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Étudier le fonctionnement de l'écosystème benthique de zones considérées comme des hotspots et coldspots de l'Arctique canadien = Studying the functioning of benthic hotspot and coldspot ecosystems in the canadian Arctic / Studying the functioning of benthic hotspot and coldspot ecosystems in the canadian Arctic

Link, Heike (2012). Étudier le fonctionnement de l'écosystème benthique de zones considérées comme des hotspots et coldspots de l'Arctique canadien = Studying the functioning of benthic hotspot and coldspot ecosystems in the canadian Arctic / Studying the functioning of benthic hotspot and coldspot ecosystems in the canadian Arctic. Thèse. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER), 215 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: L'océan Arctique est de plus en plus affecté par les changements climatiques et les intérêts économiques de l'humanité. Le développement durable de l'Océan Arctique ne saurait se faire sans une évaluation exhaustive et rapide de son écosystème et de son fonctionnement. La dégradation de la matière organique sur le fond de l'océan engendre des flux d'oxygène et de nutriments liés aux cycles biogéochimiques du système marin global. Ultimement, cette reminéralisation benthique participe à la production primaire dans les couches de surface de l'océan. Nos connaissances sur la diversité, la physique et la chimie de l'Océan Arctique se sont améliorées, mais nous en savons toujours très peu sur le fonctionnement de l'écosystème benthique. Le but de cette thèse est donc la description et la compréhension du fonctionnement de l'écosystème benthique et de sa variabilité à des 'hotspots' et 'coldspots' en Arctique canadien. Plus précisément, je me suis intéressée à comprendre comment les ressources alimentaires, la diversité et autres paramètres environnementaux influencent la reminéralisation benthique et ce, à différentes échelles spatiales et temporelles. Pour cela, j'ai effectué des incubations de carottes de sédiment provenant du milieu naturel; ces incubations ont été faites en milieu contrôlé sur des bateaux. J'ai échantillonné plusieurs sites, sur deux années et trois saisons, pour déterminer la quantité de pigments dans les sédiments, les flux d'oxygène, de nitrate, de nitrite, de phosphate, d'acide silicique et d'ammonium. J'ai également identifié la macro faune présente dans ces carottes de sédiment. Dans le chapitre 1 de ma thèse, j'ai étudié l'influence de la transition saisonnière printemps-été dans le sud-est de la mer de Beaufort sur la reminéralisation benthique du carbone et ses facteurs déterminants, c'est-à-dire les ressources alimentaires et la biomasse de l'endofaune. Les résultats ont montré qu'il y a des changements saisonniers de la reminéralisation benthique et de la quantité de pigments sédimentaires, mais pas de la concentration de Chl a et de la biomasse de l'endofaune. Dans les deux saisons, la concentration de Chl a dans les sédiments est le facteur le plus important pour expliquer la variation spatiale de la reminéralisation, mais au printemps, la profondeur des sites est aussi un facteur explicatif, alors qu'en été, c'est la biomasse de l'endofaune. Mes résultats révèlent un effet combiné et dynamique de la situation alimentaire et de la communauté benthique sur la reminéralisation benthique du carbone. Mon deuxième objectif était de déterminer l'influence de paramètres abiotiques et biotiques, lesquels varient sur des échelles temporelles différentes , sur la variabilité spatiale de flux de reminéralisation multiples (chapitre 2). Des analyses multivariées ont démontré que les flux d'oxygène, qui sont généralement utilisés comme un proxy, ne peuvent pas expliquer la variation spatiale de l'ensemble des flux de reminéralisation benthique. J'ai également testé l'influence des paramètres environnementaux suivants sur les flux benthiques: flux verticaux de carbone organique en particules, concentration de Chl a dans les sédiments de surface (échelle court-terme), porosité, concentration de manganèse et fer en surface des sédiments, concentration d'oxygène en eau profonde (échelle long-terme), phaeopigments (échelle intermédiaire) et δ13C org (influence terrestre). La variation spatiale de l'ensemble des flux est expliquée le mieux par la concentration de Chl a, les phaeopigments, δ13C org , et le manganèse en surface des sédiments et par l'oxygène en eau profonde. Alors, c'est notamment les paramètres environnementaux qui expliquent le plus le patron spatial de flux multiples, mais l'historique d'apports en matière organique et l'influence terrestre peuvent modifier ce patron. Dans le chapitre 3, je donne une vue d'ensemble des données sur les flux benthiques multiples qui ont été publiées ou compilées pendant ma thèse . J'étudie la localisation géographique en Arctique canadien des hotspots et des coldspots de reminéralisation benthique; le plateau peu profond de Mackenzie, le détroit de Lancaster et la polynie du Nord sont des hotspots. Ma participation à la description 'Ecologically and Biolgically Significant Areas' en Arctique canadien démontre qu'il est possible d'appliquer des données biogéochimiques dans le cadre d'évaluations d'écosystèmes à grande échelle. Finalement, j'ai testé les hypothèses suivantes: (1) la variabilité annuelle de la reminéralisation benthique et de (2) la situation alimentaire est plus élevée à des sites hotspots que coldspots, (3) la composition taxonomique et (4) fonctionnelle des communautés benthiques ne change pas significativement entre les années et (5) la situation alimentaire explique la variation de reminéralisation benthique à une échelle temporelle, puis la diversité l'explique à une échelle spatiale (chapitre 4). Mes résultats supportent ces hypothèses et indiquent que les ressources alimentaires et la diversité benthique sont complémentaires pour l'explication de la variation de la fonction de reminéralisation benthique. Globalement, je présente ici la première description de la fonction multiple en reminéralisation benthique à des hotspots et coldspot en Arctique canadien. Mes résultats démontrent que la relation entre la diversité et les fonctions de l'écosystème en milieu benthique arctique dépend fortement des ressources disponibles. J'ai également pu montrer que les effets interactifs de la variation spatio-temporelle peuvent cacher la détection des changements progressifs, particulièrement à des sites hotspots. Pour étudier les changements de diversité et de ressources alimentaires, il est necessaire de désigner des sites sentinelles à des hot- et coldspots. -- Mots clés: Arctique, fonctionnement de l'écosystème, reminéralisation benthique, diversité, hotspots, flux, Chl a dans les sédiments, variation spatio-temporelle. --ABSTRACT: Climate change and human interests are having increasing impacts on the Arctic Ocean. A profound and rapid assessment of its ecosystems and its functioning is essential, if we want development to be sustainable and maintain a healthy state of the Arctic Ocean. The degradation of organic matter at the seafloor effects oxygen and nutrient fluxes that are part of the biogeochemical cycles in the overall marine system. Thus, this benthic remineralisation eventually fuels primary production in surface waters. While inventories of diversity, physical and chemical parameters in the Arctic are improving, we still know little about the benthic ecosystem functioning. The aim of this thesis is to provide a description and understanding of benthic ecosystem functioning and its variability at hotspots and coldspots in the Canadian Arctic. More specifically I studied, how food availability, diversity (taxonomic, functional, abundance or biomass) and other environmental factors influence benthic remineralisation at different temporal and spatial scales. I used ship-board microcosm incubations of sediment cores from different sites in two years and three seasons to determine fluxes of oxygen, nitrate, nitrite, phosphate, silicic acid and ammonia as well as the inhabiting macrofauna. At the same sites I deterrnined sediment pigment concentrations. ln chapitre 1 of my thesis I asked how the spring-to-summer transition influences benthic carbon remineralisation and its potential determining factors, food supply and infaunal biomass, in the southeastern Beaufort Sea. I found that benthic remineralisation and food supply patterns vary on the seasonal time scale, although infaunal biomass and sediment Chl a concentration does not. In both spring and summer, sediment Chl a concentration is the prime determinant of benthic carbon remineralisation, but other factors have a significant secondary influence, such as water depth (in spring) and infaunal biomass (in summer). These findings indicate the importance of the combined and dynamic effects of food supply and benthic community patterns on the carbon remineralisation. My second objective was to determine the influence of biotic and abiotic environmental parameters, that vary on different time scales, on the spatial variation of multiple benthic remineralisation fluxes (chapitre 2) . Multivariate analysis of flux data showed that the commonly used proxy (oxygen flux) does not explain overall variation in benthic remineralisation. I tested the influence of the following environmental parameters on benthic fluxes: vertical flux of particulate organic carbon, sediment surface Chl a (both short-term), porosity, surface manganese and iron concentration, bottom water oxygen (all long-term), phaeopigments (intermediate-term influence) and δl3C org (terres trial influence). The overall spatial distribution of fluxes can be best explained by sediment Chl a, phaeopigments, δ13C org, surficial manganese and bottom-water oxygen concentration. This indicates that environmental parameters of short time variation are most important for spatial patterns of multiple fluxes, but also that historical input of organic matter and terrestrial influence can modify benthic remineralisation patterns. In chapitre 3 I give an overview of all data on multiple benthic fluxes published in connection with and compiled during my thesis. I asked, where in the Canadian Arctic are hotspots - and coldspots - of benthic remineraiisation function. The shallow Mackenzie SheIf, Lancaster Sound and the North Water Polynya present benthic remineralisation hotspots. The successful participation in the description of Ecologically and Biologically Significant Areas in the Canadian Arctic shows how biogeochemical data can be applied in larger ecosystem assessments. Finally, I tested the hypotheses that (1) interannual variability of benthic remineralisation function and (2) food supply at hotspots is higher than at coldspots, that (3) taxonomie and (4) functional community composition does not change significantly between years, and that (5) food supply explains variation in benthic remineralisation on the temporal scale, and diversity on the spatial scale (chapitre 4). My results support all hypotheses and indicate that resource availability and diversity are complementary for the expia nation of variation in benthic remineralisation function. Overall, I present the first description of multivariate benthic remineralisation functioning at hot- and coldspots in the Canadian Arctic. My results demonstrate that the diversity-ecosystem function relation in arctic benthic systems strongly depends on resource availability and that the interactive effects of spatio-temporal variation may hide the detection of progressive change particularly at hotspots. Sentinel sites studying diversity and food supply changes should therefore be implemented at hot- and coldspots. -- Keywords : Arctic, ecosystem functioning, benthic remineralisation, diversity, hotspots, fluxes, sediment Chl a, spatio-temporal variation.

Type de document: Thèse ou Mémoire (Thèse)
Directeur de mémoire/thèse: Archambault, Philippe
Co-directeur(s) de mémoire/thèse: Piepenburg, Dieter
Informations complémentaires: Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en océanographie en vue de l'obtention du grade de philosophiae doctor.
Mots-clés: Ecosysteme Benthique Benthos Hotspot Coldspot Arctique Canada
Départements et unités départementales: Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Déposé par: DIUQAR UQAR
Date de dépôt: 04 févr. 2015 14:32
Dernière modification: 04 févr. 2015 14:32
URI: http://semaphore.uqar.ca/id/eprint/962

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