Tree diversity and litter decomposition in European forests

par François-Xavier Joly

Thèse de doctorat en Biologie des populations et écologie

Sous la direction de Stephan Hättenschwiler.

Soutenue le 08-12-2015

à Montpellier , dans le cadre de SIBAGHE - Systèmes intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences et Environnement , en partenariat avec CEFE - Centre d'Ecologie Fonctionnelle et Evolutive (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Diversité des arbres et décomposition des litières dans les forêts d'Europe


  • Résumé

    Les écosystèmes forestiers jouent un rôle clé en régulant des cycles du carbone (C) et des nutriments et l’érosion en cours de la biodiversité peut affecter ces fonctions écosystémiques. Ces deux dernières décennies, un effort de recherche important a cherché à comprendre comment la biodiversité affecte la productivité primaire. Le processus inverse de minéralisation du C pendant la décomposition de la matière organique est en revanche beaucoup moins étudié. Dans cette thèse, j’ai cherché à démêler les différents mécanismes par lesquels la diversité des arbres et de leurs litières foliaires affecte la décomposition des litières dans les écosystèmes forestiers d’Europe, à travers trois approches.En utilisant un réseau de placettes forestières contenant des gradients de diversité dans six types de forêts à travers l’Europe, j’ai étudié les effets de la diversité des arbres sur la décomposition de la litière via (i) des modifications de l’environnement de décomposition et (ii) les conséquences directes de la diversité des litières foliaires, avec deux expériences en sachets de litière. A travers tous les sites, alors que la richesse spécifique des arbres a eu un effet limité, la fermeture de la canopée a positivement affecté la décomposition par une modification potentielle des conditions microclimatiques. De plus, les traits moyens de qualité physique et chimique de la chute de litière et la dissimilarité de traits entre les litières d’espèces différentes ont influencé les communautés de décomposeurs permettant dans une certaine mesure de prédire la décomposition de substrats standards. Une fois ces effets pris en compte, la qualité des litières en décomposition a eu un impact supplémentaire mais relativement plus faible sur la décomposition. Ces résultats suggèrent que les effets indirects de la diversité des arbres sur la modification des conditions microenvironnementales sont plus importants pour la décomposition que les effets directs de la qualité intrinsèque des litières en décomposition.J’ai ensuite exploré le rôle des composés solubles lessivés à partir de litière d’espèces différentes sur les processus microbiens du sol par une expérience en microcosmes. Les lessivats de litière d’arbres décidus étaient qualitativement et quantitativement différents de ceux des litières de conifères et ont induit une respiration microbienne du sol plus importante. Le mélange de lessivats des différentes espèces a donné lieu à des effets non-additifs sur les processus microbiens du sol, associés à la dissimilarité de stochiométrie des lessivats. Le lessivage étant un processus dominant pendant la phase initiale de décomposition, l’identité et la diversité des lessivats peut contribuer au contrôle du recyclage du C et des nutriments.Par une troisième approche, mon but a été de mieux comprendre les mécanismes qui sous-tendent les forts effets observées des détritivores du sol sur la décomposition des litières et les effets de diversité. J’ai cherché à comprendre si la transformation de litière en fèces par le détritivores Glomeris marginata stimulait les décomposeurs microbiens, et si cette stimulation dépendait de la qualité de la litière ingérée. L’activité microbienne était stimulée pour les fèces issues de litières récalcitrantes, mais pas pour les fèces issus de litières de meilleure qualité initiale. Ainsi, les conséquences de la transformation de litière en fèces de macroarthropodes pour les décomposeurs microbiens dépend de l’espèce de litières et peut contribuer aux effets de diversité des litières.Les données collectées durant cette thèse montre que la diversité fonctionnelle des arbres peut affecter la décomposition des litières à travers plusieurs mécanismes à différentes étapes de la décomposition. Du fait de cette complexité, les conséquences des changements de diversité pour le cycle du C et des nutriments dans les forêts d’Europe peuvent être importantes, mais sont actuellement difficiles à prédire et à généraliser.


  • Résumé

    Forest ecosystems play a key role in regulating the global carbon (C) and nutrient cycles, and the ongoing erosion of biodiversity is susceptible to modify these ecosystem functions. Over the past two decades, a strong research effort was put into the understanding of how changing biodiversity impacts primary productivity. The reverse process of respiratory C loss during organic matter breakdown however, remained much less studied. In this PhD thesis, I aimed at teasing apart the different mechanisms of how tree and associated leaf litter diversity may affect litter decomposition in European forest ecosystems using three distinct approaches.First, using a network of forest plots with tree diversity gradients in six major forest types across Europe, I studied the effects of tree diversity on litter decomposition through (i) modifications of the decomposition environment and (ii) the direct consequences of leaf litter diversity, with two litterbag experiments. Across all sites, while tree species richness had only a limited effect, forest canopy closure affected decomposition positively by potentially improving microclimatic conditions. In addition, mean chemical and physical quality traits of the litterfall, and trait dissimilarity in leaf litter from different species influenced decomposer communities in a way that decomposition of the common substrates was predictable to a reasonable degree. Once these effects were accounted for, the quality of decomposing litter showed an additional, but comparatively small impact. Collectively, these results suggest that the indirect effects of tree diversity on decomposition through microenvironmental controls are more important than the direct effects of the inherent quality of decomposing litter.With a second approach using microcosms under controlled-conditions, I aimed at assessing the role of soluble compounds leached from decomposing litter of different species for microbial-driven soil processes. Leachates from litter of broadleaved deciduous species differed in composition and quantity and induced stronger soil microbial respiration than those from litter of coniferous species. When the species-specific leachates were mixed, I observed non-additive mixing effects on soil microbial processes associated to the dissimilarity in leachate stoichiometry. Since leaching is the dominant process during the initial stage of decomposition, litter leachate identity and diversity may significantly contribute to the control of carbon and nutrient cycling.Finally, in a third approach my goal was to better understand the underlying mechanisms of the observed strong effects of soil detritivores on litter decomposition and diversity effects. I investigated whether the transformation of litter into feces by the detritivore Glomeris marginata stimulated microbial decomposers, and whether this stimulation depended on the quality of the ingested litter. Microbial activity was stimulated in feces derived from recalcitrant litter, but not in feces derived from litter of higher initial quality. In conclusion, the consequences of litter transformation into macroarthropod feces for microbial decomposers is litter species-specific which may further contribute to litter diversity effects.The data collected during my PhD thesis shows that the functional diversity of trees can affect litter decomposition through various mechanisms during different stages of decomposition. As a result of this complexity, the consequences of changes in biodiversity for the carbon and nutrient cycles in European forests can be substantial, but are presently difficult to predict and to generalize.

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