Synthèse des connaissances et modélisation basée sur les processus des relations entre la diversité végétale, l'environnement et la gestion des prairies

Knowledge synthesis and process-based modelling of relationships between plant diversity, environment and management in grasslands

• Auteur / Autrice : Francesca Piseddu
• Direction : Gianni Bellocchi, Giovanna Seddaiu, Catherine Picon-Cochard, Pier Paolo Roggero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Agroécologie
• Date : Soutenance le 10/11/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut National de la Recherche Agronomique (France). Unité mixte de Recherche sur l'Ecosystème Prairial (Clermont-Ferrand, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Malagoli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renata Sandor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roberto Confalonieri, Claudia Di Bene

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gestion des pâturages

Écologie des pâturages

Écologie des prairies

Mots clés libres

Biodiversité

Intensité de la gestion

Modélisation des prairies

Prairies multi-espèces

Abondance relative des espèces

Prairies annuelles auto-ensemencées

Biodiversity

Management intensity

Grassland modelling

Multi-species-grasslands

Species relative abundance

Annual self-reseeding grasslands

Résumé

Les prairies et les pâturages sont des systèmes de production herbacés qui couvrent environ 40 % de la surface de la terre (52,5 millions de km2). La production herbacée dans ces systèmes constitue la principale source de nourriture pour de nombreuses espèces d'herbivores faisant l'objet d'une agriculture extensive ou semi-extensive. Compte tenu de leur complexité, les prairies et pâturages sont des écosystèmes uniques pour l'étude des fluctuations de la végétation et fournissent un cadre conceptuel pour comprendre l'évolution de ces communautés végétales en termes de rétroactions entre les composantes naturelles (environnementales) et humaines (gestion) dans le continuum sol-végétation-atmosphère. Dans le chapitre 3, nous avons développé une compréhension globale de la modification de la richesse des espèces due à la gestion (fauchage) et à la variation du climat (réchauffement) dans le monde entier. Les résultats montrent que la fauche et le réchauffement modifient la richesse en espèces, qui augmente en moyenne d'environ 32% avec la fauche annuelle (par rapport à l'absence de fauche) et diminue d'environ 13% avec le réchauffement (par rapport à la température ambiante). Lorsque cela était possible, nous avons pris en compte la biomasse récoltée en tant que variable concomitante et nous avons constaté que, dans l'ensemble, elle diminuait d'environ 21 % (fauchage) et augmentait d'environ 11 % (réchauffement). Dans les chapitres 4 et 5, nous avons abordé la modélisation des fluctuations de l'abondance relative des espèces végétales (ou des types d'espèces) sur deux études de cas : un site d'observation à long terme dans le Massif Central français et une expérience menée pendant la thèse sur l'île de Sardaigne en Italie. Dans le premier cas, le modèle de culture ModVege a été couplé avec CoSMo pour simuler l'abondance relative des types fonctionnels et des espèces. Trois solutions de modélisation - le modèle ModVege pour l'estimation de la biomasse et sa version couplée à CoSMo (ModVege-CoSMo) pour les types fonctionnels et les espèces individuelles - ont été évaluées pour la production de biomasse et l'abondance relative des types d'espèces et des espèces individuelles en utilisant des données pluriannuelles collectées de 2006 à 2018 de prairies multi-espèces fauchées et non perturbées. Pour la production de biomasse, les performances des solutions basées sur CoSMo étaient similaires à celles de ModVege, avec une différence moyenne de <1,2 t ha-1 entre les simulations et les observations. ModVege-CoSMo a simulé les fluctuations des types fonctionnels avec une précision suffisante dans tous les traitements, avec des erreurs relatives quadratiques moyennes (RRMSE) rarement >30%. La précision de la simulation de l'abondance relative des espèces végétales était aussi généralement satisfaisante. Dans le chapitre 5, les espèces de graminées annuelles ont été simulées à l'aide du modèle de croissance des cultures CropSyst et de sa version basée sur CoSMo. En particulier, nous avons simulé de manière dynamique l'abondance relative des espèces dans quatre peuplements purs (deux graminées, à savoir l'avoine de printemps et le ray-grass annuel, et deux légumineuses, à savoir le michelian et le trèfle souterrain) et trois peuplements mixtes (50:50, 25:75 et 75:25 de graminées et de légumineuses) d'espèces de prairies annuelles à auto-reproduction avec deux régimes de fauche (deux ou trois coupes). La simulation de la production de biomasse a été satisfaisante, avec des différences minimes entre CropSyst et CoSMo-CropSyst. La précision de CropSyst-CoSMo dans la simulation des abondances relatives des quatre espèces dans les mélanges était globalement satisfaisante pour la gestion des fréquences de fauche élevées. (...)

Grasslands and pastures are herbaceous production systems that cover about 40% of the earth's surface (52.5 million km2). Herbaceous production in these systems is the main source of food for many extensively or semi-extensively farmed herbivore species. Given their complexity, grasslands and pastures are unique ecosystems for studying vegetation fluctuations and provide a conceptual framework for understanding the evolution of these plant communities in terms of feedbacks between natural (environmental) and human (management) components in the soil-vegetation-atmosphere continuum. In chapter 3 we developed a comprehensive understanding of species richness modification due to management (mowing) and climate (warming) variation worldwide. The results show that both mowing and warming modify species richness, which on average increased by c. 32% with once-a-year mowing (against no mowing) and declined by c. 13% with warming (against ambient temperature). Where available, we accounted for harvested biomass as a concomitant variable and we found that overall it decreased by c. 21% (mowing) and increased by c. 11% (warming). In Chapters 4 and 5 we addressed the modelling of fluctuations in the relative abundance of plant species (or species types) on two case studies: a long-term observation site in the French Massif Central and an experiment conducted during the thesis in the island of Sardinia in Italy. In the first case, the ModVege crop model was coupled with CoSMo to simulate the relative abundance of functional types and species. Three modelling solutions - the ModVege model for biomass estimation and its version coupled to CoSMo (ModVege-CoSMo) for functional types and individual species - were evaluated for biomass production and relative abundance of species types and individual species using multi-year data collected from 2006 to 2018 of both mowed and undisturbed multi-species grasslands. For biomass production, the performance of the CoSMo-based solutions was similar to that of ModVege, with an average difference of <1.2 t ha-1 between simulations and observations. ModVege-CoSMo accurately simulated fluctuations of functional types with sufficient accuracy in all treatments, with relative root mean square errors (RRMSE) rarely >30%. The accuracy in simulating the relative abundance of plant species was also generally satisfactory. In Chapter 5, annual grass species were simulated using the CropSyst crop growth model and its CoSMo-based version. In particular, we dynamically simulated relative species abundance in four pure (two grasses, i.e. spring oat and annual ryegrass, and two legumes, i.e. balansa and subterranean clovers) and three mixed (50:50, 25:75 and 75:25 of grasses and legumes) stands of annual self-reseeding grassland species with two mowing regimes (two or three cuts). The simulation of biomass production was satisfactory, with minimal differences between CropSyst and CoSMo-CropSyst. The accuracy of CropSyst-CoSMo in simulating the relative abundances of the four species in the mixtures was overall satisfactory for high mowing frequency management. By integrating synthesis research (i.e. meta-analysis) and process-based modelling (supported by long-term observations and field experiments), this thesis explored and learned how generic simulation models can be extended to ensure consistency between the growth dynamics of the plant species represented in a community and the biophysical processes in the same community.