Thèse Quand les Arbres Urbains Aident ou Nuisent Effets en Cascade de l'Urbanisation des Insectes Ravageurs à la Qualité de l'Air. H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université de Bordeaux
École doctorale : Sciences et environnements
Laboratoire de recherche : BIOGECO - BIOdiversité, Gènes & Communautés
Direction de la thèse : Bastien CASTAGNEYROL ORCID 0000000187957806
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-27T23:59:59

Les arbres urbains fournissent de nombreux services écosystémiques aux personnes vivant et travaillant en ville, améliorant leur santé et leur bien-être. Or, ces services sont dépendants de l'état sanitaire des arbres. Les arbres stressés ou endommagés peuvent au contraire générer des desservices écosystémiques. Maintenir un équilibre durable entre services et desservices nécessite une meilleure compréhension des facteurs qui déterminent la santé des arbres, et en cascade, celle des citadins.

L'objectif de la thèse est de déterminer comment les conditions environnementales liées à l'urbanisation et les interactions biotiques déterminent la santé des arbres, avec un focus particulier sur les insectes ravageurs et leurs ennemis naturels. Le projet combine des analyses à grande échelle d'inventaires d'arbres urbains dans plusieurs villes françaises avec des études de terrain ciblées. Il s'agira d'identifier les variables environnementales, spatiales et de gestion prédisant de l'état de santé des arbres. A ces fin, un réseau d'arbres sentinelles sera établi dans des environnements urbains contrastés. Les arbres sentinelles feront l'objet d'un suivi régulier afin de quantifier l'herbivorie par les insectes, l'émission de composés organiques volatils biogéniques et les modifications du microclimat.

En reliant les caractéristiques de l'urbanisation à la santé des arbres, ce projet identifiera les conditions dans lesquelles les arbres urbains passent de la fourniture de services écosystémiques à la génération de desservices. Les résultats fourniront des recommandations concrètes aux gestionnaires et planificateurs de forêts urbaines afin de soutenir des forêts urbaines résilientes et multifonctionnelles.

(English below)

Les arbres urbains fournissent une large gamme de services écosystémiques essentiels (SE), notamment le refroidissement de l'air et des surfaces (Alonzo et al. 2025), la prévention du ruissellement des eaux pluviales (Dowtin et al. 2023), la dépollution potentielle de l'atmosphère (Fitzky et al. 2019), le soutien à la biodiversité et, plus généralement (Basile et al. in press), la promotion du bien-être des personnes exposées aux arbres (Sheets and Manzer 1991). La reconnaissance des SE fournis par les arbres a conduit à des campagnes ambitieuses visant à augmenter le couvert arboré en ville (Sousa-Silva et al. 2023).

Cependant, à mesure que la recherche progresse et que davantage d'arbres sont plantés, les effets négatifs des arbres urbains - c'est-à-dire les desservices écosystémiques (DSE) - suscitent une attention croissante (Roman et al. 2021), soulignant la nécessité de considérer à la fois les mesures objectives de l'influence des arbres sur l'environnement urbain et la perception subjective qu'en ont les citoyens et les parties prenantes (Savo et al. 2025).

Les arbres urbains sont structurellement soumis à des stress liés aux températures extrêmes résultant de l'effet d'îlot de chaleur urbain (Frank and Backe 2022), à la sécheresse exacerbée par l'imperméabilisation des surfaces (Frank 2021), au développement facilité des insectes ravageurs et à l'affaiblissement de leur contrôle par les ennemis naturels (Tabassum et al. 2024), ainsi qu'aux interactions entre ces facteurs. Les adaptations physiologiques à la chaleur extrême et à la sécheresse entraînent la fermeture des stomates et l'abscission prématurée des feuilles (Teskey et al. 2015), réduisant ainsi l'effet de refroidissement assuré par l'ombrage et la transpiration.

Les événements climatiques extrêmes ou les dégâts causés par les ravageurs induisent l'émission de composés organiques volatils biogéniques (COVB) dans l'atmosphère (Faiola and Taipale 2020, Yu et al. 2021), qui interagissent in situ avec d'autres composés atmosphériques pour produire une partie de deux polluants atmosphériques majeurs responsables de centaines de milliers de décès par an à l'échelle européenne (European Environment Agency 2024) : l'ozone (Calfapietra et al. 2013, Maison et al. 2024) et les aérosols organiques secondaires ultrafins (AOS) (Riccobono et al. 2014).

Comprendre les déterminants de la santé des arbres urbains apparaît donc comme un levier clé, mais encore insuffisamment exploré, pour maintenir durablement l'équilibre entre SE et DSE en ville.
En dehors des abattages intentionnels, les insectes ravageurs figurent parmi les principales causes de mortalité des arbres en ville (Petrova et al. 2025). L'herbivorie par les insectes résulte d'une interaction complexe entre les caractéristiques physiques et chimiques de la plante hôte (effets qualifiés de bottom-up), les ennemis naturels des herbivores (effets top-down), et l'environnement abiotique influençant à la fois les effets bottom-up et top-down (Moreira and Abdala-Roberts 2023). Ces trois composantes sont elles-mêmes influencées par l'environnement urbain.

Des travaux récents ont mis en évidence le rôle de l'identité, de la densité et de la diversité des espèces d'arbres dans la structuration des interactions entre les arbres, les insectes herbivores et leurs ennemis (Stemmelen et al. 2022, 2025, Schille et al. 2025), lesquels déterminent en grande partie l'état sanitaire des arbres (Petrova et al. 2025). Toutefois, de nombreuses questions subsistent concernant la configuration horizontale et verticale de la forêt urbaine qui détermine la vulnérabilité des arbres aux insectes herbivores, ainsi que l'échelle spatiale à laquelle ces effets se manifestent (Valdés-Correcher et al. 2022, Schille et al. 2024).

Décrypter les liens potentiels entre insectes ravageurs, santé des arbres et services écosystémiques en milieu urbain nécessite une compréhension approfondie des facteurs environnementaux qui façonnent à la fois les dégâts d'insectes et leurs conséquences fonctionnelles sur la physiologie des arbres dans des environnements contrastés.

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Urban trees provide a large range of essential ecosystem services (ES), including the cooling of air and surface temperatures (Alonzo et al. 2025), the prevention of rainwater runoff (Dowtin et al. 2023), the potential cleaning of the atmosphere (Fitzky et al. 2019), the support of biodiversity (Basile et al. in press), and more generally, the promotion of well-being among people exposed to trees (Sheets and Manzer 1991). The recognition of the ES trees provide has led to ambitious campaigns aimed at increasing canopy cover in cities (Sousa-Silva et al. 2023). However, as research has advanced and more trees have been planted, the downsides of urban trees - i.e., ecosystem disservices (EDS) - have raised increasing concern (Roman et al. 2021), highlighting the need to consider both the objective measurements of tree influence on the urban environment and the subjective perception citizens and stakeholders have of it (Savo et al. 2025).

Urban trees are constitutively stressed by extreme temperatures resulting from the urban heat island effect (Frank and Backe 2022), by drought exacerbated by impervious surface (Frank 2021), by the facilitated development of pests insects and the weakened to-down control by natural enemies and by the interactions among these factors (Tabassum et al. 2024). Physiological adaptations to extreme heat and drought result in stomatal closure and premature leaf abscission (Teskey et al. 2015), thereby reducing the cooling effect that trees provide through shading and transpiration. Extreme climatic events or pest damage induce the emission of biogenic volatile organic compounds (BVOCs) into the atmosphere (Faiola and Taipale 2020, Yu et al. 2021), which interact with atmospheric compounds in situ to produce a part of two major atmospheric pollutants responsible for hundreds of thousands of deaths per year at the European scale (European Environment Agency 2024): ozone (Calfapietra et al. 2013, Maison et al. 2024) and ultrafine secondary organic aerosols (SOAs) (Riccobono et al. 2014).

Understanding the drivers of urban tree health therefore emerges as a key but overlooked lever to sustainably maintain the balance between ES and EDS in cities.
Aside intentional removal, pest insects are among the main causes of tree mortality in cities (Petrova et al. 2025). Insect herbivory is ultimately determined by a complex interplay between bottom-up forces acting on the insect through its host plant, top-down forces involving its natural enemies, and the abiotic environment influencing both types of forces. These three components are all influenced by the urban environment (Moreira and Abdala-Roberts 2023). Recent research has emphasized the role of tree species identity, density and diversity in shaping interactions between trees, insect herbivores and their enemies (Stemmelen et al. 2022, 2025, Schille et al. 2025), and ultimately tree health (Petrova et al. 2025). However, questions remain regarding the horizontal and vertical configuration of the urban forest that determine tree vulnerability to insect herbivores, as well as the spatial scale and extent at which these effects appear (Valdés-Correcher et al. 2022, Schille et al. 2024).

Unraveling the potential links between pest insects, tree health and ecosystems services in urban environments requires a sound understanding of the environmental drivers shaping both insect damage to trees and their functional effects on tree physiology in contrasting environments.

L'objectif général de la thèse est d'identifier les déterminants de la santé des arbres en ville et de le relier aux services écosystémiques fournis par la forêt urbaine.
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The overaching goal of the PhD is to identify the drivers of urban tree health, and to link tree health with the ecosystem services provided by the urban forest.

(English below)

Work package 1 : Identification des facteurs environnementaux prédictifs de l'état de santé des arbres dans plusieurs villes françaises

En étroite collaboration avec le partenaire Plante & Cité, nous analyserons un jeu de données constitué d'inventaires d'arbres urbains réalisés dans les principales villes françaises. Les arbres ont été géolocalisés et plusieurs indicateurs de santé ont été estimés à plusieurs reprises par des experts.

Nous combinerons ces données avec des données environnementales accessibles via des bases publiques et utiliserons des procédures de classification algorithmique afin d'identifier les variables clés prédictives de l'état de santé des arbres. Les variables candidates incluent des variables propres aux arbres (espèce, statut indigène/exotique, forme de croissance, traits foliaires, âge et dimensions), des variables liées aux conditions de plantation et de croissance (parcs, rues, berges, etc.), des pratiques de gestion connues (par exemple taille, paillage), ainsi que des variables environnementales telles que la distance aux bâtiments, la distance aux espaces verts, la densité et la diversité des arbres, et la pollution lumineuse et thermique.

Work package 2 : Mise en place d'un réseau d'arbres sentinelles à Bordeaux

Sur la base des résultats du WP1, nous établirons un réseau d'arbres sentinelles sélectionnés dans des environnements contrastés selon les variables identifiées comme prédicteurs clés de la santé des arbres. La sélection des arbres sera réalisée en collaboration avec Bordeaux Métropole et un réseau de citoyens volontaires contribuant à des inventaires d'arbres sur des terrains privés.

Work package 3 : Effets de l'identité, de la densité et de la diversité des arbres sur les interactions trophiques entre arbres, insectes herbivores et ennemis naturels

Nous suivrons les arbres sentinelles sélectionnés dans le WP2 afin d'évaluer l'herbivorie des insectes à l'aide de méthodes standard basées (Guyot et al. 2019, Stemmelen et al. 2022) sur l'estimation visuelle (i) des houppiers et (ii) d'échantillons de feuilles. En parallèle, nous estimerons l'état de santé des arbres selon la même méthodologie que dans le WP1.

Nous mettrons également en oeuvre un suivi de la prédation en utilisant des proies sentinelles et des filets d'exclusion afin d'évaluer l'intensité du contrôle top-down exercé par les ennemis naturels sur les insectes herbivores et les dégâts associés (Ferrante and Lövei 2025).

Work package 4 : Effets de la santé des arbres sur les services écosystémiques fournis par les arbres urbains

Nous utiliserons une combinaison de capteurs fixes et mobiles afin d'évaluer les effets de la santé des arbres et de l'herbivorie sur l'émission de composés organiques volatils et sur la réduction des températures de surface et de l'air à différentes distances des arbres sentinelles. Nous utiliserons des dispositifs portables développés avec le partenaire EPOC.

L'objectif est d'estimer la contribution de l'état de santé des arbres à des variables abiotiques servant de proxys clés des services écosystémiques.

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Work package 1 : Identification of environmental factors predictive of tree health status across multiple cities in France

In close collaboration with partner Plante & Cité, we will analyse a dataset consisting of urban tree inventories conducted in main cities in France. Trees were geolocalised and for several indicators of tree health were repeatedly estimated by experts. We will combine these data with environmental data accessible from public databases and will use algorithmic classification procedures to identify key variables predictive of tree health status. Candidate variables include tree-related variables (species, nativeness, growth form, leaf traits, tree age, and dimensions), variables related to plantation and growing conditions (parks, streets, riverbanks, etc.), known management practices (e.g. pruning, mulshing), and environmental variables, including distance to buildings, distance to green spaces, tree density and diversity, and heat and light pollution.

Work package 2 : Establishment a network of sentinel trees in Bordeaux

Based on the results from WP1, we will establish a network of sentinel trees selected in environments contrasting in variables identified as key predictors of tree health. Tree selection will be conducted in collaboration with partner Bordeaux Métropole and a network of citizen volunteers contributing tree inventories on private land.

Work package 3 : Effects of tree identity, density, and diversity on trophic interactions between trees, insect herbivores, and natural enemies

We will monitor sentinel trees selected in WP2 for insect herbivory using standard methods based on visual estimation of (i) tree crowns and (ii) leaf samples (Guyot et al. 2019, Stemmelen et al. 2022). In addition, we will estimate tree health status using the same methodology as in WP1. We will further use manipulative experiments with sentinel prey and exclusion nets (Ferrante and Lövei 2025) to assess the strength of top-down control exerted by natural enemies on insect herbivory.

Work package 4 : Effects of tree health on ecosystem services provided by urban trees

We will use a combination of fixed and mobile sensors to assess the effects of tree health and insect herbivory on the emission of volatile organic compounds and on the reduction of surface and air temperature at increasing distances from sentinel trees. We will use portable devices developed from partner EPOC. By doing so, we aim to estimate the contribution of tree health to abiotic variables serving as key proxies for ecosystem services.

Le projet de thèse mobilise des compétences en écologie fonctionnelle et des communautés et en chimie de l'environnement. Il requiert une maîtrise des techniques avancées d'analyses de données et des utils de cartographie et comporte une part importante de travail sur le terrain (en ville). Les candidats ayant une formation initiale en écologie devraient avoir plus de facilités à s'approprier le sujet, mais les candidatures d'étudiants avec un bagage en chimie de l'environnement ou en écologie chimique seront considérées.