Global change affects ecosystems in complex and diverse ways. Interdisciplinary and systemic approaches are required in order to understand the multiple changes we are facing. In this regard, species distribution models (SDMs), which relate species observations to the environmental conditions where they occur, are widely use to tackle this issue. SDMs allow for the spatial prédiction of plant species, as well as potential future distributions under différent scénarios of climate warming.
However, the realized environmental niche concept behind the development of SDMs implies that many environmental factors must be simultaneously accounted for in order to predict plant species distributions. Climatic and topographie factors are often included, whereas soil factors are frequently neglected even though soil properties have been widely shown to influence plant growth and distribution. The paucity of soil information available spatially and the lack of comparative study on this subject are the main causes of this neglect. It is important to emphasise that this gap not only impacts the quality of plant SDMs, but also our compréhension of the soil-vegetation relationship, especially in light of recent global change. Therefore, a deeper understanding of the spatial and temporal variation of soil, végétation and the link between them is essential to optimally conserve and manage the pedosphere-atmosphere interface.
In this thesis I aim to identify, the most crucial soil factors for explaining alpine plant distributions and, among those identified, which ones further improve the prédictive power of plant SDMs. In addition, I investigate the appropriate spatial modelling techniques to map key soil properties. Finally, I explore the spatial and temporal variation in the soil, the végétation and the link between them over more than 40 years with a re¬visitation study taking place in the Swiss Western Alps.
During this thesis I showed that geochemical variables (e.g., CaO, pH or inorganic carbon content), water- related variables (i,e„ bulk soil water content or soil water holding capacity) and finally a variable that could
reflect biotic habitat [i.e., <S13CSOM] improved the prédictive capacity of the models for the large majority of plant species inhabiting the Swiss Western Alps. Moreover, I assessed the utility of prédictive approaches for digital soil mapping. In particular, I applied a technique called "weighted ensemble of small models", to overcome the challenge of creating maps for difficult-to-measure soil variables when only a small number of field sites can be measured. Finally, I identified a lack of temporal relationship between plant and soil system évolution. More specifically, I observed that soi! and végétation respond to différent climate change drivers, which could lead to a partial decoupling of these two ecosystem components.
Overall, this thesis reveals that the soil system is important for capturing a species' niche and that even simple soil measurements can increase our ability to model plant species distributions. Moreover, this thesis highlighted that the soil-vegetation interface is a critical and complex system from which we typically have a partial snapshot if sampled only at a given time. A global understanding of ail compartments of the soil- vegetation interface is required to truly understand the future évolution of ecosystem and to be able to establish useful and integrated conservation programs.
Above- and belowground biogeography : Spatial modelling of a hidden system
Aline Buri, Institute of Earth Surface Dynamics, FGSE
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La complexité des effets des changements globaux sur les écosystèmes requière une approche interdisciplinaire et systémique indispensable à l'appréhension des multiples changements auxquels nous sommes confrontés. À cet égard, les modèles prédictifs de distribution (MPD) des espèces végétales, servant à établir des liens entre les observations des individus et les conditions environnementales, constituent un instrument performant. Ils permettent de prévoir la distribution spatiale des espèces végétales et d'estimer l'évolution de cette distribution en fonction de différents scénarios de changement climatique. Cependant, le développement des MPD repose sur le concept de niche environnementale qui implique une prise en compte simultanée de nombreux facteurs environnementaux pour assurer la prédiction de la répartition des espèces végétales. Les facteurs climatiques et topographiques sont régulièrement intégrés dans ce type de modélisation, alors que les facteurs liés au sol sont souvent négligés, malgré les nombreuses recherches démonlrant l'influence des propriétés du sol sur la croissance et la distribution des plantes. La faible prise en compte du sol et de ses caractéristiques dans les MDPs, est principalement liée à un manque d'informations spatiales disponibles sur les sols, ainsi que l'absence d'études comparatives. Ceci n'a pas seulement pour effet d'affaiblir la qualité des MDP des plantes, mais se répercute plus largement sur notre compréhension du lien entre le sol et la végétation et de son évolution dans le contexte des changements globaux auxquels nous faisons face. Il est donc essentiel d'améliorer notre compréhension des variations spatiales et temporelles des propriétés du sol et de la végétation ainsi que du lien qui existe entre eux, pour pouvoir assurer un maintien et une gestion optimale de l'interface pédosphère-atmosphère.
Cette thèse vise à identifier, dans les préalpes vaudoises, les facteurs de sol cruciaux pour la distribution des plantes alpines, et à déterminer lesquels contribuent à une amélioration du pouvoir prédictif des MDP des espèces végétales. Différentes techniques de modélisation spatiale ont été expérimentées dans l'objectif de sélectionner les plus performantes dans la cartographie des propriétés clés des sols. Les variations spatiales et temporelles du sol, de la végétation et de leur interrelation ont pu être analysées, en réétudiant des données récoltées il y a plus de 40 ans dans la région d'étude.
Les travaux réalisés ont permis de démontrés que des variables géochimiques (p. ex., CaO, pH ou teneur en carbone inorganique], des variables liées à l'eau (c.-à-d., la teneur en eau du sol ou la capacité de rétention en
eau du sol] et enfin une variable pouvant refléter l'habitat biotique (c.-à-d„ £13CSOM) améliorent les capacités prévisionnelles des modèles de la grande majorité des espèces végétales habitant les Préalpes Suisse. De plus, l'efficacité des approches prédictives pour la cartographie numérique des sols a pu être évaluée. La méthode des « ensembles pondérés de petits modèles » a notamment permis de surmonter le défi de la réalisation de cartes pour des variables de sol difficiles à mesurer. Finalement, une absence de relation temporelle entre l'évolution des systèmes végétaux et pédologiques a pu être établie. En effet, les recherches menées ont permis d'observer des réactions variables du sol et de la végétation aux différents facteurs du changement climatique, mettant ainsi en lumière un découplage partiel potentiel entre ces deux composantes de l'écosystème.
De manière générale, cette thèse a révélé que le système pédologique est important pour capturer la niche d'une espèce et que des mesures de sol relativement basiques peuvent contribuer à améliorer les modélisations de la distribution des espèces végétales. De plus, ce travail a également permis d'illustrer dans quelle mesure l'interface sol-végétation est un système particulièrement critique et complexe dont l'aperçu n'est que partiel si l'échantillonnage n'est réalisé qu'à un moment précis. Pour conclure, ce travail souligne les enjeux d'une compréhension globale de toutes les caractéristiques de l'interface sol- végétation pour cerner efficacement l'évolution future des écosystèmes et être en mesure d'établir des programmes de conservation efficaces.