Structuring uncertainty and variability in forest dynamics models - Application to coexistence of silver fir and Norway Spruce in mountain forests
Structurer l'incertitude et la variabilité dans les modèles de dynamique forestière - Application à la coexistence du Sapin et de l'Epicéa en forêt de montagne
Résumé
Practitioners and decision-makers need information on how to conserve mixed Fir and Spruce forests in mountains. To answer this question, we modelled demographic (growth, mortality, recruitment) and allometric functions from field data for the two species. These functions have been implemented in a forest dynamics model to improve the knowledge on natural dynamics of the two species and to test for silvicultural practices. Parameter estimation was performed within a hierarchical Bayesian framework. Estimation permitted to quantify and underline species differences : Fir, the relatively shade-tolerant species compared to Spruce, was less sensitive to self-thinning, had a higher growth and a higher probability of recruitment at low light than Spruce. Models took into account observation errors and spatio-temporal process variability. Individual variability (or so-called intra-specific variability) and temporal variability (interannual and intraindividual variability) were significant and tended to equalize species fitness, inverting species hierarchy locally in space or sporadically in time. First simulations with simulator Samsara2 showed a better behavior of the model when including process variability. Variability led to patterns for stand structuration (tree heights and diameters) and to patterns for basal-area evolution with time which were much more realistic than without variability. Running simulations on a mixed Fir and Spruce stand, we observed a competitive exclusion of Spruce by Fir. Equalizing mechanisms associated to variability were not able to blur the competitive advantage of Fir on Spruce. Nevertheless, transient dynamics of the system was slow and apparent coexistence of the two species lasted for several hundred years.
Les gestionnaires forestiers sont demandeurs d'une aide à la décision pour la conservation du mélange Sapin et Epicéa en forêt de montagne. Pour répondre à leur attente, nous avons modélisé, pour les deux espèces, les fonctions démographiques (croissance, mortalité et recrutement) et les fonctions d'allométries à partir de données de terrain. Ces fonctions ont été implémentées dans un modèle de dynamique forestière afin d'améliorer les connaissances sur la dynamique naturelle des deux espèces et d'envisager des tests de scénarios sylvicoles. L'estimation statistique des paramètres des modèles a été effectuée dans un cadre bayésien hiérarchique. Elle a permis de mettre en évidence et de quantifier les différences entre espèces : le Sapin, espèce tolérante à l'ombre comparativement à l'Epicéa, est moins sensible à l'autoéclaircie, a une croissance plus forte et un taux de recrutement plus important à faibles niveaux de lumière que l'Epicéa. Les modèles développés ont pris en compte l'incertitude sur les observations et la variabilité spatio-temporelle des processus. La variabilité individuelle (ou intraspécifique) et temporelle (interannuelle et intra-individuelle) est forte et tend à égaliser la fitness des deux espèces en inversant la hiérarchie des espèces localement dans l'espace ou sporadiquement dans le temps. Les premières simulations à l'aide du simulateur Samsara2 indiquent un meilleur comportement du modèle lorsque la variabilité spatio-temporelle est inclue dans les processus. La variabilité assure une structuration en hauteur et en diamètre ainsi qu'une évolution de la surface terrière qui correspondent à des patterns plus réalistes que lorsque la variabilité n'est pas prise en compte. A l'issue des premières simulations sur un peuplement test en mélange, on observe une exclusion compétititve systématique de l'Epicéa par le Sapin. Les mécanismes égaliseurs associés à la variabilité ne parviennent pas à contrebalancer l'avantage compétitif du Sapin sur l'Epicéa. Toutefois, la dynamique transitoire du système est lente et la coexistence apparente des deux espèces peut s'étaler sur plusieurs centaines d'années.