Functional structure and ecohydrology of Mediterranean rangelands along a soil water availability gradient

Comprendre les relations entre écohydrologie et structure fonctionnelle des communautés végétales est une problématique croissante en écologie. Cette thèse a pour objectif d'analyser les effets d'un gradient de ressource édaphique sur la structure et le fonctionnement de parcours herbacés dans le sud de la France, en intégrant les niveaux de l'écosystème à la plante. Par modélisation du bilan hydrique, les différences d'utilisation de l'eau au niveau de l'écosystème ont été quantifiées pour cinq années contrastées révélatrices de la variabilité des propriétés des sols et du fonctionnement végétal. Utilisation de l'eau et productivité des plantes sont proportionnelles à la réserve utile des sols et à son taux de remplissage, suggérant un équilibre fonctionnel entre les communautés végétales et la disponibilité de l'eau locale. Par une approche ‘traits', nous avons ensuite montré que le ratio entre surface foliaire et surface racinaire totales de la communauté est le facteur déterminant une relation 'allométrique' entre évapotranspiration potentielle et capacité de prélèvements hydriques. La coordination entre les compartiments racinaire et aérien de la végétation dépend d'une suite d'adaptations architecturales et morphologiques. Des modifications d'abondances relatives spécifiques et le turn-over d'espèces génèrent une variabilité de morphologie et de fonctionnement des communautés permettant leur adaptation à des ressources limitées. Au niveau plante, une expérimentation de transplantation a permis de quantifier l'importance relative de la disponibilité hydrique et des interactions entre plantes sur la productivité individuelle de trois espèces-cibles. L'importance de la compétition s'est révélée plus élevée sous fort niveau de ressource et dépendait plus des relations hiérarchiques entre traits que de la biomasse. La compétition entre plantes affecte les axes de niche fonctionnelle des espèces de façon indépendante, avec une convergence de la ‘teneur en matière sèche des feuilles' pour des faibles valeurs mais une plus forte divergence fonctionnelle pour la ‘hauteur des plantes'. Cette approche fonctionnelle a permis d'éclairer le rôle de la diversité végétale dans la réponse des systèmes écologiques à des ressources hydriques variables. De plus, ces résultats sur les propriétés écohydrologiques des communautés naturelles peuvent contribuer à la conception d'agro-écosytèmes complexes mieux adaptés aux sécheresses intenses prévues dans le contexte actuel de changement climatique.

Understanding the relationships between ecohydrology and functional structure of plant communities is a timely issue in plant ecology. From ecosystem to species levels, this works investigated the effects of a resource availability gradient on the structure and functioning of Mediterranean rangelands in Southern France. Using a water-balance modeling approach, differences in water-use at the ecosystem level were quantified across five contrasting years, accounting for the variability in both soil characteristics and vegetation functioning. Plant water-use and productivity scaled with soil water storage capacity and its filling rate, suggesting a functional equilibrium between plant communities and local water availability. Using a trait-based approach, we then showed that the ratio of total leaf area of the community on total root area determined an allometric relationship between potential evapotranspiration and water uptake capacity. The “coordination” between above- and belowground compartment of the vegetation was achieved by a suite of architectural and morphological adaptations. Modifications of species relative abundances and species turn-over explained morphological and functioning adaptations to cope with limiting resources. Finally at species level, a removal experiment allowed to quantify the relative importance of water limitations and effects of plant-plant interaction on individual plant productivity of three target species of graminoïds. The importance of competition increased with soil resource availability and depended more on trait-trait hierarchical distances among species than standing biomass. Competition among plants affects the axes of the functional niche of species independently, leading to the convergence of leaf dry matter content towards low values but to greater functional divergence for plant height. Overall, this functional approach provided an integrative understanding of the role of plant diversity in the response of ecological systems to changes in water availability. Furthermore, these results on ecohydrological properties of natural communities can contribute to the design of complex agro-ecosystem better adapted to intense droughts predicted under climate change.