Long-term evolution of an estuarine ecosystem (the Gironde estuary case study)

Les estuaires font partie des écosystèmes les plus productifs de la planète. Ils constituent une zone d'importants échanges de matières et jouent à ce titre un rôle capital pour les cycles biogéochimiques. Du fait de leur position à l'interface entre domaines continental et marin, ils sont également un lieu de passage obligatoire pour de nombreuses espèces de poissons migrateurs ou encore de nourricerie et de refuge. Ces systèmes sont contraints par de nombreuses pressions de natures diverses dont certaines en lien avec les activités humaines locales (p. ex. pêcheries, transport maritime, dragages, pollutions accrues, etc.). Ces altérations viennent s'ajouter à la variabilité intrinsèque de ces systèmes naturellement complexes (variabilité spatio-temporelle de différents facteurs environnementaux ; c.-à-d. température, salinité, turbidité, etc.). Toutefois, une intensification de ces d'altérations, dont une partie est associée à la composante climatique des changements globaux, est observée depuis ces dernières décennies. Ces modifications avérées et leurs incidences sur les communautés biologiques constituent un enjeu en matière de gestion des écosystèmes estuariens. Cependant, par manque de chroniques de données continues suffisamment longues, peu d'études sur l’évolution à long terme de systèmes estuariens ont été réalisées à ce jour. Pour mes travaux, j'ai eu à ma disposition un ensemble de chroniques uniques - acquises depuis 35 ans - associées à plusieurs suivis écologiques de l'estuaire de la Gironde (notre site atelier). L'objectif général de cette thèse est de caractériser l’évolution globale du système dans son ensemble (physico-chimie et biologie) et d'identifier les forçages impliqués. L’originalité de ces travaux, par rapport aux études spécifiques déjà menées, consiste à analyser l’évolution de l’ensemble des descripteurs caractéristiques du fonctionnement d'un système modèle et de qualifier la part relative aux forçages globaux. L'étude des séries chronologiques, via une approche end-to-end basée sur des analyses multivariées, permet d'identifier deux changements abrupts d'état de l'écosystème de l'estuaire de la Gironde, associés à des fluctuations hydroclimatiques à large échelle (bassin Atlantique nord) mais aussi à une échelle plus locale (estuaire). Des hypothèses relatives aux possibles mécanismes impliqués, reliant les altérations climatiques à large échelle aux altérations observées à l'échelle des communautés biologiques estuariennes, sont discutées. Un deuxième volet de la thèse, au travers d’une approche modélisatrice basée sur le concept de niche d'Hutchinson, permet d'identifier un changement de répartition spatiale, longitudinale, des populations de copépodes estuariennes en réponse au réchauffement des masses d'eau et à la marinisation de l'estuaire. Enfin un troisième volet de mes travaux s'est consacré à l'étude spécifique d'une espèce de copépode invasive : Acartia tonsa. Suivant une double approche modélisatrice permettant d'estimer à la fois les niches fondamentale et réalisée de l'espèce, ces travaux illustrent l'importance relative des changements climatiques qui ont facilité la colonisation et l'essor de cette espèce dans l'estuaire.Estuaries are among the most productive ecosystems on Earth. They constitute important areas for materials exchanges and play therefore a crucial part in biogeochemical cycles. Because of their location at the interface between marine and continental realms, they are also a migratory path for different fish species and in some cases, a nursery or a refuge area. These systems are submitted to many pressures, some of them being related to anthropogenic activities (e.g fisheries, maritime traffic, dredging, rising pollutions, etc.). These changes are superimposed to the intrinsic variability of these naturally complex ecosystems (characterized by a spatio-temporal variability of different environmental factors; i.e., temperature, salinity, turbidity, etc.). However, since recent years, an intensification of these alterations, being partly linked to the climatic component of Global Change, is observed. These changes, already documented, and their incidence on biological communities, constitute a challenge for the future management of estuarine ecosystems. However, due to a lack of long-term continuous time series, for now few studies on the long-term evolutions of estuarine systems have been reported. In this work, I used a unique set of data (35 years) provided by an ecological monitoring of the Gironde estuary (the model of estuary used in the study). The main objective of this thesis is to characterize the evolution of the whole system (physico-chemistry and biology) over the last three decades and to identify the forcings involved. The originality of this work comes from a global analysis of the main estuarine descriptors and from the evaluation of the relative contribution of global forcings. A study based on multivariate analyses, through an end-to-end approach, reveals two abrupt shifts in the state of the ecosystem of the Gironde estuary. These two changes appear to be linked to hydroclimatic fluctuations at a regional scale (North Atlantic basin) and also at a local scale. Some hypotheses on the possible mechanisms involved, linking the large-scale climatic alterations to the changes observed on the biological estuarine communities are discussed. A second study that uses a modeling approach based on the ecological niche concept of Hutchinson, identifies a change in the spatial (longitudinal) distribution of estuarine copepod populations in response to warming and marinisation processes. Finally, a third work focuses on an invasive copepod species: Acartia tonsa. A double modeling approach estimates both the fundamental and realized niches of the species. The results highlight the relative importance of climate changes that facilitated the colonization of the estuary by A. tonsa

Long-term evolution of an estuarine ecosystem (the Gironde estuary case study)

Les estuaires font partie des écosystèmes les plus productifs de la planète. Ils constituent une zone d'importants échanges de matières et jouent à ce titre un rôle capital pour les cycles biogéochimiques. Du fait de leur position à l'interface entre domaines continental et marin, ils sont également un lieu de passage obligatoire pour de nombreuses espèces de poissons migrateurs ou encore de nourricerie et de refuge. Ces systèmes sont contraints par de nombreuses pressions de natures diverses dont certaines en lien avec les activités humaines locales (p. ex. pêcheries, transport maritime, dragages, pollutions accrues, etc.). Ces altérations viennent s'ajouter à la variabilité intrinsèque de ces systèmes naturellement complexes (variabilité spatio-temporelle de différents facteurs environnementaux ; c.-à-d. température, salinité, turbidité, etc.). Toutefois, une intensification de ces d'altérations, dont une partie est associée à la composante climatique des changements globaux, est observée depuis ces dernières décennies. Ces modifications avérées et leurs incidences sur les communautés biologiques constituent un enjeu en matière de gestion des écosystèmes estuariens. Cependant, par manque de chroniques de données continues suffisamment longues, peu d'études sur l’évolution à long terme de systèmes estuariens ont été réalisées à ce jour. Pour mes travaux, j'ai eu à ma disposition un ensemble de chroniques uniques - acquises depuis 35 ans - associées à plusieurs suivis écologiques de l'estuaire de la Gironde (notre site atelier). L'objectif général de cette thèse est de caractériser l’évolution globale du système dans son ensemble (physico-chimie et biologie) et d'identifier les forçages impliqués. L’originalité de ces travaux, par rapport aux études spécifiques déjà menées, consiste à analyser l’évolution de l’ensemble des descripteurs caractéristiques du fonctionnement d'un système modèle et de qualifier la part relative aux forçages globaux. L'étude des séries chronologiques, via une approche end-to-end basée sur des analyses multivariées, permet d'identifier deux changements abrupts d'état de l'écosystème de l'estuaire de la Gironde, associés à des fluctuations hydroclimatiques à large échelle (bassin Atlantique nord) mais aussi à une échelle plus locale (estuaire). Des hypothèses relatives aux possibles mécanismes impliqués, reliant les altérations climatiques à large échelle aux altérations observées à l'échelle des communautés biologiques estuariennes, sont discutées. Un deuxième volet de la thèse, au travers d’une approche modélisatrice basée sur le concept de niche d'Hutchinson, permet d'identifier un changement de répartition spatiale, longitudinale, des populations de copépodes estuariennes en réponse au réchauffement des masses d'eau et à la marinisation de l'estuaire. Enfin un troisième volet de mes travaux s'est consacré à l'étude spécifique d'une espèce de copépode invasive : Acartia tonsa. Suivant une double approche modélisatrice permettant d'estimer à la fois les niches fondamentale et réalisée de l'espèce, ces travaux illustrent l'importance relative des changements climatiques qui ont facilité la colonisation et l'essor de cette espèce dans l'estuaire.Estuaries are among the most productive ecosystems on Earth. They constitute important areas for materials exchanges and play therefore a crucial part in biogeochemical cycles. Because of their location at the interface between marine and continental realms, they are also a migratory path for different fish species and in some cases, a nursery or a refuge area. These systems are submitted to many pressures, some of them being related to anthropogenic activities (e.g fisheries, maritime traffic, dredging, rising pollutions, etc.). These changes are superimposed to the intrinsic variability of these naturally complex ecosystems (characterized by a spatio-temporal variability of different environmental factors; i.e., temperature, salinity, turbidity, etc.). However, since recent years, an intensification of these alterations, being partly linked to the climatic component of Global Change, is observed. These changes, already documented, and their incidence on biological communities, constitute a challenge for the future management of estuarine ecosystems. However, due to a lack of long-term continuous time series, for now few studies on the long-term evolutions of estuarine systems have been reported. In this work, I used a unique set of data (35 years) provided by an ecological monitoring of the Gironde estuary (the model of estuary used in the study). The main objective of this thesis is to characterize the evolution of the whole system (physico-chemistry and biology) over the last three decades and to identify the forcings involved. The originality of this work comes from a global analysis of the main estuarine descriptors and from the evaluation of the relative contribution of global forcings. A study based on multivariate analyses, through an end-to-end approach, reveals two abrupt shifts in the state of the ecosystem of the Gironde estuary. These two changes appear to be linked to hydroclimatic fluctuations at a regional scale (North Atlantic basin) and also at a local scale. Some hypotheses on the possible mechanisms involved, linking the large-scale climatic alterations to the changes observed on the biological estuarine communities are discussed. A second study that uses a modeling approach based on the ecological niche concept of Hutchinson, identifies a change in the spatial (longitudinal) distribution of estuarine copepod populations in response to warming and marinisation processes. Finally, a third work focuses on an invasive copepod species: Acartia tonsa. A double modeling approach estimates both the fundamental and realized niches of the species. The results highlight the relative importance of climate changes that facilitated the colonization of the estuary by A. tonsa

Évolution à long terme de l'écosystème estuarien de la Gironde

Estuaries are among the most productive ecosystems on Earth. They constitute important areas for materials exchanges and play therefore a crucial part in biogeochemical cycles. Because of their location at the interface between marine and continental realms, they are also a migratory path for different fish species and in some cases, a nursery or a refuge area. These systems are submitted to many pressures, some of them being related to anthropogenic activities (e.g fisheries, maritime traffic, dredging, rising pollutions, etc.). These changes are superimposed to the intrinsic variability of these naturally complex ecosystems (characterized by a spatio-temporal variability of different environmental factors; i.e., temperature, salinity, turbidity, etc.). However, since recent years, an intensification of these alterations, being partly linked to the climatic component of Global Change, is observed. These changes, already documented, and their incidence on biological communities, constitute a challenge for the future management of estuarine ecosystems. However, due to a lack of long-term continuous time series, for now few studies on the long-term evolutions of estuarine systems have been reported. In this work, I used a unique set of data (35 years) provided by an ecological monitoring of the Gironde estuary (the model of estuary used in the study). The main objective of this thesis is to characterize the evolution of the whole system (physico-chemistry and biology) over the last three decades and to identify the forcings involved. The originality of this work comes from a global analysis of the main estuarine descriptors and from the evaluation of the relative contribution of global forcings. A study based on multivariate analyses, through an end-to-end approach, reveals two abrupt shifts in the state of the ecosystem of the Gironde estuary. These two changes appear to be linked to hydroclimatic fluctuations at a regional scale (North Atlantic basin) and also at a local scale. Some hypotheses on the possible mechanisms involved, linking the large-scale climatic alterations to the changes observed on the biological estuarine communities are discussed. A second study that uses a modeling approach based on the ecological niche concept of Hutchinson, identifies a change in the spatial (longitudinal) distribution of estuarine copepod populations in response to warming and marinisation processes. Finally, a third work focuses on an invasive copepod species: Acartia tonsa. A double modeling approach estimates both the fundamental and realized niches of the species. The results highlight the relative importance of climate changes that facilitated the colonization of the estuary by A. tonsa.Les estuaires font partie des écosystèmes les plus productifs de la planète. Ils constituent une zone d'importants échanges de matières et jouent à ce titre un rôle capital pour les cycles biogéochimiques. Du fait de leur position à l'interface entre domaines continental et marin, ils sont également un lieu de passage obligatoire pour de nombreuses espèces de poissons migrateurs ou encore de nourricerie et de refuge. Ces systèmes sont contraints par de nombreuses pressions de natures diverses dont certaines en lien avec les activités humaines locales (p. ex. pêcheries, transport maritime, dragages, pollutions accrues, etc.). Ces altérations viennent s'ajouter à la variabilité intrinsèque de ces systèmes naturellement complexes (variabilité spatio-temporelle de différents facteurs environnementaux ; c.-à-d. température, salinité, turbidité, etc.). Toutefois, une intensification de ces d'altérations, dont une partie est associée à la composante climatique des changements globaux, est observée depuis ces dernières décennies. Ces modifications avérées et leurs incidences sur les communautés biologiques constituent un enjeu en matière de gestion des écosystèmes estuariens. Cependant, par manque de chroniques de données continues suffisamment longues, peu d'études sur l’évolution à long terme de systèmes estuariens ont été réalisées à ce jour. Pour mes travaux, j'ai eu à ma disposition un ensemble de chroniques uniques - acquises depuis 35 ans - associées à plusieurs suivis écologiques de l'estuaire de la Gironde (notre site atelier). L'objectif général de cette thèse est de caractériser l’évolution globale du système dans son ensemble (physico-chimie et biologie) et d'identifier les forçages impliqués. L’originalité de ces travaux, par rapport aux études spécifiques déjà menées, consiste à analyser l’évolution de l’ensemble des descripteurs caractéristiques du fonctionnement d'un système modèle et de qualifier la part relative aux forçages globaux. L'étude des séries chronologiques, via une approche end-to-end basée sur des analyses multivariées, permet d'identifier deux changements abrupts d'état de l'écosystème de l'estuaire de la Gironde, associés à des fluctuations hydroclimatiques à large échelle (bassin Atlantique nord) mais aussi à une échelle plus locale (estuaire). Des hypothèses relatives aux possibles mécanismes impliqués, reliant les altérations climatiques à large échelle aux altérations observées à l'échelle des communautés biologiques estuariennes, sont discutées. Un deuxième volet de la thèse, au travers d’une approche modélisatrice basée sur le concept de niche d'Hutchinson, permet d'identifier un changement de répartition spatiale, longitudinale, des populations de copépodes estuariennes en réponse au réchauffement des masses d'eau et à la marinisation de l'estuaire. Enfin un troisième volet de mes travaux s'est consacré à l'étude spécifique d'une espèce de copépode invasive : Acartia tonsa. Suivant une double approche modélisatrice permettant d'estimer à la fois les niches fondamentale et réalisée de l'espèce, ces travaux illustrent l'importance relative des changements climatiques qui ont facilité la colonisation et l'essor de cette espèce dans l'estuaire

reaction of an estuarine food web to disturbance: Lindeman’s perspective.

Currently, a central demand of coastal and marine food web researchers is the search for holistic and functional ecosystem health indicators. Based on concepts directly derived from R. L. Lindeman’s work (Lindeman 1942; Ecology 23:399–418), 6 estuarine food web models were analysed to assess the potential impact of multiple disturbances on the trophic state of food webs. The models described a Zostera noltii meadow and a bare sediment site in the Mondego estuary, Portugal, during 3 distinct time periods corresponding to (1) nutrient enrichment, (2) the implementation of mitigation measures, and (3) after a centenary flood. We tested 4 candidate metrics, directly derived from the trophic-dynamic concepts proposed by Lindeman (1942): food chain length, the detritivory/herbivory ratio, trophic efficiency per trophic level and mean trophic efficiency. Based on this case study, none of the metrics are yet ready to be used per se as operational metrics to quantify and interpret the impact of disturbances on the ecosystem’s trophic state. Trophic efficiency appeared to be sensitive to external pressures. However, the mean trophic efficiency of the system might not be sufficient to draw conclusions about the trophic efficiency of the ecosystem: trophic efficiency should be observed at the trophic level in order to better understand cascading effects within food webs.JRC.H.1-Water Resource

Approche Ecosystémique des EMR : quelles influences peut-on attendre sur le réseau trophique des écosystèmes marins?

International audienc

Approche Ecosystémique des EMR : quelles influences peut-on attendre sur le réseau trophique des écosystèmes marins?

International audienc

Climatic facilitation of the colonization of an estuary by Acartia tonsa

International audienceGlobal change has become a major driving force of both terrestrial and marine systems. Located at the interface between these two realms, estuarine ecosystems are probably the place where both direct and indirect effects of human activities conspire together to affect biodiversity from phytoplankton to top predators. Among European estuarine systems, the Gironde is the largest estuary of Western Europe and many studies have provided evidence that it has been affected by a variety of anthropogenic stressors such as thermal and chemical pollution, physical alterations and exploitation, especially for maritime traffic. In such a context, species introduction is also a current major issue with the establishment of strong competitive species that could lead to ecosystem reorganization with potential decrease or even disappearance of native species. In the Gironde estuary, this hypothesis was proposed for the invasive shrimp species Palaemon macrodactylus as a decrease in the native species abundance was observed at the same time. Although species introduction often takes place via ballast water, the influence of climate-driven changes on the establishment of new species remains a key issue. The calanoid copepod Acartia tonsa, observed in the Gironde estuary for the first time in 1983, have since colonized most part of the estuary, reaching a level of abundance comparable to the dominant native species Eurytemora affinis. In this study, using both the concept of the ecological niche sensu Hutchinson (fundamental and realized niches) and statistical models, we reveal that the dynamics of the colonization of A. tonsa was facilitated by environmental conditions that have become closer to its environmental optimum with respect to temperature and salinity

A new type of plankton food web functioning in coastal waters revealed by coupling Monte Carlo Markov Chain Linear Inverse method and Ecological Network Analysis

International audiencePlankton food webs (PFW) typology is based on different categories of functioning, according to the dominant processes and the role played by heterotrophic bacteria, small vs large phytoplankton, and small vs large zooplankton. Investigating the structure and the function of planktonic foodn webs in two SW Mediterranean waters (inshore and marine sites) at four seasons, using inverse (LIM-MCMC) and ecological network (ENA) analyses, we identified a new type of food web, called the “bacterial multivorous food web”. This food web adds to the conventional trophic continuum as previously reported. The “bacterial multivorous food web” present in winter showed the lowest primary production among seasons, but highest bacterial production. Several food web ratios characterized this new typology e.g. picophytoplankton net primary production to total primary production varied from 0.20 to 0.28; bacterial to primary production ratio is higher than values reported in global scale (≅1); bacterial net production to the potential protozoan prey net production was high (> 0.2). In this special food web, carbon was mostly recycled, with a moderate fraction channeled to deep waters, which lead to a higher retention of carbon inside the ecosystem. This winter PFW also seemed to be the most organized, specialized, stable and mature, as related to common interpretations of ENA. The spring was characterized by herbivorous food web, with highest activity coinciding with low stability. Although less usual, the herbivorous pathway was also observed during summer, in inshore waters. The autumn food webs, which functioned as multivorous or microbial food webs, appeared to be stable and mature. Finally, our study demonstrates the usefulness of food web models derived ratios combined with ecological network analysis indices to conduct evaluation of the structure and functioning of ecosystems and potentially to support management decisions in marine environment

A new modeling approach to define marine ecosystems food-web status with uncertainty assessment

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]QUASAREInternational audienceEcosystem models are currently one of the most powerful approaches used to predict and analyse the consequences of anthropogenic and climate-driven changes in food web structure and function. The modeling community is however still lacking techniques for taking microbial processes properly into account and assessing flow uncertainty explicitly. A linear inverse model of the Bay of Biscay continental shelf was built using a Monte Carlo method coupled with a Markov Chain (LIMMCMC) to characterize the system's trophic food-web status and its associated structural and functional properties. By taking into account the natural variability of ecosystems (and their associated flows) and the lack of data on these environments, this innovative approach enabled the quantification of uncertainties for both estimated flows and derived food-web indices. This uncertainty assessment constituted a real improvement on the existing Ecopath model for the same area and both models results were compared. Our results suggested a food web characterized by main flows at the basis of the food web and a high contribution of primary producers and detritus to the entire system input flows. The developmental stage of the ecosystem was characterized using estimated Ecological Network Analysis (ENA) indices; the LIM-MCMC produced a higher estimate of flow specialization (than the estimate from Ecopath) owing to better consideration of bacterial processes. The results also pointed to a detritus-based food-web with a web-like structure and an intermediate level of internal flow complexity, confirming the results of previous studies. Other current research on ecosystem model comparability is also presented

Comparison between observed (in red) and modeled (in blue) abundance of <i>Acartia tonsa</i> (log₁₀(x+1)) at three sampling stations in the Gironde estuary. A

<p>. Station F. <b>B</b>. Station E. <b>C</b>. Station K. Modeled data originated from the realized niche assessed from monthly water temperature and salinity and using a mixed Gausian-linear model (see Fig. 2C).</p