Understand and predict the response of elevation forest ecosystems to climate change with a program of citizen science

Les régions alpines sont particulièrement sensibles aux changements climatiques en cours. Ainsi, l’ouest des Alpes s’est réchauffé deux fois plus vite que l’hémisphère Nord au cours du XXème siècle. Les rythmes saisonniers des arbres, comme beaucoup d’autres organismes, sont fortement modifiés par le réchauffement climatique. La phénologie et les variations temporelles fines du climat apparaissent comme des composantes incontournables à prendre en compte pour prédire la répartition des espèces. L’objectif principal de ce travail de thèse a été de comprendre la réponse de la phénologie des espèces arborées au réchauffement climatique dans les Alpes et de développer des outils pour évaluer cette réponse dans le futur. Pour atteindre cet objectif nous avons utilisé des données phénologiques (débourrement, floraison, senescence foliaire,) pour le noisetier, le frêne, le bouleau, le mélèze et l’épicéa, issues du programme de sciences participatives Phénoclim.Nos résultats montrent que le réchauffement de l’hiver retarde la levée de la dormance des bourgeons et par conséquent les dates de débourrement et de floraison le long du gradient d’altitude. Cet effet est plus important à basse altitude. La robustesse des projections des modèles de répartition basés sur les processus dépend fortement de la robustesse des modèles phénologiques qu’ils utilisent. En comparant des modèles phénologiques présentant différents niveaux de complexité nous avons montré que les modèles basés sur les processus étaient les plus robustes particulièrement lorsque l’estimation de leurs paramètres reposait sur une estimation directe à l'aide de mesures expérimentales. Les modèles prévoient une réduction des écarts entre les dates de débourrement le long du gradient d'altitude pour toutes les espèces d'ici la fin du 21e siècle. Ceci est dû d’une part à un avancement des dates de débourrement à haute altitude et d’autre part à un retard des dates de débourrement à basse altitude. Nous avons également testé de nouvelles hypothèses sur le déterminisme environnemental de la croissance cellulaire dans les bourgeons, mais aucune des hypothèses testées n’a significativement amélioré les performances des modèles. Nous avons ensuite intégré les modèles phénologiques les plus performants que nous ayons obtenus au modèle d’aire de répartition basé sur les processus PHENOFIT. Nous avons réalisé pour la première fois avec ce modèle des simulations à haute résolution spatiale. Les projections du modèle montrent que les espèces arborées devraient se déplacer vers le haut du gradient d’altitude. Cependant, des phénomènes d’extinction locale pourraient avoir lieu dans les fonds des vallées liés à des dates de floraison trop tardives qui diminuerait le succès reproducteur des individus. Selon les espèces, la limite altitudinale supérieure serait contrôlée par le risque d'exposition au gel tardif des fleurs ou par la longueur de la saison de croissance qui détermine le temps disponible pour la maturation des fruits.L’ensemble de ces résultats nous a permis d’apporter des éléments de réponse sur la dynamique future des écosystèmes forestiers altitudes face au réchauffement climatique. Ils nous ont également permis de montrer que les données du programme Phénoclim étaient de qualité suffisante pour être utilisées dans des travaux de recherche scientifique.Mountainous regions are particularly exposed to the ongoing climate change. Indeed, in the Western Alps the temperature increased twice faster than in the northern hemisphere during the 20th century. Trees’ annual cycle, as in many other organisms, is largely affected by climate change. Phenology and the fine temporal variations of climate appear key to predict species distribution. The main objective of this PhD thesis work was to understand the response of tree phenology to climate change in the Alps and to develop tools to evaluate this response in future conditions. It has been carried out using the phenological observations (budburst, flowering, leaf senescence) of five tree species (hazel, ash, birch, larch and spruce) of the citizen science program Phenoclim.Our results show that warmer winters slow down bud dormancy break, and consequently the budburst and flowering dates along the elevation gradient. This effect is stronger at low elevation. The robustness of process-based species distribution models depends strongly on the robustness of their process-based phenology sub-model. By comparing different phenology models differing in their level of complexity and we showed that process-based models were the most robust especially when their parameter estimates relied on forward estimation using experimental data. Models project a reduction in the phenological cline along the elevation gradient by the end of the 21th century. This is due, on one hand, to an advancement of the budburst dates at high elevation and on the other hand, to a delay of the budburst dates at low elevation. We also tested several hypotheses on the environmental determinism of bud cell growth. However, none of the hypotheses improved significantly the models’ performance. We then implemented the best phenology models we obtained in the process-based species distribution model PHENOFIT. We carried out for the first time simulations at high spatial resolution. Projections showed that species are expected to move up along the elevation gradient in response to climate change. However, local extinction events may occur in the bottom of the valleys due to late flowering dates that would decrease the reproductive success. Depending on the species, the upper altitudinal limit would be controlled by the risk of flowers’ exposure to late spring frost or to the length of growing season, which determine fruit maturation success.All of these results, allowed us to provide some answers on the future dynamics of high altitude ecosystems in the face of global climate change. They also allowed us to show that the Phenoclim data were of sufficient quality to be used to address important scientific questions