, mesurés et cartographiés. Dix variables du sol et dix variables climatiques ont été recueillies et analysées pour 78 parcelles ; cinq traits fonctionnels foliaires (surface foliaire, surface foliaire spécifique, teneur en phosphore et en azote des feuilles, rapport azote:/phosphore) ont été mesurés seulement pour le site de Korup. Les analyses en composantes principales ont été utilisées pour déterminer les gradients de sol et de climat, et l'analyse de correspondance avec des variables instrumentales a permis de décomposer leur influence sur les patrons floristiques. Le modèle polynomial de second degré a permis de modéliser la relation hauteur-diamètre de l'arbre, tandis que les analyses de régression linéaire et de corrélation ont été utilisées pour l'analyse de gradient-trait à l'aide du logiciel statistique R. A l'échelle régionale, les patrons floristiques dans les forêts humides de l'Est du Cameroun se caractérisent par quelques « espèces abondantes » (c.-à-d. avec une moyenne par site > un individu ha-1) et par de nombreuses « espèces rares » (c.-à-d. avec une moyenne par site ≤ 1 individus ha-1). Les gradients de fertilité (phosphore et matière organique) et de texture du sol expliquent la répartition de 15,42 % (76 / 493) des espèces, pour la plupart rares, alors que les gradients climatiques (température et la saisonnalité) expliquent la répartition de 26,37 % (130 / 493) des espèces, majoritairement qualifiées comme abondantes. L‟intégration dans le modèle de la surface terrière des arbres et du gradient climatique améliore la prédiction de la hauteur des arbres avec une erreur associée de 18,9 %, contre 20,2 % et 21,7 % d'erreur associée pour les deux modèles pantropicaux préexistants. Le nouveau modèle hauteur-diamètre proposé améliore également la prédiction de la biomasse aérienne alors que les deux anciens modèles pantropicaux ont tendance à surestimer la biomasse de 25 et 55 Mg ha-1. A l'échelle locale (Korup), la fertilité du sol est le gradient principal qui explique la distribution des espèces ; il est significativement corrélée aux traits fonctionnels foliaires mesurés (surface foliaire, surface foliaire spécifique, teneur en phosphore et en azote des feuilles). Jusqu'à 33 % de la distribution des traits était soit sur-dispersée soit sous-dispersée (une distribution non aléatoire), confirmant l'influence de la filtration abiotique par le gradient de fertilité du sol. Dans la perspective d'un éventuel changement climatique, ces résultats démontrent qu‟à l‟échelle régionale il pourrait y avoir un changement dans la dominance des espèces d‟arbres tandis que l‟influence marquée du sol sur la distribution d'espèces rares pourrait limiter le risque d'extinction de ces dernières. En outre, cette étude présente un modèle de hauteur-diamètre amélioré pour prédire les hauteurs et la biomasse des arbres d'Afrique centrale en intégrant certains prédicteurs écologiques faciles à obtenir. Enfin, il a été montré qu‟à l‟échelle locale l‟étude des traits fonctionnels foliaires peuvent révéler des processus de filtration abiotique par le gradient de fertilité du sol.
Fichier non déposé

Dates et versions

tel-03110485 , version 1 (14-01-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03110485 , version 1

Citer

Moses Libalah Bakonck. The role of environmental drivers in tree community structure of Central African lowland forests. Systematics, Phylogenetics and taxonomy. Université de Yaoundé, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03110485⟩
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