Multi-scale interactions between riparian vegetation and hydrogeomorphic processes (the lower Allier River)

par Borbála Hortobágyi

Thèse de doctorat en Géographie

Sous la direction de Jean-Luc Peiry et de Dov Corenblit.

  • Titre traduit

    Interactions multi-échelles entre la végétation riveraine et les processus hydrogéomorphologiques (bas-Allier).


  • Résumé

    Dans les écosystèmes, tels que les rivières, les marais salés, les mangroves, les dunes côtières, qui sont exposés à des flux hydrogéomorphologiques fréquents et réguliers (c’est-à-dire à des perturbations physiques), des rétroactions se mettent en place entre la géomorphologie (eau, sédiments et formes fluviales) et les plantes (par exemple Populus nigra L., Salix alba L., Salix purpurea L. dans les rivières). L’établissement de la végétation est contrôlé par des processus hydrogéomorphologiques qui, en retour, sont modulés par la végétation. De telles rétroactions contrôlent la dynamique des écosystèmes riverains. Dans cette thèse, nous avons abordé deux questions principales afin de mieux comprendre les rétroactions entre la végétation riveraine et les processus hydrogéomorphologiques : (i) comment la végétation riveraine répond-elle aux contraintes hydrogéomorphologiques ? (ii) comment et dans quelle mesure les plantes ingénieures, une fois établies, affectent-elles la géomorphologie fluviale ? Nous avons étudié ces questions sur la rivière Allier (France) à travers une approche emboîtée multi-échelles allant de l’échelle du patron paysager au trait de plante. Nous avons testé l’applicabilité de la méthode de photogrammétrie pour quantifier la réponse et l’effet de la végétation riveraine et des rétroactions biogéomorphologiques à différentes échelles spatio-temporelles (corridor, banc alluvial et individu). À l’échelle du corridor, nous avons recherché la signature topographique de la végétation riveraine dans le paysage, en utilisant des données photogrammétriques et LiDAR. À l’échelle intermédiaire du banc alluvial, nous avons étudié l’aptitude des trois espèces pionnières dominantes riveraines de Salicaceae (P. nigra, S. purpurea, S. alba) à s’établir et à agir comme ingénieurs d’écosystème en piégeant les sédiments fins. À l’échelle la plus fine du trait de plante, nous avons quantifié la relation existante entre les attributs de trait de réponse des jeunes plantes de P. nigra et leur exposition à trois niveaux différents de stress mécanique (tête de banc fortement exposée, queue de banc moins exposée, chute alluviale). Nous avons identifié les difficultés et les erreurs à ne pas commettre pour appliquer correctement la photogrammétrie dans les études des rétroactions biogéomorphologiques. En tout état de cause, la photogrammétrie s’est avérée être un outil performant pour quantifier un ensemble de paramètres pertinents pour répondre à des questions de recherche fondamentale aux trois échelles spatiales considérées. À l’échelle la plus large, la signature topographique de la végétation est particulièrement difficile à identifier en raison de la dynamique complexe des formes fluviales de la rivière Allier. Cependant, en concentrant les observations sur des zones de taille réduite et fortement connectées (bancs alluviaux bordant le chenal), la signature de la végétation a pu être identifiée par cette méthode. Elle semble augmenter avec la croissance de la hauteur végétale (progression temporelle de la succession biogéomorphologique), ce qui est en accord avec le modèle de succession biogéomorphologique fluviale (SBF). À l’échelle intermédiaire du banc alluvial, les rétroactions biogéomorphologiques pouvaient être bien identifiées. La capacité des plantes riveraines à s’établir et à agir comme ingénieurs d’écosystème dépend à la fois des espèces et de leur physionomie, de leur âge et de leur position respective sur les bancs alluviaux. À l’échelle la plus fine de l’individu, nous avons capturé la réponse morphologique et biomécanique contrastée de P. nigra à l’exposition aux différents niveaux de contrainte mécanique d’un point de vue de trait. Dans tous les niveaux hiérarchiques, des rétroactions biogéomorphologiques liées aux échelles ont été détectées et synthétisées dans un modèle conceptuel. [...]


  • Résumé

    N ecosystems, such as rivers, salt marshes, mangroves, coastal dunes which are exposed to frequent and regular hydrogeomorphic fluxes (i.e. physical disturbances), feedbacks between geomorphology (water, sediment and landforms) and plants (e.g. Populus nigra L., Salix alba L., Salix purpurea L. in rivers) can occur. Vegetation esta¬blishment is controlled by hydrogeomorphic processes which in turn are modulated by vegetation. Such feedbacks control riparian ecosystem dynamics. In this thesis, we addressed two main questions in an effort to better understand feedbacks between riparian vegetation and hydrogeomorphic processes: (i) How does riparian vegetation respond to hydrogeomorphic constraints? (ii) How, and to what extent, do established engineer plants affect fluvial geomorphology? We studied these questions through a nested multi-scale approach from landscape pattern to plant trait scales on the dynamic wandering Allier River (France). We tested the applicability of the method of photogrammetry to quantify the response and the effect of riparian vegetation and biogeomorphic feedbacks at different spatio-temporal scales (i.e. corridor, alluvial bar and individual). At the corridor scale, we searched for the topographic signature of riparian vegetation in the landscape, using photogrammetric and LiDAR data. At the intermediate alluvial bar scale, we investigated the aptitude of three dominant pioneer riparian Salicaceae species (P. nigra, S. purpurea and S. alba) to establish and to act as ecosystem engineers by trap¬ping fine sediment. At the finest, plant trait scale, we quantified the relation between response trait attributes of young P. nigra plants and their exposure to three different levels of mechanical stress (a highly exposed bar-head, a less exposed bar-tail, a chute channel). We identified some difficulties or failures to properly apply photogrammetry in biogeomorphic feedback studies. However, photogrammetry appeared as a useful tool to quantify a set of relevant parameters to respond to fundamental research questions concerning biogeomorphic feedbacks at the three nested spatial scales. At the broadest, the topographic signature of vegetation was not easy to capture because of the complex shifting mosaic of landforms of the Allier River. However, by focusing on more connec¬ted, restricted areas (i.e. alluvial bars), the signature of vegetation could be captured. It seems to increase with increasing vegetation height corresponding to the evolutionary phases of the fluvial biogeomorphic succession (FBS) model. At the intermediate, alluvial bar scale, biogeomorphic feedbacks could be well identified. The capacity of riparian plants to establish and act as ecosystem engineers depended both on species and their physiognomy, their age and their location on alluvial bars. At the finest, individual plant scale, we captured the contrasting morphological and biomechanical response of P. nigra to variable mechanical stress exposure from a trait perspective. In all hierarchical levels, scale-related biogeomorphic feedbacks were detected and described in a conceptual model. The three scales were considered as cycles composed of four different phases, which can have a variable temporality. The broadest spatio-temporal scale represents the evolution over several decades of the landscape mosaic resulting from the balance between constructive (vegetation establishment, growth and succession) and destruc¬tive (floods) forces. [...]


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