Grassland ecosystems resilience to climatic stresses under different management intensities. An approach based on the microbial functional trait concept.
Résilience des écosystèmes prairiaux aux stress climatiques selon l'intensité de gestion. Une approche par le concept de trait fonctionnel microbien
Résumé
In the current context of climate change, associated with increases of climate extremes frequency and intensity, understanding the ecosystem response to climate variability is a central challenge in ecology. Soil microbial communities control most ecosystem processes driving energy and nutrients fluxes. In the context of agriculture management, an important question is to understand the influence of farming practices on soil microbial communities and their capacity to maintain ecosystem functioning under climate change. Ecological-intensive agriculture has been recently proposed as an approach integrating ecological processes in management strategies to optimise agroecosystems functioning and resilience to climate change. Functional ecology might be relevant to address these challenges associated with climate change and ecological-intensification of agriculture.In this PhD thesis, I used the functional trait framework to grassland ecosystems to address how different modalities of management intensity (extensive, conventional-intensive, ecological-intensive management) influence: 1) functional parameters of soil microbial communities; 2) the capacity of these soil microbial communities to maintain ecosystem functioning during and after climatic stresses (Resilience). During my PhD, three experiments have been conducted using different degrees of control of management factors and simulating different kind of climatic stresses, with different durations. Based on grassland agroecosystems in three countries across Europe (France, Switzerland, Portugal), results from the first two experiments of this PhD showed that ecological-intensive management select soil microbial communities with a lower capacity to maintain microbial ecosystem properties during stresses (resistance) but with higher capacity to recover compared with soil microbial communities of soils under conventional-intensive management. Moreover, another study showed that ecological-intensive management promotes beneficial proteolytic soil microbial communities for plant nitrogen uptake under climate change-induced rain regimes. Plant functional traits assessment suggest this management effect on microbial communities composition and resilience to be explained by higher litter phosphorous content in ecological-intensive systems. Indeed, this plant functional trait affect microbial traits, favouring copiotrophic microbial community characterized by a lower nitrogen:phosphorous ratio of their biomass and a lower investment in extracellular enzymes production, two traits decreasing stress resistance but increasing recovery capacities. Thereby, these two experiments stress the relevance of plant traits management to control soil microbial traits and the resilience of soil microbial communities to climate changes. A third experiment tested specifically the impact of a mineral fertilisation event on the resilience of soil microbial communities to different climatic stresses. Results clearly demonstrated that fertilization modify soil microbial community composition and soil microbial traits and decrease ecosystem stability under climatic stresses.Implementing an approach based on the microbial functional trait concept, this thesis brings new insights on the effects of management intensity on grassland ecosystem resilience to climatic stress.
Dans le contexte actuel du changement climatique et de l’augmentation de la fréquence et de l’intensité des épisodes climatiques extrêmes, une question centrale pour l’écologie scientifique est de comprendre les répercussions de ces changements sur le fonctionnement des écosystèmes. Les communautés microbiennes du sol contrôlent une grande partie des processus écosystémiques déterminant la circulation de l’énergie et des nutriments. Dans le cadre des agroécosystèmes se pose donc la question de l’influence des pratiques agricoles sur les communautés microbiennes du sol et sur leur aptitude à maintenir le fonctionnement des écosystèmes face au changement climatique. L’intensification écologique de l’agriculture a récemment été proposée comme une approche intégrant les processus écologiques dans la stratégie de gestion des agroécosystèmes, dans l’objectif d’optimiser leur fonctionnement et leur résilience. L’écologie fonctionnelle pourrait répondre à certains des enjeux posés par le changement climatique et l’intensification écologique de l’agriculture.Dans cette thèse, j’ai cherché à mobiliser le cadre conceptuel des traits fonctionnels pour apporter de nouveaux éléments de compréhension de l’influence de différentes modalités d’intensité de gestion d’agroécosystèmes prairiaux (gestion extensive, conventionnelle-intensive et écologiquement-intensive) : 1) sur les caractéristiques fonctionnelles des communautés microbiennes du sol; 2) sur la capacité de ces communautés microbiennes à maintenir le fonctionnement de l’écosystème face à des périodes de stress climatiques (résilience). Dans le cadre de ma thèse, trois expérimentations ont été réalisées en faisant varier le degré de contrôle des facteurs de gestion, le type de stress climatique et la durée de ces stress. S’appuyant sur des agroécosystèmes prairiaux répartis dans trois pays Européens (France, Suisse, Portugal), les résultats des deux premières expérimentations de cette thèse montrent que les communautés microbiennes des sols des prairies écologiquement-intensives disposent d’une plus faible capacité à maintenir les propriétés écosystémiques microbiennes durant les stress (faible résistance) mais disposent d’une meilleure capacité de récupération comparée aux communautés microbiennes des sols en gestion conventionnelle-intensive. Une autre étude montre que la gestion éco-intensive favorise des communautés microbiennes protéolytiques bénéfiques à l’assimilation de l’azote pour les plantes en conditions perturbés. L’étude des traits végétaux suggère que ces effets de la gestion sur la composition des communautés microbiennes et sur leur résilience passe par certains traits, notamment une augmentation de la richesse en phosphore des litières en gestion écologiquement-intensive. En effet ces traits fonctionnels des plantes semblent influencer les traits microbiens, favorisant des communautés microbiennes copiotrophes, caractérisées par un ratio azote:phospore faible de leur biomasse et un faible investissement dans la production d’enzymes extracellulaires, deux traits négatifs pour la résistance au stress mais favorisant une récupération rapide. Ainsi, ces deux expérimentations soulignent l’importance de la gestion des traits des plantes dans le contrôle des traits microbiens et de la résilience des écosystèmes au changement climatique. La troisième expérimentation a cherché à tester spécifiquement les effets d’un épisode de fertilisation minérale sur la résilience des communautés microbiennes à différents stress climatiques. Les résultats montrent que la fertilisation modifie la composition et les traits microbiens avec des répercussions négatives sur la stabilité de l’écosystème face à la sécheresse et à l’inondation.Mobilisant une approche par le concept de trait fonctionnel microbien, ce travail de thèse apporte de nouveaux éléments de compréhension des effets de l’intensité de gestion sur la résilience des écosystèmes prairiaux face aux stress climatiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)