Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Programme doctoral Environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire des systèmes écologiques ECOS)

The influence of cattle activity on tree regeneration in wood-pastures

Vandenberghe, Charlotte ; Buttler, Alexandre (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3649.

Ajouter à la liste personnelle
    Summary
    Wood-pastures are semi-natural, highly biodiverse systems maintained by traditional extensive agriculture. They are used for grazing and timber. The shifting mosaics of grassland, shrub thickets and woodland patches in these systems are driven by large herbivores. Current changes in agricultural practices are leading to either intensification or abandonment and they result in a segregation of grassland and forest. This presents a complex conservation problem for these endangered ecosystems. Large herbivores have been identified as an important factor preventing the establishment of trees and the regeneration of woodland. However, successful management is severely hindered by the lack of ecological knowledge about the effects of large herbivores on woody species. This research focussed on the quantification of the impact of cattle activity on the early stages of tree establishment for four tree species (Abies alba, Picea abies, Acer pseudoplatanus and Fagus sylvatica) common in the wood-pastures of the Swiss Jura Mountains. Cattle can have both direct and indirect effects on tree establishment, and the interaction between cattle activity and both competition and facilitation by surrounding vegetation was studied. Experimental field studies (involving seed sowing and sapling planting) were carried out. Both cattle activity and competition from neighbours reduced first-year tree seedling recruitment in wood-pastures. Seedling establishment decreased with increasing cattle grazing intensity. The effects of gaps in the vegetation on seedling emergence were complex, as a result of biotic (i.e. competition, facilitation and predation from rodents, invertebrates and large herbivores) and abiotic (e.g. moisture, temperature and light) interactions, leading to different results in different years. Although overall the chances for tree seeds to make it to seedlings were low, seedling establishment was relatively high for Picea, intermediate for Abies and Acer and low for Fagus. The probability of a sapling of being browsed increased with sapling size and decreased with the height of surrounding vegetation and in the presence of nurse shrubs. It was similar for the four species and under low and high grazing intensities. Saplings had species- and size-specific responses in survival and growth to cattle browsing. Under both low and high grazing intensity, small coniferous saplings (36 %) had a lower survival rate than small deciduous saplings (53 %), which we hypothesize is due to the larger biomass losses stemming from a more vulnerable plant architecture. Under low grazing intensities, large Picea (80 %) and Fagus (67 %) saplings had a higher survival than large Acer (50 %) and Abies (33 %) saplings. This was likely due to differences in sapling tolerances to loss of biomass. Simulated browsing damage resulted in relatively smaller growth losses when small saplings were growing slowly in the presence of neighbours. Shade increased this effect. At least in the short term, the degree of small sapling tolerance was not related to plant performance as saplings that compensated almost for biomass losses still had lower survival and growth rates than less tolerant saplings. Picea was the only species not negatively affected by strong irradiance as found in an open pasture. For all tree species, the facilitative effect of nurse shrubs on small saplings was highest at intermediate levels of grazing intensity. Shrubs were more heavily damaged at high intensity than low intensity. Consequently, escaping browsing, sapling survival and growth was significantly increased by shrubs under low grazing intensity but not under high grazing intensity. Moreover, the positive effects of shrubs tended to be higher for coniferous species, and in particular Picea which was more sensitive to both competition from neighbours and browsing. In conclusion, the resistance of trees to cattle activity varies among the early stages of tree establishment and is affected by tree species, grazing intensities and environmental conditions. Both competitive and facilitative interactions found between young trees and surrounding vegetation illustrate the complex nature of plant-plant and plant-animal interactions during the tree establishment phase in wood-pastures. The insight provided into the interactions between cattle grazing and tree establishment in wood-pastures will contribute to improve ecological theory and models, in addition to informing the management and conservation of wood-pasture systems.
    Résumé
    Les pâturages boisés sont des écosystèmes semi-naturels abritant une grande biodiversité et sont maintenus par une agriculture traditionnelle extensive. Ils sont utilisés pour la pâture et l'exploitation du bois. Les mosaïques tournantes des pâtures ouvertes, des bouquets d'arbustes et des parcelles de forêts dans ces systèmes évoluent sous l'influence des grands herbivores. Les changements actuels dans les pratiques agricoles mènent à la fois à une intensification ou à l'abandon et il en résulte une séparation entre pâture et forêt. Ceci constitue un problème complexe de conservation pour ces écosystèmes menacés. Les grands herbivores ont été reconnus comme étant un facteur important limitant l'établissement des arbres et la régénération de la forêt. Cependant, une bonne gestion est sévèrement empêchée par des lacunes dans nos connaissances sur les effets qu'ont les grands herbivores sur les essences forestières. Cette recherche a pour objectif de quantifier l'impact de l'activité du bétail sur les stades précoces de l'établissement des essences (Abies alba, Picea abies, Acer pseudoplatanus et Fagus sylvatica) communes dans les pâturages boisés du Jura suisse. Le broutage par les vaches peut avoir une action directe et une indirecte sur l'établissement des arbres, et l'interaction entre l'activité du bétail et, à la fois la compétition et la facilitation par la végétation herbacée a été étudiée. Des études expérimentales en champs (incluant des ensemencements de graines et transplantations de plantules) ont été réalisées. L'activité du bétail comme la compétition avec les voisins herbacés réduisaient le recrû des semis d'arbres la première année en pâturages boisés. L'établissement des semis diminuait avec l'augmentation de l'intensité de broutage. Les effets des trouées dans la végétation sur l'émergence des semis étaient complexes, résultant des interactions biotiques (i.e. la compétition, la facilitation et la prédation par les rongeurs, invertébrés et grands herbivores) et abiotiques (p. ex. l'humidité, la température et la lumière), menant à des résultats différents suivant les années. Bien que, d'une façon générale, les chances pour des graines d'arbres de devenir des semis ont été faibles, l'établissement des semis était relativement élevé pour Picea, intermédiaire pour Abies et Acer et faible pour Fagus. La probabilité qu'une plantule soit broutée augmentait avec sa taille et diminuait avec la hauteur des herbacées voisines et la présence de buissons protecteurs. Elle était la même pour les quatre espèces et avec des pressions de broutage faible et élevée. Les plantules ont montré des réponses spécifiques aux espèces et à la taille pour leur survie et leur croissance. Sous une faible et une forte intensité de broutage, les petites plantules de conifères avaient un taux de survie plus faible (36 %) que celles des feuillus (53 %), certainement en relation avec de plus grandes pertes de biomasse liées à une architecture plus vulnérable des plantes. Sous de faibles intensités de broutage, les grandes plantules de Picea (80 %) et Fagus (67 %) avaient une meilleure survie que celles d'Acer (50 %) et Abies (33 %). Ceci était probablement dû aux différences dans les tolérances des plantules à la perte de biomasse. Le dommage résultant de la simulation de broutage a produit de faibles pertes de biomasse lorsque les petites plantules grandissaient lentement en présence des voisins herbacés. L'ombrage a augmenté cet effet. Au moins à court terme, le degré de tolérance des petites plantules n'était pas lié à la santé des plantes (i.e. la probabilité de survivre et la croissance) puisque les plantules qui compensaient presque toute leur perte de biomasse avaient encore une santé plus faible que les plantules moins tolérantes. Picea fut la seule espèce non négativement affectée par une forte irradiance comme celle que l'on trouve dans les pâturages ouverts. Pour toutes les espèces d'arbres, la facilitation d'un buisson protecteur sur une plantule a été la plus grande à une intensité moyenne de broutage. Les buissons étaient plus fortement endommagés à forte qu'à faible intensité de broutage. En conséquence, la probabilité d'échapper au broutage, de survivre ou de grandir augmentait lorsque la plantule sous le buisson était soumise à une faible mais pas à une forte intensité de broutage. De plus, les effets positifs des buissons tendaient à être plus élevés pour les conifères et en particulier pour Picea qui était plus sensible à la fois à la compétition par les voisins herbacés et au broutage. En conclusion, la résistance des arbres à l'activité du bétail varie entre les premiers stades d'établissement des arbres et dépend des essences, des intensités de broutage et des conditions environnementales. Des interactions à la fois compétitives et facilitatives trouvées entre les jeunes arbres et la végétation qui les accompagne illustrent la nature complexe des interactions plantes-plantes et plantes-animaux durant la phase d'établissement des arbres en pâturages boisés. L'aperçu des interactions entre le broutage des plantes par les vaches et l'établissement des arbres en milieux semi-ouverts contribuera à renforcer la théorie et les modèles écologiques, comme à procurer des éléments de gestion et de conservation pour ces écosystèmes.