Temporal and spatial modelling of root reinforcement in natural montane and subalpine forests

par Zhun Mao

Thèse de doctorat en Ecosystèmes

Sous la direction de Alexia Stokes.

Soutenue le 05-12-2011

à Montpellier 2 , dans le cadre de Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) , en partenariat avec AMAP - botAnique et BioinforMatique de l'archItecture des Plantes (laboratoire) .

Le jury était composé de Alexia Stokes, Yves Le bissonnais, Franck Radjai, Laurent Saint-andré, Franck Bourrier.

Les rapporteurs étaient Frédéric Danjon, Mireille Lippmann-Provansal.

  • Titre traduit

    Modélisation temporelle et spatiale du renforcement racinaire dans les forêts de montagne et subalpines


  • Résumé

    Il est généralement admis que la végétation peut stabiliser les pentes naturelles et artificielles contre les glissements de terrain superficiel. Par rapport au rôle mécanique, les racines renforcent le sol d'une pente en fournissant une cohésion additionnelle (cr). La quantification des cr est une étape essentielle pour évaluer la stabilité des pentes, quantifiée par le facteur de sécurité (FoS, défini par le ratio entre les forces de la résistance et les forces motrices sur une pente). La plupart des modèles prédictifs de cr existants ne prennent pas en compte la dynamique racinaire à l'échelle spatiale et temporelle qui peut conduire à une hétérogénéité de renforcement des racines. Ainsi, cette thèse vise à caractériser, quantifier et modéliser la répartition spatiale et temporelle de la dynamique racinaire ainsi que son impact sur la cr estimée. La distribution, croissance et mortalité racinaire ont été échantillonnées à l'aide de monolithes et de rhizotrons à deux altitudes dans des forêts mixtes et naturellement régénérées dans les Alpes françaises, composées d'îlots et de trouées. Avec les méthodes de modélisation statistique, une série de facteurs abiotiques et biotiques affectant la dynamique racinaire ont été étudiés. Pour quantifier les cr, une méta-analyse a été effectuée et les divers algorithmes de modélisation ont été employés et leurs résultats comparés. Cette étude a montré que: (i) dans un écosystème à espèces mixtes, la densité racinaire influence davantage les cr que les propriétés de la qualité racinaire; (ii) tous les facteurs abiotiques (altitude, paysage écologique, profondeur du sol et mois) peuvent faire varier la densité racinaire selon des conditions différentes du sol ; (iii) lors de l'observation de 1,5 ans à l'aide de rhizotrons, le cr augmente continuellement, rapidement dans la saison active et lentement pendant la saison dormante, mais cette augmentation est dépendante de la profondeur du sol, de l'altitude et du patch écologique ; (iv) malgré le fait que les racines les plus fines (]0, 1] mm en diamètre) soient les plus actives dans le cycle de nutritions et de carbone (selon des publications précédentes), elles contribuent peu au renforcement mécanique de terrain. Cette étude a permis d'élargir et d'approfondir nos connaissances sur le rôle des racines dans l'éco-ingénierie.


  • Résumé

    It is largely recognized that vegetation can stabilize artificial and natural slopes against shallow landslides. Mechanically, plant roots reinforce soil on a slope by providing an additional cohesion (cr). Quantification of cr is a key step to estimate the stability of a given slope, usually quantified by the Factor of Safety (FoS, defined as the ratio between resisting forces and the driving forces on a slope). Most existing cr predictive models do not take into consideration spatial and temporal root dynamics which result in heterogeneous root reinforcement along a vegetated slope. Therefore, this thesis aims to characterize, quantify and model the spatial and temporal patterns in root dynamics and their impact on the estimation of cr. Root distribution, growth and mortality were measured using monoliths and rhizotrons installed at two altitudes in naturally regenerated mixed forests in the French Alps. These forests are composed of trees growing in groups (tree islands) with large gaps between the islands. Using statistical modeling approaches, abiotic and biotic factors affecting root dynamics were investigated. For quantifying cr, a meta-analysis was performed and different modeling algorithms were employed and results compared. Based on these studies, the following conclusions were made: (i) in a mixed, mature forest ecosystem root density influenced cr more than root mechanical properties; (ii) all abiotic factors (altitude, type of vegetation patch, soil depth and month) significantly affected root quantity to different degrees, depending on soil conditions; (iii) during the 1.5 years' observations in rhizotron, cr increased rapidly during the growing season and more slowly in the dormant season but the increment increase was largely dependent on soil depth, altitude and vegetation patch. (iv) The finest roots (]0, 1] mm in diameter), which are considered the most important for nutrient and carbon cycling, contributed little to mechanical reinforcement of the soil. Results are discussed with regard to ecological engineering strategies for unstable slopes.

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