TOWARDS A BETTER CHARACTERIZATION OF MORPHOLOGICAL PLASTICITY AND BIOMASS PARTITIONING OF TREES IN STRUCTURAL DYNAMICS OF MANGROVE FORESTS - IRD - Institut de recherche pour le développement Access content directly
Theses Year : 2016

TOWARDS A BETTER CHARACTERIZATION OF MORPHOLOGICAL PLASTICITY AND BIOMASS PARTITIONING OF TREES IN STRUCTURAL DYNAMICS OF MANGROVE FORESTS

VERS UNE MEILLEURE CARACTÉRISATION DE LA PLASTICITÉ MORPHOLOGIQUE ET DU PARTITIONNEMENT DE LA BIOMASSE DES PALÉTUVIERS POUR L’ÉTUDE DE LA DYNAMIQUE DES FORÊTS DE MANGROVES

Abstract

Changing environmental conditions often impose stressful growing conditions in plant communities. Until now, morphological plasticity, i.e. polymorphic growth physiognomies of plants, has not been sufficiently studied as a pivotal strategy for the whole ecosystem adaptation to environmental stress. We consider mangrove ecosystems as suitable models to provide insights on this subject. In the thesis, I investigate the ecological significance of tree morphological plasticity in the structural development and the dynamics of mangrove forests. I conducted field experiments in two regions located on both sides of the Amazon River mouths i.e. in French Guiana and North Brazil. Forest inventories were carried out in contrasting mangrove stands in both regions. The thesis combines empirical analysis of field data, terrestrial laser scanning (TLS), and mechanistic, individual-based computer simulations. We published results that proved the TLS-based analysis of individual tree structure useful for a better knowledge on biomass allocation between trunk and branches in tall and large Avicennia germinans mangrove trees reaching 45 m high and 125 cm of trunk diameter. Combining structural descriptions of A. germinans trees found in both sites, I highlighted the site-specific differences in tree allometries. The study suggests that regional differences in mangrove tree structure and function could be captured through better description of crown metrics, and that selected indicators of local morphological plasticity and consequent stand structure could generate a plus-value in the understanding of mangrove stand dynamics across contrasting coastal environments. Beyond extension of allometric models to large Avicennia trees, we proposed new biomass equations with improved predictive power when crown metrics is taken into account. Additionally, we developed a novel software tool, named Lollymangrove, based on the AMAPStudio suite of software, with the objective of maximizing the potential of further field descriptions and modeling works. Lollymangrove allows standardized forest data capture, 3D visualization of structural data, aboveground biomass computations from a configurable and export formats for forest dynamics and remote sensing models. Simulation experiments were conducted by means of the spatially explicit, individual-based stand model BETTINA_IBM. This model describes the important mechanism of water uptake limited by salt stress, and revealed insights into the relation between environmental conditions, allometric variations and biomass partitioning of mangrove trees, and stand characteristics. The simulation results suggest close matches with observed ecological patterns (e.g., tree allometries, mortality distributions, and self-thinning trajectories) under higher salinity. In low salinity conditions, however, the current parameterization underestimates the maximum tree height and diameter, and consequently, aboveground biomass and self-thinning trajectories of forest stands. This suggests that the morphology of trees under low levels of salinity are explained by further regulation mechanism(s) that still need to be addressed in a subsequent model improvement. Overall, this work has essentially pointed out the need to elucidate how morphological plasticity relates with structural development of forest stands. It establishes that TLS measurements and structural data analysis associated to efforts for integrative software and mechanistic modelling works could link mangrove dynamics to fast-changing coastal processes.
Les changements environnementaux sont souvent sources de stress pour la croissance des plantes. Jusqu’à présent, la plasticité morphologique des arbres, c’est à dire leur capacité à produire des physionomies différentes, n’a été que peu envisagée comme stratégie d’adaptation du peuplement forestier à un environnement stressant. Etant donné la variabilité des physionomies de palétuviers observée y compris au sein d’une même espèce, l’étude des mangroves nous apparait pertinente à la fois pour aborder la question de l’adaptation des formes de plantes à des environnements changeants mais également pour apprendre sur le fonctionnement de cet écosystème soumis en permanence à des changements environnementaux. J’ai donc cherché à caractériser l’importance de la plasticité morphologique des palétuviers dans la structuration et la dynamique des forêts de mangroves. Pour cela, j’ai réalisé des expérimentations de terrain dans deux grandes régions de mangroves situées de part et d’autre de l’embouchure de l’Amazone, à savoir, la Guyane Française et la péninsule de Bragança, dans l’état du Pará au Brésil. Le travail de thèse a combiné à la fois des analyses empiriques de données forestières, l’acquisition et le traitement de données issues d’un scanner laser terrestre (TLS) utilisées pour décrire la physionomie d’arbres adultes et de la modélisation écologique. Nous avons publié des résultats qui attestent du potentiel de données TLS pour obtenir une meilleure connaissance de la distribution de biomasse entre le tronc et les branches dans le cas de grands et larges palétuviers de l’espèce Avicennia germinans, pouvant atteindre 45 m de haut et 125 cm de diamètre de tronc. En combinant les descriptions de structure arborée acquises sur nos deux sites d’étude, nous avons mis en évidence des différences nettes dans les allométries décrivant la croissance de cette espèce. J’ai proposé de nouvelles équations allométriques qui intègrent des paramètres descriptifs de houppiers. En parallèle, nous avons développé un nouvel outil, nommé Lollymangrove, intégré à la suite de logiciels AMAPStudio dans l’objectif de maximiser le potentiel des futures descriptions et travaux de modélisation. Lollymangrove permet de saisir des données d’inventaires forestiers, de visualiser les faciès forestiers sous la forme de peuplements 3D en ‘sucettes’, de faire des calculs de biomasse épigée à partir d’une interface configurable proposant la plupart des modèles allométriques de la littérature et d’exporter dans des formats utilisables par les modèles de dynamique forestière et de télédétection. En parallèle, des simulations ont été réalisées avec le modèle BETTINA_IBM. Ce modèle individu centré et spatialement explicite décrit les mécanismes d’absorption de l’eau sous contraintes de salinité. Il permet d’appréhender les relations entre les conditions environnementales, les variations allométriques, le partitionnement de biomasse dans les palétuviers et la structuration des peuplements forestiers. En conditions de forte salinité, les résultats sont en bonne adéquation avec des processus écologiques simples (allométries, trajectoires d’auto-éclaircie, densité de mortalité, etc.). Dans des conditions de faible salinité, le paramétrage actuel sous-estime la hauteur et le diamètre maximaux observés. Les mécanismes de régulation à faible niveau de salinité doivent donc être mieux décrits dans le modèle utilisé. Pour résumer, ce travail de thèse insiste sur le besoin d’élucider comment la plasticité morphologique des palétuviers influence le développement structural et le fonctionnement des forêts de mangroves. Il a établi que la combinaison de mesures TLS et d’analyses de données de structure forestière associée à des efforts de modélisation écologique pouvait fournir des éléments indispensables pour lier dynamique des mangroves et dynamique des processus côtiers.
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Adewole Olagoke. TOWARDS A BETTER CHARACTERIZATION OF MORPHOLOGICAL PLASTICITY AND BIOMASS PARTITIONING OF TREES IN STRUCTURAL DYNAMICS OF MANGROVE FORESTS. Ecosystems. AgroParisTech -Technishe Universitat Dresden, 2016. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02077742⟩
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