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Effets simples et cumulés des perturbations et des stress multiples sur les communautés benthiques intertidales : rôle des macrophytes

Cimon Stéphanie. (2020). Effets simples et cumulés des perturbations et des stress multiples sur les communautés benthiques intertidales : rôle des macrophytes. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Les écosystèmes côtiers sont sujets à de nombreux stress et perturbations (stress ci-après) naturels et anthropiques. Ceux-ci agissent sur la stabilité et le fonctionnement des écosystèmes qui peuvent aller jusqu’à une disparition d’habitats et une perte de biodiversité. Bien que ces milieux soient généralement soumis à plusieurs stress à la fois, peu d’études se sont intéressées à la nature et aux conséquences potentielles des effets cumulatifs. Les études mettant l’accent sur de multiples stress sont importantes pour aider à la compréhension des mécanismes qui façonnent les communautés dans un environnement complexe et changeant. L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer les effets des stress et leurs interactions sur les communautés macrobenthiques littorales. Pour répondre à cet objectif, mon projet cible le rôle des macrophytes structurants sur leurs communautés associées lorsque des stress affectant les contrôles descendant et/ou ascendant (« top-down » et « bottom-up ») sont présents. Des expériences in situ ont été mises en place dans deux habitats du littoral de l’estuaire maritime du Saint-Laurent : herbiers de zostères et les macroalgues. Le premier chapitre évalue le rôle des macroalgues en milieu médiolittoral rocheux en combinaison avec un enrichissement de la colonne d’eau et une réduction des gastéropodes brouteurs sur la résilience des communautés macrobenthiques associées. Le second chapitre évalue le rôle de la densité des zostères marines en combinaison avec un enrichissement des sédiments et une réduction de la lumière sur l’épifaune associée et les zostères en soi. Le dernier chapitre porte sur les effets de bordure et la densité de zostères marines sur leur épifaune associée sur cinq sites de l’hémisphère Nord (côte ouest de l’Atlantique, côte est du Pacifique, Québec et France) afin de vérifier si les effets de la complexité de l’habitat et du paysage à petite échelle est le même dans des herbiers de zostères pouvant avoir des caractéristiques différentes. Dans chacun des chapitres, des mesures de diversité univariées (richesse, diversité, équitabilité, abondances) et multivariées (structure et composition) au niveau des invertébrés et des algues ont été évaluées. Les types d’interactions entre stresseurs ont aussi été déterminé dans les chapitres 1 et 2 (addition, dominance, synergisme, antagonisme). Des mesures sur la zostère marine ont été ajoutées pour les chapitres 2 et 3 (densité des plants et masse des épibiontes ; chapitre 2 seulement : élongation relative des plants et glucides non-structuraux). Le dernier chapitre utilise une approche par traits biologiques pour comparer des sites qui ont très peu d’espèces communes. Les effets de l’habitat sont ainsi mesurés sur des traits communs à tous les sites. Cette approche permet de faire des rapprochements entre les communautés et leurs fonctions. Les résultats de ma thèse montrent que les espèces structurantes en présence de stress multiples jouent un rôle primordial pour les communautés des habitats côtiers et confirment leurs rôles structurant et protecteur sur les différentes composantes de la biodiversité. Également, les milieux rocheux dominés par les macroalgues et les herbiers de zostères peuvent présenter de la résistance (chapitre II) et sont résilients (chapitres I et II) selon le type de stress temporairement appliqués. Contrairement aux attentes, les parcelles ayant subi les traitements triples n’ont pas été plus affectées que les traitements simples ou doubles à l’exception du traitement triple dans les macroalgues de milieux rocheux (chapitre I) qui a démontré un taux de récupération plus lent que les autres traitements. Ma thèse démontre que lorsque les stress interagissent, les effets ne sont pas systématiquement additifs ou synergiques tels que fréquemment sous-entendus dans la littérature. Plusieurs des interactions mesurées étaient de type dominant, c’est-à-dire que l’effet d’un stress vient éclipser celui d’un second alors qu’en majorité du temps, il n’y a pas eu d’interaction entre stress. Des interactions synergiques négatives, additives et antagonistes ont aussi été observées. Le dernier chapitre montre que l’effet de la complexité des espèces structurantes et l’effet de bordure peuvent être importants ou pas, ainsi ils ne se généralisent pas entre des sites distants, et ce, même en utilisant des traits biologiques. Les résultats suggèrent que la répartition des espèces et les traits biologiques sont influencés par d’autres aspects que seulement l’effet de bordure ou la complexité des zostères, et qu’aucun de ces deux effets ne domine les effets observés sur les assemblages. Ma thèse met en valeur l’importance des expériences in situ qui utilisent des perturbations et des stress multiples pour déterminer leurs effets cumulatifs. Entre autres, la détermination des types d’interaction entre stress est importante au niveau de la gestion des écosystèmes et qu’une simple additivité des stress ne devrait pas être supposée sans tests in situ. Il est primordial que les gestionnaires reconnaissent que les stress pourront avoir des effets locaux spécifiques et que les interactions entre les stress présents sont imprévisibles. Effectivement, les résultats de cette thèse suggèrent que les stress multiples peuvent interagir différemment sur les indices liés à la biodiversité des communautés, leurs structures et leurs fonctions et que leurs interactions ne peuvent pas être prédites en utilisant des mesures sur des stress simples seulement. Effectivement, il sera important pour les gestionnaires d’inclure plusieurs mesures de la diversité, particulièrement des mesures multivariées et des mesures de fonctionnement, dans le but d’évaluer la santé des écosystèmes. Il devient donc prioritaire de maintenir la présence de macrophytes structurants qui soutiennent directement les capacités de résilience et de résistance des communautés face aux stress. Ma thèse permettra une meilleure gestion des écosystèmes en invitant les différents acteurs à porter une attention particulière aux différents indices de biodiversité, aux interactions imprévisibles des stress présents ou prédits, tout en tenant compte de l’unicité dans les caractéristiques et réponses de certains habitats.

Coastal ecosystems are exposed to many natural and anthropogenic stress and disturbances (stress afterwards). These stresses affect the stability and functioning of ecosystems and their effect may lead to a loss in biodiversity and habitat. Although coastal systems are exposed to multiple simultaneous stresses, few studies investigated the interaction type and the cumulative effect of stress. Such studies are important for the understanding of how communities are shaped in a complex and changing environment. The main objective of this thesis is to measure the effects of stresses and their interactions on intertidal macrobenthic communities. To reach this goal, this thesis is centered on the role of habitat-forming macrophytes over their associated communities when they are facing stress affecting top-down and bottom-up controls. In situ experiments were performed in two different habitats: eelgrass meadows and rocky intertidal dominated by fucoids. The first chapter evaluates the role of macroalgae in a rocky intertidal system combined to water column enrichment and a reduction of grazing gastropod on the associated macrobenthic community resilience. The second chapter estimates the role of eelgrass shoot density combined to sediment nutrient enrichment and light reduction on associated epifaunal assemblages and eelgrass itself. The last chapter assesses the effect of edge and eelgrass shoot density on associated epifaunal assemblages on five different sites from the northern hemisphere (West Atlantic Coast, East Pacific Coast, Québec and France) to verify if the effects of habitat complexity and small-scale seascape are the same in different eelgrass meadows. In each chapter, diversity univariate and multivariate invertebrates and algae diversity measures were analyzed: abundance, richness, diversity, evenness, structure, composition. The type of interaction among stressors were determined in chapters 1 and 2 (addition, dominance, synergism, antagonism). Some eelgrass measures were added in chapters 2 (shoot density, shoot relative elongation, non-structural carbohydrates, epibionts biomass) and 3 (shoot density, epibionts biomass). The last chapter uses a biological traits approach in combination to the species approach. The biological trait approach allows to compare the effect of habitat on species among sites that have almost no species in common. My results indicate that habitat-forming species play an important role when communities are facing multiple stresses which confirms their structuring and protecting roles over different biodiversity components. Moreover, rocky systems dominated by macroalgae and eelgrass meadows may present resistance (chapter II) and are resilient (chapters I and II) depending on the temporary stress they are facing. Contrary to expectations, plots that were facing three stresses were not more affected than were single or double stressed plots except for the triple stress in chapter I that had the slowest recovery. My thesis shows that interacting stresses are not systematically additive or synergistic as is regularly assumed in the literature. Indeed, many of the interactions were of the type dominant, that is, the effect of one stressor overshadows the effect of the other stressor, while we mainly measured no interactions. Some negative synergistic, additive and antagonistic interactions were also observed. The last chapter shows that the effect of the complexity of habitat-forming species and edge effect may be or may not be important. Indeed, no common general results were observed on five distant sites even when using biological traits. My thesis highlights the importance of in situ experiments using multiple disturbances and stresses in order to determine the cumulative effects. Determining the interaction type between stresses is essential for system management since additivity of stresses should not be assumed without proper testing. It is important that managers know that stresses can have local and specific effects, and that the interactions among stresses can not easily be predicted. Indeed, the results of this thesis indicate that multiple stresses will not have the same impact depending on the identity of the investigated variables. Moreover, it is impossible to predict the interaction of stresses based only on their single effect. Managers should include complementary diversity measures as well as functioning measures to insure the health of ecosystems. Notably, it is of a great importance to maintain the presence of habitat-forming macrophytes since they promote the resistance and resilience of communities facing stress. My thesis will allow a better management of ecosystems by inviting decision makers to look at various biodiversity indices, to take into account that the interaction of stresses are unpredictable, and that every habitat or system may show unique characteristics that will affect their responses to stressors.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2020
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en biologie
Nombre de pages:216
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Sciences naturelles > Biologie et autres sciences connexes
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences fondamentales > Programmes d'études de cycles supérieurs en ressources renouvelables, environnement et biologie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Cusson, Mathieu
Mots-clés:diversité, effets cumulatifs, espèces structurantes, invertébrés marins, résistance, résilience, stress multiples, effets cumulés, perturbations et stress multiples, cumulative effect, diversity, habitat-forming species, multiple disturbances and stresses, resistance, resilience
Déposé le:22 oct. 2020 11:52
Dernière modification:22 oct. 2020 22:06
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