Propriétés bio-optiques et applications de télédétection pour la cartographie de la distribution des producteurs primaires dans les zones côtières de l'estuaire et du golfe du Saint-Laurent

Sampaio de Araùjo, Carlos Alberto (2023). Propriétés bio-optiques et applications de télédétection pour la cartographie de la distribution des producteurs primaires dans les zones côtières de l'estuaire et du golfe du Saint-Laurent. Thèse. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de biologie, chimie et géographie, 217 p.

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Résumé

ABSTRACT : The relationship between nature and humanity is in the spotlight in the 21st century, while the proximity of coastal zones is one of the most attractive areas in the world for human settlements due to their unique offer of environmental (social, economical, and ecological) goods. Notwithstanding, nearshore areas host diverse ecologically relevant and sensitive habitats. In this context, while forming the basis of trophic chains, primary producers such as phytoplankton and foundation species of coastal vegetated habitats constitute key organisms of such ecosystems. Specifically in northern high latitudes, the rising temperatures and sea-ice loss due to global warming are about twice as fast as in mid-latitudes (Arctic amplification), with consequences for ocean, coastal and nearshore processes. Because of the natural wide spatial and temporal variability of oceanographic and watershed processes acting over nearshore areas, the ability to monitor and manage them often represent a challenge for stakeholders, scientists, and decision-makers. Earth observation satellites (EOS) present themselves as a singular tool to address spatial and temporal variabilities of primary producers in nearshore areas. However, the possibility to retrieve biogeochemical information of surface waters from EOS applications requires knowledge about their optical properties. The main objectives of this thesis were to establish a baseline of knowledge about the optical properties and develop remote sensing tools to better understand the variability of primary producers in nearshore waters of subarctic and cold temperate environments. This thesis is composed of three research papers using a combination of in situ (ship-based) and satellite-based approaches to achieve these goals. The studied areas included nearshore subregions of the estuary and Gulf of St. Lawrence (EGSL), Eastern Canada, being the coastal areas near the Bay of Sept-Îles (BSI), the Manicouagan (MAN) Peninsula, Forestville (FV), Rimouski bay (RIB), and L'Isle Verte bay (IVE). In the first article, BSI, MAN and FV subregions were investigated using (distinct) in situ sampling design strategies, and all field campaigns collected optical and biogeochemical quantities (molar and dry-mass concentrations) to investigate their major relationships. The bio-optical properties of nearshore waters of the north part of EGSL are under the influence of major (or local) organic matter-rich riverine discharges. Specifically, it was shown that the absorption coefficient of the chromophoric dissolved organic matter (CDOM) strongly dominates the absorption budget, and that these waters have very low mass-specific backscattering coefficient. These factors characterize a strongly light-absorbing and weakly light-scattering medium, resulting in low reflectance values and with implications for the applications of optical remote sensing approaches. Despite the dominance of terrigenous absorbing components, the biomass of phytoplankton was not negligible (chlorophyll-a concentrations = 1 mg m-3). Overall, the sampling strategy revealed a complex interplay of spatial (between and within subregions) and temporal (seasonal, synoptic, and circadian) variabilities acting of nearshore EGSL and influencing its optical properties. In the second article, we hypothesized that the composition of major phytoplankton assemblages in BSI subregion will covary with temperature and the bulk optical properties of the environment. The in situ sampling revealed a strong seasonal (spring to autumn) pattern modulating the composition of phytoplankton assemblages, while statistically significant differences of temperature and bio-optical properties between the different groups were observed. Before the freshet, spring bloom was dominated by large (microphytoplankton) cells (diatoms), and the succession followed a shift towards nanophytoplankton and picophytoplankton cells throughout summer and fall. Whilst confirming the hypotheses, it was also demonstrated the capability to retrieve the major phytoplankton assemblages rom EOS sensors, with possible applications to monitoring programs. The third article used a long-term time series (~40 years) from EOS (Landsat missions) to address the interannual and decennial variability of seagrass (eelgrass, Zostera marina L.) meadows coverage in intertidal areas of BSI, MAN, RIB, and IVE subregions of EGSL. From the methodological aspect, knowledge about the variabilities of optical properties and tides were essential to optimize EOS approaches. The area of the meadows presented a significantly increasing trend (10 to 20-fold greater than the initial surface area, considering the period from 1984 to 2022). Particularly, in MAN and BSI subregions the observed growing trend was towards land. Overall, this thesis focused on the retrieval of the spatial distribution of two important primary producers (i.e., phytoplankton assemblages and seagrass meadows) using EOS approaches in changing EGSL nearshore subregions. An avenue of possibilities remains to be explored through incorporating EOS approaches in nearshore EGSL zones in social-ecological systems, where the environment and its interaction with the anthroposphere can be modeled and predicted. Nonetheless, this thesis represents a first step towards a more representative sampling of these two important environmental variables. -- Mot(s) clé(s) en anglais : nearshore habitats, bio-optical properties, CDOM, backscattering coefficient, phytoplankton seasonal succession, remote sensing, eelgrass meadows, Zostera marina, Landsat, Saint Lawrence Estuary. --
RÉSUMÉ : La relation entre la nature et l'humanité est une préoccupation grandissante du 21e siècle, alors que la proximité des zones côtières est l'une des zones les plus attractives au monde pour les établissements humains en raison de leur offre unique de biens environnementaux (sociaux, économiques et écologiques). En effet, les zones littorales abritent divers habitats écologiquement pertinents et sensibles. Dans ce contexte, tout en constituant la base des chaînes trophiques, les producteurs primaires tels que le phytoplancton et les espèces fondatrices des habitats végétalisés côtiers constituent des organismes clés de tels écosystèmes. Plus précisément dans les hautes latitudes septentrionales, la hausse des températures et la perte de glace de mer due au réchauffement climatique sont environ deux fois plus rapides qu'aux latitudes moyennes (amplification arctique), avec des conséquences sur les processus océaniques, côtiers et littoraux. En raison de la grande variabilité spatiale et temporelle naturelle des processus océanographiques et des bassins versants agissant sur les zones littorales, la capacité de les surveiller et de les gérer représente souvent un défi pour les parties prenantes, les scientifiques et les décideurs. Néanmoins, les satellites d'observation de la Terre (SOT) se présentent comme un outil de choix pour aborder les variabilités spatiales et temporelles des producteurs primaires dans les zones côtières. Cependant, la possibilité de récupérer des informations biogéochimiques sur les eaux de surface à partir d'applications SOT nécessite une connaissance de leurs propriétés optiques. Les principaux objectifs de cette thèse étaient d'établir une base de connaissances sur les propriétés optiques et de développer des outils de télédétection pour mieux comprendre la variabilité des producteurs primaires dans les eaux côtières des environnements subarctiques et tempérés froids. Cette thèse est composée de trois articles de recherche utilisant la combinaison d'approches in situ (basées sur des navires) et satellitaires a été utilisée pour atteindre ces objectifs. Les zones étudiées comprenaient des sous-régions littorales de l'estuaire et du Golfe du Saint-Laurent (EGSL), dans l'est du Canada, étant les zones côtières proches de la Baie des Sept-Îles (BSI), Forestville (FV), la baie de Rimouski (RIB), and la baie de L'Isle Verte (IVE). Dans le premier article, les sous-régions BSI, MAN et FV ont été étudiées en utilisant des stratégies de conception d'échantillonnage in situ (distinctes), et tous les échantillons incluent (1) les propriétés optiques et (2) les quantités biogéochimiques (concentrations molaires et de masse sèche) pour étudier leurs principales relations. Les propriétés bio-optiques des eaux littorales de la partie nord de l'EGSL sont sous l'influence de débits fluviaux majeures (ou locaux) riches en matière organique. Plus précisément, il a été montré que le coefficient d'absorption de la matière organique dissoute chromophore (MODC) domine fortement le bilan d'absorption, et que ces eaux ont un coefficient de rétrodiffusion spécifique très faible (par rapport à la concentration en matière particulaire en suspension). Ces facteurs caractérisent un milieu absorbant fortement la lumière et diffusant faiblement la lumière, ce qui entraîne de faibles valeurs de réflectance et des implications pour les applications des approches de télédétection optique. Malgré la dominance des composantes optiques d'origine terrigène dans le bilan d'absorption, la biomasse de phytoplancton n'est pas négligeable (concentrations en chlorophylle-a = 1 mg m-3). Dans l'ensemble, la stratégie d'échantillonnage a révélé une interaction complexe des variabilités spatiales (entre et au sein des sous-régions) et temporelles (saisonnières, synoptiques et circadiennes) agissant sur l'EGSL près du rivage et influençant ses propriétés optiques. Dans le deuxième article, nous avons émis l'hypothèse que la composition des principaux assemblages de phytoplancton dans la sous-région de BSI covarie avec la température e les propriétés optiques globales de l'environnement. La stratégie d'échantillonnage in situ a révélé un fort cycle saisonnier (du printemps à l'automne) modulant la composition des assemblages de phytoplancton, tandis que des différences statistiquement significatives de température et de propriétés bio-optiques entre les différents groupes ont été observées. Avant la crue des rivières au printemps (mi-mai), l'efflorescence de phytoplancton était dominée par de grandes cellules microphytoplanctoniques (diatomées), et la succession suivait un déplacement vers des cellules de nanophytoplancton et de picophytoplancton tout au long de l'été et de l'automne. Tout en confirmant les hypothèses, il a également été démontré la capacité d'estimer les principaux assemblages de phytoplancton à partir des capteurs SOT, avec des applications possibles aux programmes de surveillance. Le troisième article a utilisé une série temporelle à long terme (~ 40 ans) de SOT (missions Landsat) pour aborder la variabilité interannuelle et décennale de la couverture des herbiers marins (zostère marine, Zostera marina L.) dans les zones intertidales de BSI, MAN, RIB and IVE sous-régions littorales de l'EGSL. D'un point de vue méthodologique, la connaissance des variabilités des propriétés optiques et des marées était essentielle pour une meilleure utilisation des approches SOT afin d'obtenir les meilleurs résultats. La superficie des herbiers a présenté une tendance à l'augmentation significative (10 à 20 fois supérieure à la superficie initiale, en considérant la période de 1984 à 2022). En particulier, dans les sous-régions MAN et BSI, la tendance croissante observée était vers la terre (continent). Dans l'ensemble, cette thèse s'est concentrée sur l'analyse de la distribution spatiale et temporelle de deux importants groupes de producteurs primaires (i.e., les assemblages phytoplanctoniques et les herbiers de zostère) grâce aux approches SOT dans les sous-régions côtières changeantes de l'EGSL. Une voie de possibilités reste à explorer en incorporant des approches SOT dans les zones EGSL côtières dans les systèmes socio-écologiques, où l'environnement et son interaction avec l'anthroposphère peuvent être modélisés et prédits. Néanmoins, cette thèse représente une première étape vers un échantillonnage plus représentatif de ces deux variables environnementales importantes. -- Mot(s) clé(s) en français : habitats côtiers et littoral, propriétés bio-optiques, MODC, coefficient de rétrodiffusion, succession saisonnière du phytoplancton, télédétection, herbiers de zostère, Zostera marina, Landsat, Estuaire du Saint-Laurent.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Bélanger, Simon
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse :	Tremblay, Jean-Éric
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en sciences de l'environnement en vue de l'obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.).
Mots-clés :	Productivité primaire (Biologie); Phytoplancton; Herbes marines; Herbiers marins; Zostère marine; Zostera marina; Cartographie; Phytogéographie; Télédétection; Optique spatiale; Littoral; Saint-Laurent, Golfe du; Saint-Laurent, Estuaire du (Québec).
Départements et unités départementales :	Département de biologie, chimie et géographie > Biologie
Déposé par :	DIUQAR UQAR
Date de dépôt :	27 févr. 2024 19:34
Dernière modification :	27 févr. 2024 19:34
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/2912

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