Дисертації з теми "Ecosystem perturbation"

Bacteria are immensely diverse and hold key-positions in essentially all biogeochemical cycles. In freshwater ecosystems, bacteria degrade and mineralize organic compounds, linking the pool of dissolved organic matter to higher trophic levels. Aware of the global biodiversity loss, ecologists have started identifying the relationship of diversity and ecosystem functioning. Central to this is the question if species can functionally replace other species, hence being functionally redundant. Functional redundancy might allow communities to maintain functioning when diversity is lost. Due to their large numbers and great diversity, bacterial communities have been suspected to harbor large amounts of redundancy. The central aim of this thesis is to investigate the coupling of diversity and ecosystem functioning of bacterial communities and to understand how environmental perturbation affects this relationship. I manipulated the diversity of complex communities by a dilution technique, and measured the performance of bacterioplankton and biofilm-forming communities at different diversities. Reduction of bacterial diversity differently affected different functions, and that the presence or absence of certain species might be causing this pattern. However, for ecosystems to function, the interplay of multiple functions, i.e. multifunctionality, has to be sustained over long periods of time. In bacterial biofilm communities reduced diversity affected multifunctionality, as reflected by extracellular enzyme activities. A continuous cultivation system was used to address the importance of diversity for resistance and resilience upon environmental perturbation. The analysis of co-occurrence of bacterial taxa showed that the communities form a dense network before the perturbation and that these patterns are disturbed by the environmental perturbation. The final chapter of the thesis presents experimental evidence for the positive effects of temporal and spatial refuges for bacterial communities and the functions they provide. Overall, I found several indications for a lower amount of functional redundancy as previously assumed and it becomes apparent from this thesis that a multifunctional perspective and the consideration of environmental heterogeneity is pivotal.

Bacterial diversity and ecosystem functioning (BEF) relationships have received considerable attention during the last three decades and tend to be positive in most cases. However, most studies were done in closed systems and largely ignored the importance of placing local communities into the metacommunity context, in which dispersal can be a crucial factor modifying community diversity and composition and ecosystem functioning. The aim of this study was to investigate the effects of both diversity and dispersal on the responses of bacterial community to a starvation perturbation. To achieve this, we implemented a batch culture experiment using the dilution-to-extinction approach to create a diversity gradient of local bacterial community richness. Different dispersal rates were manipulated by transferring cells in different quantities from a regional source to the cultures, and they were then exposed to a perturbation by transferring them into water from another lake which differed in organic carbon content and quality. We evaluated the BEF relationship by measuring the bacterial community composition using t-RFLP and multiple ecosystem functions. Generally, our results demonstrated that diversity and dispersal have an interactive and positive effect on ecosystem functioning. In particular, dispersal had a stronger and more pronounced effect on ecosystem functioning when bacterial diversity was low. When evaluating the responses of bacterial community respiration, no significant difference was observed among different treatments, however, there were clear differences in substrate utilization patterns, implying that specific functions, such as decomposing certain substrates, are more sensitive to a perturbation than general functions, such as respiration. Therefore it is important to include multiple functional parameters when studying BEF relationships and, in particular, when applying our knowledge to the conservation of natural environments.

Large carnivores are among the most challenging species to conserve in our modern and crowded world. Having large spatial requirements and living in low density, they generally require wide and relatively undisturbed areas. In Europe, one of the most anthropized areas of the planet, these needs must be fulfilled in a complex human-dominated landscape. The reintroduced brown bear population living in the Central Alps represents one of the most emblematic examples of a constrained carnivore: despite a steady population increase in the first few years after reintroduction, the population did not substantially expand its range, nor has the Alpine-Dinaric metapopulation been reestablished as envisioned. Although humans have lived in the Alps for centuries, little is known about their impact on the bear population. In other environments humans are known to function as a “super-predator” by changing habitats, competing for space, consuming resources, and harvesting, which alters the ecological niche of animals, especially large carnivores. This dissertation aims to evaluate this phenomenon by assessing the effects of human disturbance on brown bears in the Alps. Anthropogenic disturbance is generally assessed by structural proxies, such as infrastructure and land use, which overlook the impact of human presence. In the first Chapter, we developed the Cumulative Outdoor activity Index (COI) to derive anthropogenic disturbance using crowdsourced data by Strava and validated it with ground truth observations derived from a local camera trapping survey. The intensity of COI provided an effective measure of functional anthropogenic disturbance, and it outperformed all commonly-used proxies of structural disturbance in predicting bear habitat use. When displacement is not an option because of habitat limitations and social mechanisms, bear mobility may clash with human activity. During the moments of lowest mobility, such as resting periods, animals have decreased ability to cope with risky situations, and therefore the selection of suitable resting areas is crucial for the long-term survival of individuals. In the second Chapter, we measured multi-scale response to risk perception (i.e., COI) and resource proximity using bedding sites by GPS radio-collared adult brown bears in the Alps. To map resources across the study area, we developed a GIS-database combining spatial and non-spatial ecological information to map fruit availability. We observed that bears apply a security-food trade-off strategy, avoiding functional anthropogenic disturbance while in proximity to resources. In the third Chapter, we explicitly tested the effect of an abrupt interruption of human mobility during COVID-19 lockdown on bears’ use of ecological corridors. Using bear occurrences reported to local authorities during the recent COVID-19 outbreak, we observed that bears used human-dominated areas more frequently, approached more intensively hot spots for road crossing network, and used areas further from the population core areas more often than previous years, suggesting that connectivity increased with reduced human mobility. In a comparatively human-free system, for the fourth Chapter we used longitudinal morphometric data to analyze drivers of changes in body mass as part of an international collaboration with biologists studying the grizzly bear in the Greater Yellowstone Ecosystem. Specifically, we analyzed changes in lean body mass and fat percentage during years of major ecosystem perturbations. We observed that individual lean body mass during the last two decades was primarily associated with population density, but not body fat percentage, showing density-dependent factors. Our combined findings (Chapters 1-3) showed that brown bears have to adapt their space use, movement, and resource proximity as a result of functional anthropogenic disturbance. In Chapter 4 we explored one effect of unconstrained bear space use on individuals, as manifested through density-dependent effects on body size. In the Alps, however, we found multiple instances of the human-super predator outcompeting bears so as to make density-dependent effects likely less significant as compared to human-caused mortality. These effects could occur in a variety of socio-ecological contexts across Europe, jeopardizing the long-term establishment of both newly reintroduced bear populations, as well as spatially limiting those naturally present in the environment. In response to disturbance, bears have had to reduce their ecological niche in human-dominated landscapes. Allowing humans and bears to coexist in the same landscape is a challenging task, but it is essential for the long-term survival of this newly reintroduced population that are otherwise at risk of extinction.

Present changing environment calls for improvements of our knowledge of natural systems structure and function through a holistic view. Such a whole system perspective might help to better understand responses of ecosystems to perturbations. Models of ecological networks have proven to be very useful tools for understanding structure, and dynamics of ecosystems. I am presenting two modelling techniques to deal with the whole system approach: topological food web analysis (chapter 2) and loop analysis (chapter 3 and 4). Both these studies privilege the qualitative analysis over the quantitative one, to overcome the lack of data. In chapter 2 the topology of the food web is considered to study the functioning of the Baja California Sur ecosystem. I identified through centrality indices key node species and analyzed system resilience to the removal of the most vulnerable fish species based on a previous classification of high, medium and low risk species. Effects are evaluated by using global indices. Results highlight the structural resilience of the web to removals, but also that removals of highly vulnerable species result in significant changes in system attributes compared to random removal. In chapter 3 the evolution of the Black Sea ecosystem during the period 1960-1990 is evaluated through qualitative models (i.e. loop analysis). These models reconstruct the linkage structure of the whole community. I validated the outcomes of loop analysis with statistical investigation of biomass time series. This helped to understand how the structure of the interactions can explain variations in the biomass level of the variables and what hypotheses about drivers and mechanisms responsible for the changes could be shaped accordingly. In chapter 4 a database of real and random food webs was taken into account. I studied these food webs through loop analysis to unveil how positive input on basal and top species affects top and basal species, respectively. The aim was to identify possible differences in the propagation of indirect impacts in response to positive perturbations that occur at the extreme of the food webs (i.e. either targeting basal or top species). I compared real systems (i.e. marine, terrestrial and freshwater food webs) with random networks. I found an overrepresentation of positive predictions (i.e. the species are predicted to increase their abundance) and an underrepresentation of negative predictions for the top species when basal species are perturbed. This occurs in both real and random systems. Considering the latter the same trend (i.e. overrepresentation of positives signs and underrepresentation of negative ones) was found when predicting the responses of basal species following perturbations on top species. I showed that these findings are due to the topological structure of the food webs (e.g. number and length of trophic paths) rather than depending on the patterning of interactions strengths. Thus, the responses of top species following perturbations on basal species are predictable, while the same trend does not hold when studying the responses of basal species after perturbations targeted on top species. These results are particularly relevant and interesting considering the importance of basal and top species as target for many anthropogenic impacts. This thesis contributes to unfold a path toward: 1) the understanding of the effect of disturbance on ecological communities and ecosystems; 2) an improved comprehension of the interplay between top-down and bottom-up control; 3) the capability to deal with uncertainty in assessing the response of communities and ecosystems in the face of disturbance. I used relatively simple methodologies that focus on the qualitative arrangement of trophic interactions. This may seem a limitation. However, I show there are cases for which even the study of qualitative data can be of crucial importance in terms of management (i.e. ecosystem-based management).
I cambiamenti ambientali in atto richiedono un miglioramento delle conoscenze su struttura e funzionamento dei sistemi naturali attraverso un approccio olistico. Una visione d’insieme potrebbe aiutare a comprendere meglio la risposta degli ecosistemi alle perturbazioni. E’ stato provato che lo studio dei network ecologici è utile per comprendere la struttura e le dinamiche degli ecosistemi. In questa tesi presento due tecniche modellistiche: l’analisi topologica di food web (capitolo 2) e la loop analysis (capitolo 3 e 4). Entrambi gli studi privilegiano l’analisi qualitativa a quella quantitativa per superare la mancanza di dati. Nel capitolo 2 ho considerato alcune caratteristiche topologiche per lo studio del funzionamento dell’ecosistema di Baja California Sur. Ho identificato, attraverso gli indici di centralità, le specie chiave e analizzato la resilienza del sistema alla rimozione delle specie definite più vulnerabili (es. precedente classificazione di alto, medio e basso rischio). Gli effetti sono stati valutati attraverso indici globali. I risultati evidenziano la resilienza strutturale della food web alle rimozioni, ma anche che la rimozione delle specie più vulnerabili cambia significatamente alcuni attributi del sistema rispetto alle rimozioni random. Nel capitolo 3 ho valutato l’evoluzione dell’ecosistema del Mar Nero nel periodo 1960-1990 attraverso la loop analysis. I modelli qualitativi indagati ricostruiscono la struttura dei legami dell’intera comunità. Ho validato i risultati emersi con indagini statistiche sulle serie temporali di biomasse per capire come la struttura delle interazioni può spiegare le variazioni nei livelli di biomassa delle variabili e quali ipotesi possono essere fatte sui drivers e i meccanismi responsabili dei cambiamenti. Nel capitolo 4 ho costruito un database di food web reali e random, che ho studiato attraverso la loop analysis, per capire come un input positivo sulle specie basali e apicali si ripercuote rispettivamente sulle specie apicali e basali. Lo scopo era quello di identificare possibili differenze nella propagazione degli effetti indiretti in risposta a input positivi che si verificano agli estremi delle food web. Ho confrontato sistemi reali (marini, terrestri e di acqua dolce) con networks random. Ho trovato una sovrarappresentazione di predizioni positive (aumento dell’abbondanza delle specie) e una sottorappresentazione di predizione negative per le specie apicali a seguito di un input positivo sulle specie basali, sia nei sistemi reali che in quelli random. Considerando questi ultimi lo stesso trend (sovrarappresentazione di segni positivi e sottorappresentazione di segni negativi) è stato trovato nelle predizioni riguardanti la risposta delle specie basali a seguito di un input sulle specie apicali. Ho mostrato che questi risultati sono dovuti alla struttura topologica delle food web (es. il numero e la lunghezza dei percorsi trofici) piuttosto che alla forza delle interazioni. Sembra che le risposte delle specie apicali a seguito di perturbazioni delle specie basali siano prevedibili, al contrario delle risposte delle specie basali a seguito di un input sulle apicali. Questi risultati sono particolarmente rilevanti e interessanti considerando l’importanza delle specie basali e apicali come target degli impatti antropici. Questa tesi contribuisce allo sviluppo di un percorso verso: 1)la comprensione degli effetti di disturbo sulle comunità ecologiche e sugli ecosistemi; 2)una migliore comprensione delle interazioni di controllo top-down e bottom-up; 3)la capacità di affrontare l'incertezza per valutare la risposta delle comunità e degli ecosistemi di fronte al disturbo. Nonostante l’uso di metodologie relativamente semplici che si concentrano sulla disposizione qualitativa delle interazioni trofiche, ho dimostrato che vi sono casi in cui anche lo studio di dati qualitativi può essere di cruciale importanza in termini di gestione.

La restauration écologique est considérée comme un des moyens susceptibles d’enrayer la perte de la biodiversité. Les changements d’occupation du sol peuvent être des opportunités pour restaurer des écosystèmes dégradés par les activités agricoles. C’est notamment le cas du projet participatif du domaine du Cassaïre, situé dans le delta du Rhône, qui vise à recréer sur d’anciennes rizières des écosystèmes méditerranéens favorables à l’activité cynégétique. Deux écosystèmes sont plus particulièrement visés, les marais temporaires et les pelouses méso-xériques. Les objectifs de la thèse sont de mettre en évidence les principaux mécanismes concourant à l’installation d’une communauté végétale, de tester des techniques de restauration et d'en évaluer les conséquences pour les communautés végétales mais aussi pour d'autres compartiments de l'écosystème. En l’absence d’espèces cibles dans le pool régional d’espèces, l’introduction de ces espèces est nécessaire en addition de la restauration des conditions abiotiques. L’étrépage et le transfert de sol pour la communauté des marais permettent une augmentation des espèces cibles et de la similarité avec la communauté de référence. Cette technique apparaît moins pertinente pour la communauté d’invertébrés aquatiques. Le succès contrasté du transfert de sol souligne les risques à ne pas privilégier qu’un nombre restreint d’indicateurs de restauration, ne reflétant pas l’ensemble de l’écosystème. L’étrépage de sol suivi d’un transfert de foin semble être une combinaison pertinente pour recréer la communauté végétale de pelouses, même si les résultats obtenus, probablement en raison d’une compétition élevée, sont moins convaincants que pour les marais temporaires. Nos résultats obtenus pour la grande majorité en mésocosmes, s’ils ne concernent que les premières étapes de la restauration, mettent cependant en évidence des techniques de restauration qui paraissent pertinentes pour installer certaines composantes des deux écosystèmes de référence. Ces résultats, par leurs limites, suggèrent néanmoins de privilégier la conservation in situ des habitats naturels plutôt que de chercher à les restaurer après qu’ils aient été détruits
Ecological restoration is considered as one approach to slow down the loss of biodiversity. Changes in land-uses may be an opportunity to restore ecosystems degraded by agricultural activities. This is the case of the participatory project of the Cassaïre site, located in the Rhône delta, which aims at recreating Mediterranean ecosystems favorable to hunting on former ricefields. Two ecosystems are targeted, temporary wetlands and meso-xeric grasslands. The aims of the thesis are to highlight the main drivers of plant community establishment, to test restoration techniques and to evaluate their effects on plant communities but also on other compartments of the ecosystem. In the absence of target species in the regional species pool, the introduction of these species is necessary in addition to the restoration of abiotic conditions. Topsoil removal and soil transfer for wetland communities allow an increase of target species and of similarity with the reference community. This technique appears to be less relevant for aquatic invertebrate community. The contrasted successful of soil transfer highlights the risks of favoring some indicators of restoration success, as they may not reflect the entire ecosystem. Topsoil removal and hay transfer seem to be a relevant combination to recreate grassland plant community, although the results obtained are less convincing than for temporary wetland, probably due to high competition. Our results, obtained in mesocosms, even if they relate only to the early stages of recovery, provide restoration techniques that seem relevant to establish some components of the two reference ecosystems. These results, by their limitations, however, suggest focusing on in situ conservation of natural habitats rather than trying to restore them after they were destroyed.Keywords: Biodiversity, Community ecology, Restoration

Dans un contexte de changement global qui continue de menacer les espèces et l’intégrité des écosystèmes à travers le monde, l’étude de la stabilité des écosystèmes n’a jamais été aussi importante. Jusqu’à aujourd’hui, la plupart des études sur la stabilité des écosystèmes se sont centrées sur des écosystèmes simples et des perturbations individuelles, en focalisant généralement sur le comportement de propriétés écosystémiques particulières, comme les indices de productivité et de diversité. Cependant, les écosystèmes sont soumis simultanément à de multiples perturbations. De plus, à grande échelle spatiale, différents écosystèmes se succèdent, chacun répondant différemment à une perturbation donnée. L’étude de la stabilité des écosystèmes doit donc progresser vers des approches plus intégratives qui seront informatives à des échelles pertinentes pour la gestion des écosystèmes. Cette thèse est un pas en avant dans cette direction. Ici, j’ai utilisé plusieurs approches pour évaluer la façon dont de multiples facteurs de changement global, tels que les changements climatiques graduels et extrêmes et les changements d’usage du sol, affectent la stabilité des écosystèmes à grande échelle spatiale, du point de vue d’un seul niveau trophique à un point de vue multitrophique.Je commence par souligner l’importance de considérer les interactions entre les changements climatiques graduels et extrêmes, en conjonction avec les changements de l’usage du sol, pour la gestion de paysages hétérogènes, comme les Alpes européennes. En utilisant un modèle de végétation dynamique et spatialement explicite, je montre qu’une augmentation de la fréquence et de l’intensité de la sécheresse pourrait drastiquement changer les tendances d’embroussaillement des habitats ouverts alpins et subalpins qui sont généralement prévues par les projections ne prenant pas en compte ces évènements extrêmes dans le futur. J’ai ensuite étudié si la sécheresse et le réchauffement climatique progressif amenaient les communautés végétales à souffrir des transitions différentes, en utilisant une approche innovatrice dans laquelle les états des communautés sont décrits d’une façon multidimensionnelle. Je montre que bien que les effets de la sécheresse sur la structure des forêts et des pâturages ne devraient pas trop affecter les trajectoires à long terme causées seulement par le réchauffement climatique graduel, ils devraient rendre les communautés forestières plus instables que les prairies dans le futur. Cependant, l’analyse des réponses de la végétation reste limitée à un seul niveau trophique. Vu que les réseaux trophiques représentent les flux d’énergie dans un écosystème, l’étude de leur stabilité aux perturbations devrait fournir des informations plus précises sur la stabilité globale de l’écosystème. Donc, j’ai aussi étudié la stabilité des réseaux trophiques dans les aires protégées européennes face à des scénarios futurs d’usage du sol et de climat. Mes résultats montrent que ces réseaux trophiques peuvent être très sensibles aux changements climatiques, même s’ils ne sont soumis à aucun changement d’usage du sol. Notamment, je montre que la prise en compte des phénomènes de dispersion des espèces aura un impact important sur la robustesse des réseaux, et je souligne l’importance de leur prise en compte pour la gestion des écosystèmes.Dans ma thèse, je démontre que les concepts de stabilité de l’écosystème peuvent et doivent être appliqués à des échelles pertinentes pour la gestion des écosystèmes, tout en adoptant la nature multidimensionnelle des écosystèmes
As global change threatens ecosystems worldwide with biodiversity loss, studying ecosystem stability has never been so important. Most ecosystem stability studies have heretofore focused on single ecosystems and disturbances, usually following the behaviour of particular ecosystem properties, such as productivity and diversity indices. However, ecosystems are subjected to multiple disturbances simultaneously and at large spatial scales different ecosystems co-occur, each responding specifically to any given disturbance. Hence, the study of ecosystem stability needs to move towards approaches that can be informative at broad scales that are relevant for ecosystem management. This thesis is a step forward in this direction. Here, I used several approaches to assess how multiple global change drivers, such as climate change, extreme whether events, and land-use changes, affect ecosystem stability at landscape and larger spatial scales, and from single to multi-trophic level perspectives.I begin by highlighting the importance of considering the interactions between gradual and extreme climate changes, in conjunction with land-use changes, for the management of highly diverse landscapes, such as the European Alps. Using a spatially explicit dynamic vegetation model, I show that increasing drought frequency and intensity will likely change the trends of treeline movement expected under future gradual climate warming scenarios. I then investigated whether drought and gradual climate warming caused plant communities to shift in different ways, using n-dimensional hypervolumes to describe community states in multidimensional space. Drought effects on forest and grassland structure did not greatly change the long-term trajectories caused by gradual climate warming alone, but showed that forest communities became more unstable than grasslands in the future. However, focusing on vegetation dynamics remains limited to a single trophic level. Because trophic networks represent energy flows in an ecosystem, studying their stability to disturbances should provide more accurate information on overall ecosystem stability. Hence, I also investigated trophic network stability in European protected areas to future scenarios of land-use and climate changes. My results show that these trophic networks may be highly sensitive to climate changes, even if no land-use changes occur. Importantly, I show that considering different dispersal limitations will greatly impact network robustness, and stress the importance of accounting for these processes in ecosystem management.In my thesis, I demonstrate that ecosystem stability concepts can and should be applied at scales that are relevant for management, while embracing the multidimensional nature of ecosystems

(Résumé de la thèse) Ayant constaté l’échec de ses Objectifs 2010 pour la biodiversité, dont, entre autres, l’incapacité de l’Empreinte écologique à rendre compte de la biodiversité, la Convention sur la Diversité Biologique a adopté en 2011 "Les objectifs d’Aichi (2011-2020) pour la biodiversité". Parmi ceux-ci les objectifs 1 et 2 concernent la prise de conscience des valeurs de la biodiversité, leur intégration dans les processus de planification nationaux et locaux de développement, et leur incorporation dans les comptabilités nationales. Ce en quoi ces objectifs de la CDB convergent désormais avec ceux des Nations Unies concernant le Système de Comptabilité Economique et Environnementale (SCEE). La présente thèse s’inscrit dans ce cadre de questionnement unifié. Elle a le double objectif : (a) de rechercher, fonder et mettre au point une unité de mesure biophysique de la diversité biologique caractérisant tout aussi bien l’ordre naturel que le désordre anthropogénique, et (b) d’incorporer celle-ci dans un nouveau système de comptabilité physique, le Bilan écologique. Celui-ci est susceptible de comparer, à toutes échelles territoriales, le Passif écologique des collectivités urbaines, vu comme le reflet biophysique de leur comptabilité monétaire, à l’Actif écologique de leurs espaces naturels, afin de révéler les relations de cause à effet, et de signifier les impacts cumulés de la perturbation anthropogénique sur l’Ecosphère et la Biosphère. Il aurait ainsi vocation, à terme, à nous permettre de caractériser les voies d’un développement véritablement écologique des territoires
(Abstract of the thesis) Having noted the failure of its 2010 targets for biodiversity, including, among others, the inability of the Ecological Footprint to account for biodiversity, the Convention on Biological Diversity adopted in 2011 "The 2011-2020 Aichi Targets for biodiversity". Among these, objectives 1 and 2 concern awareness of the values of biodiversity, their integration into national and local development planning process, and their incorporation into national accounts. This how these objectives of the CBD converge now with those of the United Nations for the System of Environmental-Economic Accounting (SEEA). This thesis lie within this unified questioning framework. It has the double purpose : (a) of searching for, founding and developing a biophysical measurement unit of biodiversity, characterizing just as well the natural order as the anthropogenic disorder, and (b) to incorporate it into a new physical accounting system, the Ecological balance sheet. The latter is likely to compare, for all territorial scales, the Ecological liability of urban communities, seen as the biophysical reflection of their monetary accounting, to the Ecological asset of their natural spaces, in order to reveal the relationships of cause and effect, and to signify the cumulative impacts of anthropogenic disturbance on the Ecosphere and the Biosphere. In the end, it would have so vocation to enable us to characterize the ways of a truly ecological development of the territories

The habitability of Earth is dependent upon the global recycling of elements essential for life, such as nitrogen, sulfur and carbon. Nutrient-cycling by micro-organisms is vital to these biogeochemical cycles because many key steps are mediated primarily, or exclusively, by microbial life. The dynamics of these cycles are highly complex, and environmental perturbations (such as changes in the oceanic oxygen concentration) can have unexpected or catastrophic effects; often causing abrupt switches between chemical states. Despite the importance of these environmental perturbations however, few theoretical models have addressed how they affect the dynamical behaviour of nutrient-cycling microbial ecosystems. In this work, we investigate the effect of environmental perturbations on microbially-mediated nutrient cycles and assess the likelihood of "sudden transitions" between chemical states of the ecosystem occurring in a variety of ecological contexts. To do this, we first use computational modelling of microbial nutrient-cycling, using a "box model" approach. We then move on to an experimental study using the microbial sulfur cycle as a model ecosystem, with freshwater pond sediment/water microcosms. These microcosms have the advantage of retaining many of the features of the real ecosystem (such as microbial diversity, spatial structure, and abiotic interactions) while allowing the controlled manipulation of environmental perturbations. We study these microcosms using a combination of chemical measurements and high-throughput sequencing of the microbial community. Finally, we return to the computational side, and attempt to reproduce chemical data from our experiments in a mathematical model containing realistic abiotic chemical interactions.

Les activités humaines amplifient ou interfèrent régulièrement avec les forçages « top-down » et « bottom-up » sur les écosystèmes. Pourtant, la réponse des communautés à ces perturbations reste mal comprise. Ma thèse a pour objet de mesurer les effets des top-prédateurs et des nutriments sur la structure et le fonctionnement d’écosystèmes aquatiques expérimentaux. J’ai étudié dans des mésocosmes pélagiques de 9,5 m³ l’effet d’un forçage top-down induit par deux espèces de poissons. Je montre que ces changements de top-prédateurs s’accompagnent d’une réorganisation profonde de la structure du réseau trophique planctonique. Les réorganisations dépendent en partie de la taille des organismes et de leur comportement antiprédateur, mais c’est la phylogénie qui permet le plus efficacement de prédire la réponse du zooplancton aux poissons et les effets en cascade qui en découlent. J’ai également étudié la réponse à un forçage bottom-up par ajouts de phosphore et d’azote dans des macrocosmes de 750 m³ incluant une zone littorale végétalisée. Je montre que l’ajout de nutriments a eu un effet marqué sur la biomasse des producteurs primaires (biofilm, macrophytes littoraux), que les ajouts induisent une abondance plus forte de juvéniles de perche mais la biomasse du zooplancton n’est pas modifiée. La stœchiométrie des organismes et l’activité bactérienne n’ont été que peu changées par l’enrichissement. Ces résultats suggèrent que les effets des forçages bottom-up dans les milieux pélagiques sont bien prédits par la théorie des chaînes trophique mais, à l’échelle d’écosystèmes complexes, les macrophytes et le biofilm peuvent fortement atténuer la réponse à l’enrichissement
Human activities regularly amplify or interfere with top-down and bottom-up forcing on ecosystems. However, the communities' response to these disruptions remains poorly understood. My thesis aims to measure the effects of top-predators and nutrients on the structure and functioning of experimental aquatic ecosystems. I studied in 9.5 m³ pelagic mesocosms the effect of top-down forcing induced by two fish species. I show that these changes in top-predators are accompanied by a profound reorganization of the structure of the planktonic food web. Reorganizations depend in part on the size of organisms and their anti-predatory behaviour, but phylogeny is the most effective way to predict zooplankton response to fish and the resulting cascading effects. I also studied the response to bottom-up forcing by adding phosphorus and nitrogen in 750 m³ macrocosms including a vegetated littoral area. I show that the addition of nutrients has had a significant effect on the biomass of primary producers (biofilm, littoral macrophytes), that the additions induce a higher abundance of juveniles perch but the zooplankton biomass is not modified. The stoichiometry of organisms and bacterial activity were only slightly changed by enrichment. These results suggest that the effects of bottom-up forcings in pelagic environments are well predicted by food chain theory, but at the scale of complex ecosystems, macrophytes and biofilm can strongly reduce the response to enrichment

Taking into account the expected changes in solar UV levels, precipitation and fire regime in the Mediterranean basin, the main goal of this thesis was to evaluate the effects of UV radiation (UV-A and UV-B) and diminished water availability on the biochemical, morphological, physiological and growth 2/2 traits of common Mediterranean resprouter species (Arbutus unedo and Quercus suber), as well as on C and N pools of a Mediterranean shrubland, before and after a perturbation. As main results, responses of A. unedo plants to enhanced UV-B were mainly addressed to the reinforcement of the antioxidant machinery, while Q. suber augmented UV-screening capacity to face UV-B enhancement. At ecosystem level, UV-A and UV-B had opposite effects on soil processes related to C and N cycles, and these effects were often emphasized under reduced precipitation. In addition, the responses observed in plants and soil were different before and after the perturbation
Considerando los cambios esperados en los niveles de UV solar, precipitación y régimen de incendios en la región mediterránea, esta tesis evalúa los posibles efectos de la radiación UV (UV-A y UV-B) y la disminución de la disponibilidad hídrica sobre parámetros bioquímicos, morfológicos, fisiológicos y de crecimiento de especies rebrotadoras mediterráneas (Arbutus unedo y Quercus suber), así como sobre los niveles de C y N de un matorral mediterráneo, antes y después de una perturbación. Como resultados principales, A. unedo respondió al aumento en UV-B reforzando la maquinaria antioxidante, mientras que Q. suber aumentó su capacidad para bloquear esta radiación. En el ecosistema, la UV-A y la UV-B tuvieron efectos opuestos sobre procesos del suelo relacionados con los ciclos del C y el N, efectos que fueron enfatizados por una disminución de la precipitación. Además, las respuestas observadas en plantas y suelo fueron diferentes antes y después de la perturbación

Mise en evidence de la diversite des modifications entrainees par l'amenagement de l'embouchure sur l'ecosysteme estuarien, en particulier sur la phytosociologie des communautes vegetales halophiles, sur les caracteristiques des sediments et les cycles biogeochimiques

This Ph.D. research project investigated two paleo-environmental dynamics under extreme Mesozoic carbon cycle and climate perturbations evidenced by major anomalies in the carbon isotope record (δ13C) of the Early Jurassic and Early Cretaceous, namely the Toarcian Ocean Anoxic Event (TOAE) and the Valanginian Weissert Event, respectively. The material selected for the study of the T-OAE is from two new cores (Sogno and Gajum), which represent pelagic deepest records (1000-1500 paleowater depth) of the Lombardy Basin (Southern Alps, Italy). Both cores record an expanded black shale interval (the Fish Level) of 5 m and 16 m at Sogno and Gajum, respectively, representing the lithostratigraphic expression of the T-OAE sensu Jenkyns (1985, 1988). The Fish Level correlates with the early Toarcian negative δ13C anomaly named ‘Jenkyns Event’. The Weissert Event was studied in a unique southern polar location, where a 40 m thick Lower Cretaceous black shale section was recovered at Ocean Drilling Program (ODP) Site 692, in the Weddell Sea, nearshore Antarctica. The two case studies were selected in distinct and very different paleo-settings and latitudes, in order to explore how global climate perturbations translate into local paleo-environmental responses in the sedimentary record, documenting potentially different pathways in the bio-geochemical cycles. A detailed characterization of δ 13C stratigraphy, calibrated with nannofossil biostratigraphy, was the basis for a univocal identification of the T-OAE (including the Jenkyns Event) and the Valanginian Weissert Event anomalies. Multi-proxy based organic and inorganic geochemical analyses were used to reconstruct OC burial and preservation rates, the nature and sources of organic matter, carbonate chemistry, the evolution of paleo-temperatures, the paleodepositional environment and redox conditions. Both case studies confirm that local sedimentary records of strongly restricted and/or deep marine basins register the δ 13C signals of global perturbations and associated environmental variables. This has been demonstrated at both locations by reconstructing proxy variations in ocean temperatures, drastic changes in carbonate chemistry and the biologic response, linked to the T-OAE and the Weissert Event. In contrast, both case studies emphasize that basin physiography and local climatic and environmental conditions play a major role in controlling OC rates even across such extreme carboncycle perturbations. Notably, the aim of this Ph.D. research was to design and apply an integrated approach combining modelling and multi-proxy data to demonstrate an innovative way forward to decouple uncertainties and limitations of individual proxy results and locations from regional to global scale interpretations. New temperature/pCO2 relationships based on multi-proxy data and modelling were reconstructed for the Weissert Event case study. The analytical approach was not identical for the two case studies. Modelling and part of the geochemical analyses were not applied to the T-OAE section due to pandemic restrictions that prevented laboratory work and subsequent elaborations. The outcome suggests that the established strategy for the Weddell Sea case study may now serve as a conceptual framework to advance research on the Italian Jurassic sections, and other OAE examples. This research points out that more emphasis should be made in understanding temperature/pCO2 relationships to evaluate processes, rates, and dimensions of climate and environmental change back in time, setting boundaries either for the study of past carbon-cycle/climate perturbations and for projecting future climate and environmental response.

Dans certains cas, la colonisation des zones humides par les espèces animales et végétales peut être une menace majeure pour la biodiversité. Il est donc primordial de mieux connaître l‟écologie des espèces colonisatrices pour définir leurs relations avec le reste de l‟écosystème. Nous avons étudié les conséquences de la colonisation relativement récente des étangs piscicoles français par le cygne tuberculé (Cygnus olor). Nous nous sommes intéressés à l‟expression de cette colonisation dans l‟espace par l‟étude des processus de sélection de l‟habitat. Nos résultats montrent que dans un paysage d‟étangs, la répartition des cygnes tuberculés dépend à la fois de la configuration spatiale des étangs (aire - isolement), des ressources disponibles et du statut de reproduction des cygnes tuberculés. Nous avons ensuite étudié les interactions entre le cygne tuberculé et les communautés animales et végétales des étangs. Sur les sites de cantonnement des couples, nous n‟avons pas montré d‟effet de la présence des cygnes tuberculés sur l‟abondance des oiseaux d‟eau, et aucune forme d‟exclusion spatiale à l‟échelle de l‟étang. En revanche, les cygnes tuberculés peuvent générer une déplétion significative des herbiers de macrophytes aquatiques, suggérant des effets en cascade sur les autres communautés des étangs piscicoles. Comme toute perturbation générée par une espèce colonisatrice, celle associée à l‟arrivée des cygnes doit néanmoins être replacée dans le contexte plus large des régimes de perturbations à l‟oeuvre sur l‟écosystème, ce qui importe particulièrement dans le cas d‟écosystèmes aussi dépendants de l‟activité humaine que les étangs piscicoles.

Dans les écosystèmes aquatiques, l'activité anthropique, mais aussi le contexte naturel induisent chez les organismes aquatiques des situations de stress multiples. Parmi les sources potentielles de perturbation, trois d'entre elles, d’origine chimique, ont été étudiées : contamination métallique, une contamination par un herbicide, par un mélange d’alkylphénols polyéthoxylés et enfin une contamination par un produit pétrolier. Cette démarche entre dans le cadre de la directive européenne REACh (Registration Evaluation Autorisation of CHemicals) mais aussi de la directive cadre eau DCE (directive 2000/60/CE) du parlement Européen et du Conseil établissant une politique communautaire dans le domaine de l'eau. Il s’agit en fait d'évaluer la pertinence d’une série d’indicateurs précoces de pollution (ex : biomarqueurs) afin de prédire l'effet des substances chimiques lors de contaminations chroniques ou ponctuelles du milieu aquatique. Une approche intégrée des interactions des substances ou produits sélectionnés sur la réponse génétique, protéique, cellulaire, histologique et individuelle chez la truite arc-en-ciel, Onchorynchus mykiss, a été entreprise en mésocosmes ouverts et dynamiques et en laboratoire. In vivo, une étude multimarqueurs sur des truites juvéniles femelles diploïdes a été menée à chaque exposition, de 21 ou 28 jours, et durant une période de « récupération » afin d'estimer les effets sur la physiologie des truitelles. Le mélange de nonylphénols polyéthoxylés et l’essence utilisés pour les expositions montrent ainsi des effets qui perdurent jusqu’à la fin de cette période de « récupération ». Les mésocosmes, utilisés lors de cette thèse, offrent des conditions favorables au maintien et à la croissance de truites juvéniles. (...) Dans une démarche de recherche de biomarqueurs d’effets chez une espèce modèle, transposer ces travaux chez des poissons (mâles et femelles) à des stades de développement différents pourrait ainsi permettre d’isoler les paramètres les plus pertinents, à chaque stade ou pour l’ensemble du cycle de l’espèce, afin d’apporter de nouveaux outils pour la surveillance des milieux aquatiques
In the aquatic ecosystems, anthropic activity, but also natural environment induce several kind of stress in aquatic organisms. Among the potential sources of stress, three chemicals were studied here: a metal, a bipyridylium herbicide, a mixture of nonylphenol polyethoxylate and an oil product exposure. This study enters within the framework of the European directive REACh (Registration Evaluation Authorization of CHemicals) but also of the Directive Cadre Eau, DCE (directive 2000/60/CE) of the European Parliament. The aim is to evaluate the relevance of an early pollution indicator pool (biomarkers) in order to predict chemical substance effects during chronic exposure or after specific contaminations of the aquatic compartment. An integrated approach of the substance effects on the genetic, proteinic, cellular, histological and individual answers in the rainbow trout, Onchorynchus mykiss, were undertaken in open and dynamic mesocosms and also laboratory. In vivo, a multibiomarker study on female juvenile trout was done at each exposure, over 21 or 28 days, followed by a period of “recovery». The mixture of nonylphenol polyethoxylate and the gasoline used for the exposures thus show effects which perdurent until the end of this period of “recovery. The mesocosms used in this study offer favorable conditions for juvenile survival and growth. (...) In addition to the assessment of the measurement robustness and the biomarker relevance, we compared the data obtained in this study with the in vivo tests and those obtained using in vitro tests. This approach made possible to highlight coherent answers between in vitro the tests and in vivo markers. But in vitro tests are only one preliminary approach to quickly seek a specific toxic action. The modulation monitoring of key genes in the fish reproduction function, during a gasoline exposure, offers complementary informationabout the pollutant mode of action. We noted that the effects of the contamination on the hormonal rates were differed in time compared to the modulation of the gene transcription. In order to bring new tools for the monitoring, in a model species, of the aquatic environment,transposing this work in male and female fish at different developmental stages would enableisolating still most relevant parameters

La décomposition des litières d'origine allochtone gouverne le fonctionnement écologique des cours d'eau de tête de bassin. Ceux-ci sont exposés à des perturbations anthropiques variées dont les conséquences sur le processus de décomposition ont été étudiées en milieu naturel (23 cours d'eau du sud-ouest de la France) et au laboratoire. La vitesse de décomposition des litières répond aux altérations des caractéristiques physico-chimiques de l'eau et de la diversité de la végétation riveraine qui influencent l'activité des organismes décomposeurs. Ainsi, la perte de diversité en essences forestières réduit nettement la dynamique des réseaux trophiques détritiques en modifiant les interactions entre deux guildes de consommateurs primaires (invertébrés déchiqueteurs et champignons aquatiques saprophytes) et la ressource (litières). La prolifération d'une espèce exotique (renouée du Japon) au sein de la végétation riveraine accélère la décomposition des litières indigènes suite à des modifications dans les assemblages de déchiqueteurs. Le lien entre diversité des déchiqueteurs et vitesse de décomposition des litières est également mis en évidence dans des cours d'eau représentatifs d'un gradient d'eutrophisation (enrichissement en azote et phosphore inorganique dissous). Ce résultat montre les limites de méthodes d'évaluation de l'intégrité fonctionnelle des cours d'eau basées seulement sur les traits de vie des invertébrés. Dans l'ensemble, les résultats obtenus témoignent d'une sensibilité de la décomposition des litières et des décomposeurs associés, aux perturbations anthropiques des cours d'eau et des zones riveraines adjacentes. À cet égard, ce processus apparaît comme un excellent indicateur multimétrique de l'état de santé des cours d'eau de tête de bassin, capable de discriminer différents types et degrés de perturbations
Breakdown of allochtonous leaf litter governs the functioning of headwater streams. These streams are exposed to multiple anthropogenic stresses whose consequences were examined in field (23 streams in South-Western France) and laboratory experiments. Leaf litter breakdown rate responded to alterations of physical and chemical characteristics of stream water and diversity of the riparian vegetation which affect the activity of leaf decomposers. Loss in riparian tree species noticeably lowered trophic dynamics in detritus food webs by modifying interactions among two consumer guilds (leaf-shredding invertebrates and saprophyte aquatic fungi) and the basal resource (leaf litter). Proliferation of an exotic species (Japanese Knotweed) within the riparian vegetation enhanced indigenous leaf litter breakdown as a result of changes in shredder assemblages. The relationship between shredder diversity and leaf litter breakdown rate was also highlighted in streams representative of a gradient of eutrophication (enrichment in dissolved inorganic nitrogen and phosphorus). This indicates the limitations of functional assessment schemes only based on invertebrate traits. Overall, the present results showed the sensitivity of leaf litter breakdown and associated decomposers, to anthropogenic disturbance of streams and associated riparian zones. In this respect, this ecological process appears to be an excellent multimetric indicator of headwater stream health which can discriminate among various types and levels of anthropogenic stress

La restauration écologique est considérée comme un des moyens susceptibles d'enrayer la perte de la biodiversité. Les changements d'occupation du sol peuvent être des opportunités pour restaurer des écosystèmes dégradés par les activités agricoles. C'est notamment le cas du projet participatif du domaine du Cassaïre, situé dans le delta du Rhône, qui vise à recréer sur d'anciennes rizières des écosystèmes méditerranéens favorables à l'activité cynégétique. Deux écosystèmes sont plus particulièrement visés, les marais temporaires et les pelouses méso-xériques. Les objectifs de la thèse sont de mettre en évidence les principaux mécanismes concourant à l'installation d'une communauté végétale, de tester des techniques de restauration et d'en évaluer les conséquences pour les communautés végétales mais aussi pour d'autres compartiments de l'écosystème. En l'absence d'espèces cibles dans le pool régional d'espèces, l'introduction de ces espèces est nécessaire en addition de la restauration des conditions abiotiques. L'étrépage et le transfert de sol pour la communauté des marais permettent une augmentation des espèces cibles et de la similarité avec la communauté de référence. Cette technique apparaît moins pertinente pour la communauté d'invertébrés aquatiques. Le succès contrasté du transfert de sol souligne les risques à ne pas privilégier qu'un nombre restreint d'indicateurs de restauration, ne reflétant pas l'ensemble de l'écosystème. L'étrépage de sol suivi d'un transfert de foin semble être une combinaison pertinente pour recréer la communauté végétale de pelouses, même si les résultats obtenus, probablement en raison d'une compétition élevée, sont moins convaincants que pour les marais temporaires. Nos résultats obtenus pour la grande majorité en mésocosmes, s'ils ne concernent que les premières étapes de la restauration, mettent cependant en évidence des techniques de restauration qui paraissent pertinentes pour installer certaines composantes des deux écosystèmes de référence. Ces résultats, par leurs limites, suggèrent néanmoins de privilégier la conservation in situ des habitats naturels plutôt que de chercher à les restaurer après qu'ils aient été détruits.

La biosphère traverse une crise de biodiversité pour laquelle les milieux insulaires sont l’épicentre. Les invasions biologiques y constituent l’un des principaux facteurs de forçage, notamment du point de vue de l’altération des mutualismes, pour le fonctionnement et le maintien des écosystèmes. Durant notre travail en Nouvelle-Calédonie, nous nous sommes intéressés à un groupe clé de voute pour le fonctionnement des écosystèmes, les fourmis, et leur implication vis-à-vis de la dispersion de graines (myrmécochorie). Nous avons réalisé la première identification de plantes autochtones myrmécochores, avec une prépondérance des espèces sur substrats ultramafiques. Puis, nous avons testé la dispersion par les fourmis sur ces substrats. Après avoir caractérisé les communautés selon un gradient de perturbation anthropique, nous avons évalué la dispersion et la contribution des fourmis invasives à ce service par rapport aux fourmis natives. Ainsi, Solenopsis geminata semble capable d'une meilleure dispersion que les espèces natives. A contrario, Wasmannia auropunctata exclue les espèces natives sans assurer de dispersion efficace. Dans le contexte d’un régime de perturbations intense, nos travaux illustrent une communauté néo-assemblée de fourmis, dominée par des exotiques dont certaines pourraient assurer un relai de fonction pour la dynamique des maquis. Nos travaux illustrent la « contexte dépendance » des impacts d’espèces invasives en fonction du niveau de perturbation anthropique. Ils permettent de discuter la contribution possible de ces fourmis pour la restauration après perturbation sur substrats ultramafiques, voire de leur valorisation en ingénierie écologique
The biosphere is experiencing a biodiversity crisis, which for islands are the epicenter. Biological invasions are there, one of the main drivers, especially regarding the alteration of mutualistic relationships for the functioning and the maintenance of ecosystems. Thus, during our work in New Caledonia, we focused on a key group for ecosystem functions: ants, and their involvement in seed dispersal (myrmecochory). We carried out the first assessment of this mutualism in New Caledonia with the identification of indigenous myrmechorous plants, with a preponderance of species on ultramafic soils. Then, we evaluated the magnitude of seed dispersal by ants on these soils. After the characterisation of ant communities across an anthropic disturbance gradient, we evaluated seed dispersal capabilities of exotic ant compared to native ones. Solenopsis geminata appears to offer a more efficient seed dispersal than natives. On the other hand, Wasmannia auropunctata excludes native species without ensuring effective dispersal. In the context of an intense disturbance regime, our work illustrates a neo-assembled community of ants, dominated by exotic ones, some of which could provide a function relay with respect to maintaining the dynamic of maquis. Our work illustrates the “context dependency” of invasive species’ impacts as a function of anthropogenic disturbance’s level. It also discusses the possible contribution of these ants in a context of restoration after disturbance of habitats on ultramafic substrates, or even their use in ecological engineering program

Cette thèse participe à accroitre les connaissances sur les facteurs régissant la structures des communautés benthiques de la Grande Vasière (GV) du Golfe de Gascogne. Une attention particulière a été portée au rôle du chalutage de fond, dont l’intensité a été estimée à l’aide des données VMS. A l’échelle de la GV, nos résultats suggèrent que le chalutage de fond serait le principal moteur de structuration du mégabenthos (> 10 mm). Cependant, cette hypothèse n’a pu être formellement démontrée en raison de la co-variation entre l’activité de pêche et certaines caractéristiques environnementales. Par conséquent, les travaux ont été poursuivis sur une zone restreinte de la GV, choisie de manière à minimiser les variations dans l’habitat, tout en conservant un large gradient d’intensité de chalutageNous avons ainsi observé des modifications saisonnières et temporaires de la structure des communautés méga et macro-benthiques (>1 mm) en lien avec le chalutage. Ils proviendraient essentiellement d’une disponibilité alimentaire accrue pour les prédateurs-charognards de la mégafaune et de modifications des caractéristiques sédimentaires pour la macrofaune. En revanche, l’étude de la diversité fonctionnelle montre que ces changements n’ont que des répercussions mineures sur le fonctionnement de l’écosystème. Nos conclusions suggèrent que l’écosystème benthique de la GV a probablement été façonné par plusieurs décennies de pêche intensive et qu’il est actuellement adapté à des perturbations anthropiques chroniques
This PhD thesis aims at increasing the knowledge on factors influencing the benthic community structures of the « Grande Vasière » (GV) of the Bay of Biscay. Particular attention has been paid to the role of bottom trawling whose intensity has been estimated using VMS data. At the scale of the GV, our results suggest that bottom-trawling is the main driver of the megabenthic community structure (> 10mm). However, this hypothesis has not been formally demonstrated due to the co-variations between the trawling intensity and certain environmental characteristics. Hence, works continued on a restricted part of the GV that displayed minimal variations of environmental characteristics while exhibiting a wide gradient of trawling intensityResults suggest that bottom-trawling induces seasonnal and transient modifications on the mega and macrobenthic (> 1mm) communities. These changes could be due to an increase of food availability for the megabenthic predator-scavengers and to changes of sedimentary characteristics for macrofauna. However, investigation about functional diversity showed that these changes did not have major consequences on ecosystem functioning. We concluded that decades of bottom trawling may have shaped the benthic ecosystem of the GV and that it is currently adapted to frequent disruptions

Dans les Alpes, le changement climatique devrait avoir pour conséquences une baisse des précipitations et une augmentation de la fréquence des perturbations dans les décennies à venir. Or, le feu y est actuellement rare et les forêts subalpines sont particulièrement sensibles aux perturbations. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes d'action du feu et de sa fréquence sur la structure et la dynamique de ces forêts. Dans un premier temps, l'étude paléoécologique de deux lacs de la vallée de la Maurienne (France), a montré l'existence de phases de haute fréquence de feux asynchrones dans la vallée pendant l'Holocène, mais ayant entraîné des dynamiques de végétation similaires. Celles-ci se caractérisent par une ouverture des forêts de pin cembro au profit d'érables et/ou d'aulnes blancs. Ces feux, majoritairement de surface, semblent n'avoir jamais été en mesure de réduire considérablement la population de pin cembro, excepté lors d'une phase à très haute fréquence. Dans un deuxième temps, l'étude comparative d'une parcelle de forêt subalpine ayant brûlée 3 fois lors des 180 dernières années avec une autre n'ayant pas brûlé, révèle que ces feux ont entraîné une augmentation de la densité d'arbres, et que la régénération est plus forte en zone brûlée. Néanmoins, le pâturage aurait été le facteur principal contrôlant la structure de la végétation, et l'abandon des pratiques agricoles dans les années 1950 serait à l'origine d'une régénération du pin cembro aux dépens du mélèze d'Europe. Ainsi, seule une forte augmentation de la fréquence de feu ou un retour au pastoralisme dans les décennies à venir semblent pouvoir limiter la transformation des forêts subalpines mixtes vers des forêts dominées par le pin cembro
In the Alps, the climate change may lead to a decrease in precipitations and an increase in disturbance frequency during the next decades. However, fire is rare in these mountains and subalpine forests are particularly sensitive to disturbances. The aim of this thesis is to study the mechanisms of fire and fire frequency on the structure and the dynamics of these forests. First, the paleoecological of two lakes of the Maurienne valley (France), has shown the occurrence of asynchronous high fire frequencies in the valley during the Holocene, but having triggered similar vegetation dynamics. Those trajectories are characterized by the opening of cembra pine forests, favourable to maples and/or alders. These fires, mainly surface fires, seem to never have endangered the cembra pine population, except during a high frequency period. Second, the comparative study of a stand burned 3 times during the past 180 years with a not burned stand, in a mixed subalpine forest of the Maurienne valley, reveals that those fires have lead to an increase in tree density, and that regeneration is more important in the burned stand. Nevertheless, grazing would have been the main factor controlling the vegetation structure, and the abandonment of farming in the 1950's would have induced the present cembra pine regeneration at the expense of larch. Consequently, only an increase in fire frequency or a reactivation of grazing in the next decades seem to be able to limit the transformation of mixed subalpine forests in pure cembra pine forests

La modélisation dynamique des systèmes écologiques constitue une méthode incontournable pour comprendre,prédire et contrôler la dynamique des écosystèmes semi-naturels, qui fait intervenir des processuscomplexes. Le principal objectif de cette thèse est de développer un modèle permettant de simuler la dynamiqueà moyen terme de la végétation herbacée dans les prairies permanentes, en tenant compte à lafois de la productivité et de la biodiversité. Les prairies sont des réservoirs présentant une forte biodiversitévégétale, qui soutiennent de nombreux services écosystémiques. Sur le plan agricole, cette importantediversité contribue à la qualité de la production fourragère, et de plus, elle permet une plus grande résistancede la végétation face à des changements climatiques (réchauffement moyen, vagues de chaleur etde sécheresse).Pourtant, cette notion clé de biodiversité n’est que faiblement prise en considération dans la modélisationde l’écosystème prairial : elle est souvent absente ou alors présente sous une forme très simplifiée. Enréponse à ces considérations, ces travaux de thèse présentent la construction d’un modèle de successionbasé sur des processus, décrit par un système d’équations différentielles ordinaires, qui représente ladynamique de la végétation aérienne des prairies tempérées. Ce modèle intègre les principaux facteursécologiques impactant la croissance et la compétition des espèces herbacées, et peut s’ajuster à n’importequel niveau de diversité, par le choix du nombre et de l’identité des espèces initialement présentes dansl’assemblage. Ce formalisme mécaniste de modélisation nous permet alors d’analyser les relations qui lientdiversité, productivité et stabilité, en réponse à différentes conditions climatiques et différents modes degestion agricole.[...]Ces résultats soulignent alors le besoin de prendre en compte le rôle clé joué par la biodiversité dansles modèles de l’écosystème prairial, de par son impact sur le comportement des dynamiques simulées.De plus, pour rendre correctement compte des interactions au sein de la végétation, le nombre d’espècesconsidéré dans le modèle doit être suffisamment important. Enfin, nous comparons les simulations devégétation de ce modèle à des mesures issues de deux sites expérimentaux, la prairie de fauche d’Oensingen,et le pâturage de Laqueuille. Les résultats de ces comparaisons sont encourageants et soulignentla pertinence du choix et de la représentation des processus écologiques clés qui composent ce modèlemécaniste.Ce travail de thèse propose donc un modèle, en total adéquation avec les besoins actuels en terme demodélisation de l’écosystème prairial, qui permet de mieux comprendre la dynamique de la végétationherbacée et les interactions entre productivité, diversité et stabilité
Dynamic modelling of ecological systems is an essential method to understand, predict and control thedynamics of semi-natural ecosystems, which involves complex processes. The main objective of this PhDthesis is to develop a simulation model of the medium- and long-term dynamics of the herbaceous vegetationin permanent grasslands, taking into account both biodiversity and productivity. Grasslandecosystems are often hot spots of biodiversity, which contributes to the temporal stability of their services.On an agricultural perspective, this important biodiversity contributes to the forage quality, andbesides, it induces a higher ability of the vegetation cover to resist to different climatic scenarios (globalwarming, heat and drought waves).However, this key aspect of biodiversity is only poorly included in grassland models : often absent ofmodelling or included in a very simple form. Building on those considerations, this PhD work exposes thewriting of a process-based succession model, described by a system of Ordinary Differential Equationsthat simulates the aboveground vegetation dynamics of a temperate grassland. This model implementedthe main ecological factors involved in growth and competition processes of herbaceous species, and couldbe adjust to any level of diversity, by varying the number and the identity of species in the initial plantcommunity. This formalism of mechanistic models allows us to analyse relationships that link diversity,productivity and stability, in response to different climatic conditions and agricultural management.In mathematical grassland models, plant communities may be represented by a various number of statevariables, describing biomass compartments of some dominant species or plant functional types. The sizeof the initial species pool could have consequences on the outcome of the simulated ecosystem dynamicsin terms of grassland productivity, diversity, and stability. This choice could also influence the modelsensitivity to forcing parameters. To address these issues, we developed a method, based on sensitivityanalysis tools, to compare behaviour of alternative versions of the model that only differ by the identityand number of state variables describing the green biomass, here plant species. This method shows aninnovative aspect, by performing this model sensitivity analysis by using multivariate regression trees. Weassessed and compared the sensitivity of each instance of the model to key forcing parameters for climate,soil fertility, and defoliation disturbances. We established that the sensitivity to forcing parameters ofcommunity structure and species evenness differed markedly among alternative models, according tothe diversity level. We show a progressive shift from high importance of soil fertility (fertilisation level,mineralization rate) to high importance of defoliation (mowing frequency, grazing intensity) as the sizeof the species pool increased.These results highlight the need to take into account the role of species diversity to explain the behaviourof grassland models. Besides, to properly take into account those interactions in the grassland cover, theconsidered species pool size considered in the model needs to be high enough. Finally, we compare modelsimulations of the aboveground vegetation to measures from two experimental sites, the mowing grasslandof Oensingen, and the grazing grassland of Laqueuille. Results of these comparison are promising andhighlight the relevance of the choice and the representation of the different ecological processes includedin this mechanistic model.Thus, this PhD work offers a model, perfectly fitting with current needs on grassland modelling, whichcontribute to a better understanding of the herbaceous vegetation dynamics and interactions betweenproductivity, diversity and stability

Les écosystèmes jouent un rôle important dans les stratégies visant à faire face au changement climatique parce qu'ils s'attaquent à la fois à ses causes et à ses effets grâce à leurs services écosystémiques. Les écosystèmes agissent comme des filets de sécurité pour les communautés rurales et comme tampons contre les impacts climatique en fournissant des services d'approvisionnement (par exemple la nourriture et le bois) et des services de régulation (par exemple la régulation de l'eau et le contrôle de l'érosion). De plus, la séquestration du carbone par les écosystèmes contribue à atténuer le changement climatique. La gestion des terres affecte les services écosystémiques (SE) de diverses manières et, en raison de l’existence de compromis (« tradeoffs »), peut améliorer l'offre d'un SE au détriment des autres. Par exemple, la conversion des forêts à l'agriculture pour augmenter la production alimentaire peut dégrader la régulation de l'eau. Bien que les compromis soient reconnus, les connaissances sur la façon dont les changements dans la gestion des terres affectent les SE et leurs bénéficiaires sont encore limitées. Cette recherche vise à améliorer notre compréhension de la façon dont les changements dans la gestion des terres influent sur la résilience des communautés locales face aux aléas climatiques et sur la fourniture de SE aux niveaux régional et mondial. Nous avons combiné des méthodes multidisciplinaires et participatives pour analyser les changements dans la gestion des forêts et des arbres dans les réponses des communautés locales aux aléas climatiques. Dans quatre communautés rurales touchées par des inondations et des sécheresses dans des paysages forestiers tropicaux en Indonésie, nous avons inventorié les forêts, enquêté les ménages, discuté avec des groupes focaux et analysé des images satellite. Pour analyser comment les SE sont affectés par les changements dans la gestion des terres, nous avons développé un cadre conceptuel pour rendre compte des multiples contributions humaines dans la fourniture des SE. Les résultats ont montré comment les communautés ont utilisé les écosystèmes dans leurs réponses aux impacts climatiques et comment les changements dans la gestion des terres ont affecté la fourniture de SE. Dans les sites d'étude les moins forestiers, les communautés avaient les plus grands besoins de SE forestiers pour les aider à s'adapter à la sécheresse. Entre 5 et 45% des ménages ont rapporté au moins une stratégie d'adaptation basée sur des produits issus des forêts et des arbres, par exemple la récolte du bois ou la collecte des feuilles, du caoutchouc et des légumes sauvages. Plusieurs stratégies d'anticipation au niveau communautaire visaient à protéger ou à restaurer les forêts afin de réduire les impacts des sécheresses et des inondations sur le sol et l'eau. Les communautés n'étaient pas des bénéficiaires passifs des SE, mais ont contribué activement à leur fourniture de multiples façons. Elles ont géré les terres, mobilisé du capital humain ou manufacturé (par exemple les savoirs, les engrais), distribué les bénéfices et apprécié leur contribution au bien-être. Ces actions ont déterminé qui bénéficie des écosystèmes et comment. Les apports humains dans la fourniture des SE dépendaient de règles communautaires (par exemple, restrictions de coupe de bois ou taxes), du capital (par exemple moyens de transport ou d'irrigation), des valeurs (par exemple les perceptions de la dégradation de l'environnement) et des facteurs spatiaux (par exemple la localisation des habitations et des champs dans les zones sujettes aux catastrophes). Une meilleure compréhension des apports humains dans la fourniture des SE et des compromis entre services peut guider la conception de solutions basées sur les écosystèmes pour renforcer la résilience des populations locales aux risques climatiques tout en fournissant d'autres bénéfices globaux pour le développement durable
Ecosystems play an important role in strategies for facing climate change because they address both its causes and effects through the delivery of ecosystem services. Ecosystems act as safety nets for rural livelihoods and as buffers against damages by supplying provisioning services (e.g., food and timber) and regulating services (e.g., water regulation and erosion control). In addition, carbon sequestration by ecosystems contributes to mitigate climate change. Land management affects ecosystem services in diverse ways and, because of trade-offs, can enhance the supply of one ecosystem service of interest at the expense of others. For example, the conversion of forests to agriculture to increase food production may degrade water regulation. Although trade-offs are recognized, knowledge on how changes in land management affect ecosystem services and their beneficiaries is still limited. This research aims to increase our understanding of how land management changes impact the resilience of local communities to climate hazards and the provision of ecosystem services at regional and global level. We combined multi-disciplinary and participatory methods to analyze changes in the management of forests and trees in the responses of local communities to climate hazards. Across four rural communities affected by floods and droughts in tropical forest landscapes in Indonesia, we inventoried forests, surveyed households, discussed with focus groups, and analysed satellite images. To analyse how ecosystem services are affected by changes in land management, we developed a conceptual framework to account for the multiple human contributions in the delivery of ecosystem services. The findings showed how communities used ecosystems in their responses to climatic impacts and how changes in land management affected the supply of ecosystem services. In the study sites with least forests, communities had the highest needs for forest ecosystem services to help them adapt to drought. Between 5 and 45% of the households reported at least one coping strategy based on products from forests and trees, for example harvesting timber or collecting leaves, rubber, and wild vegetables. Several anticipatory strategies at the community level aimed to protect or restore forests to reduce the impacts of droughts and floods on soil and water. Communities were not passive beneficiaries of ecosystem services but actively contributed to their delivery in multiple ways. They managed land, mobilized human and human-made assets (e.g. skills, fertilizers), allocated benefits, and appreciated their contribution to well-being. Such actions determined who benefited from ecosystems and how. The human contributions in the delivery of ecosystem services depended on community rules (e.g. logging restrictions or taxes), assets (e.g. access to transportation or irrigation systems), values (e.g. perception of environmental degradation), and spatial factors (e.g., location of houses and crops in disaster prone areas). The land management strategies of local communities in response to climate hazards also affected the delivery of ecosystem services at regional and global scales, through changes in biodiversity, water regulation, and carbon sequestration. An improved understanding of human inputs and trade-offs in the delivery of ecosystem services can inform the design of sound ecosystem-based solutions for strengthening the resilience of local people to climate hazards while providing other global benefits for sustainable development

Les écosystèmes herbacés méditerranéens, caractérisés par une importante biodiversité, ont subi de considérables changements d‟usage. Désormais, leur conservation est devenue insuffisante au regard de l‟augmentation des dommages causés par les activités humaines. La restauration écologique apparaît donc comme un outil approprié pour participer à leur préservation. Des recherches préalables sur les différents compartiments de l‟écosystème ainsi que sur les facteurs responsables de l‟assemblage de leurs communautés avant et après dégradations sont donc nécessaires afin de mettre en place des méthodes de restauration adaptées à ces écosystèmes. Ainsi, en utilisant comme modèle biologique les Coussouls de Crau et leurs friches post-culturales (Bouches-du-Rhône, France), représentatif de nombreux écosystèmes steppiques méditerranéens, nous avons choisi de déterminer et d‟étudier les principaux filtres potentiellement responsables de l‟organisation de cette communauté végétale. Le pâturage ovin, les changements trophiques du sol, les phénomènes de compétition et la capacité de reproduction et/ou de dispersion des espèces, identifiés lors d‟une première étude sur la régénération de la steppe, ont ainsi été étudiés dans trois expérimentations différentes. Deux protocoles de restauration écologique in situ (transfert de foins et semis d‟espèces structurantes) et un protocole d‟expérimentation ex-situ testant les interactions d‟une sélection d‟espèces de la steppe ont permis de réaliser ces recherches. Nos principaux résultats montrent que les filtres de reproduction/dispersion, le niveau trophique du sol, la compétition et le régime de perturbations récurrentes lié au pâturage ovin ont un rôle déterminant dans les changements de la composition et de la structure de la communauté et ils expliquent ainsi en partie le ralentissement de sa dynamique successionnelle vers la steppe de référence. Nous avons également pu démontrer que ces filtres interagissaient entre eux. Au niveau de la recherche appliquée, les protocoles testés favorisent le retour de la végétation steppique, néanmoins la composition des parcelles restaurées reste toujours très différente de l‟écosystème de référence à très court terme (deux à trois années après la restauration). Cela démontre que même si nous comprenons mieux aujourd‟hui les facteurs expliquant l‟organisation de cette communauté, il est cependant toujours difficile de la restaurer dans son intégralité car il n‟est pas aisé de manipuler et de trouver un équilibre entre l‟action de ces différents facteurs. Il est donc désormais plus que nécessaire de poursuivre ces recherches fondamentales et appliquées notamment au niveau des processus de maturation et de structuration des vieilles communautés végétales herbacées
Mediterranean herbaceous ecosystems which are characterized by a high biodiversity have been submitted to a lot of changes in use. Their conservation is not sufficient enough and ecological restoration seems to be an adapted solution to improve conservation efforts as it can mitigate damages induced by human activities. To develop restoration methods adapted to these ecosystems, preliminary researches on the different communities composing an ecosystem and the filters which are responsible for community assemblage before and after disturbance are necessary. Representative of numerous Mediterranean steppe ecosystems, the “Coussouls de Crau” and their ex-arable-fields (Bouches-du-Rhône, France) are the biological models used to identify and study the principal filters potentially responsible for organizing the plant communities. Sheep grazing, trophic changes, competition and reproduction and /or species dispersal, were identified in a first study on steppe regeneration; these filters were then the core of the following three research experiments. We carried out two in-situ restoration protocols (hay transfer and sowing foundation species) and one ex-situ experiment testing interactions between a selection of steppe species. The main results show that reproduction, seed dispersal, soil trophic level, competition, extensive sheep grazing are filters which have a determinant role in structuring the communities, in determining plant composition and partly in explaining the slow dynamics towards the reference steppe. Also, we show that filters interact between them. For applied restoration, the tested methods promote steppe vegetation come back, but in the short term (two or three years after restoration), the composition of restored areas remains different to the reference ecosystem. Even if we understand better the different factors which explain community organization, these results demonstrate that it is difficult to restore it integrally because it is not easy to manipulate and find an equilibrium between the different filters actions. Now it is necessary to continue these fundamental and applied researches, in particular on the maturation and structure of the old herbaceous plant communities

Planktonic ecosystems provide a key mechanism for the transfer of CO2 from the atmosphere to the deep ocean via the so-called "biological pump". Mathematical models of these ecosystems have been used to predict CO2 uptake in surface waters, and more recently have been embedded in global climate models. While the equilibrium properties of these models are well studied, less attention has been paid to their response to external perturbations, despite the fact that as a result of the variability of environmental forcing such ecosystems are rarely, if ever, in equilibrium. Human induced perturbations to these ecosystems, namely the addition of limiting nutrients (e.g. iron) to areas where nitrate is plentiful to accelerate the biological pump, have been proposed as a solution to reduce atmospheric CO2. Linear theory is used to determine the structure of "unit-norm" perturbations (size in mmol N m^-3) to state variables of an ecosystem model in steady state, describing Ocean Station P (50N 145W) in summer, that optimize either instantaneous export flux of organic matter at fixed times or integrated export as the ecosystem relaxes towards equilibrium. For all perturbations, the flux to higher trophic levels is the primary contributor to export flux, the contribution of aggregation is negligible, and (sinking) detritus increases significantly in the transient dynamics. Two perturbations considered optimize instantaneous export flux; both perturbations synchronize P1 and Z1 relative to their predator prey cycle, resulting in a maximum instantaneous export flux of 4.4 mmol N m^-2 d^-1, and also increased integrated export above that at steady state (6 g C m^-2 over 150 days). An increase in larger phytoplankton (P2), representing diatoms, results in the highest integrated export (7 g C m^-2). The perturbations in which P2 persist the longest give the highest integrated export, and these perturbations are primarily increases in P2. The additional integrated export in response to a proportional increase to steady state concentrations of both large and small phytoplankton is positive, but much lower than the optimal perturbations. However, the additional integrated export in response to an increase in only P1 is negligible. The linear and nonlinear ecosystem and export responses to two perturbations are compared; for perturbations of magnitude 0.5 mmol N m^-3, the linearization of the ecosystem dynamics, rather than of the export flux, is the primary cause for differences between the fully linear and fully nonlinear cases.

In this study an ecosystemic approach to self-hypnosis was utilised as a tool to explore and describe the healing of sport injuries. Four injured Subjects, from four different sporting activities participated in the study. Self-hypnosis/hypnosis was used as a linguistic means to perturb the problem-defining ideas within which the sport injury was embedded. Problem dis-solution involved a process of reframing each Subject's current reality through dialogue, and a new reality for each respective Subject was co-constructed through consequent linguistic differentiation. The hypnotist, participating in the linguistic domain as an equal participant, looked for intended meanings in each respective conversational exchange with the athletes, and synthesised information creatively. This process and the thinking behind each case study is described in detail in this dissertation.
Psychology
M.A. (Psychology)

In this study an ecosystematic approach to sports coaching is forwarded. This approach is illustrated using the analogy of an ecology of ideas. Ideas informing the life span of a coach within an elite team are explored. The researcher engaged four subjects in conversations the life span of a coach in an elite team. these conversations are viewed as co-constructions of realities. The coach abides within a team for a limited time. he or she enters an existing ecology of ideas, which can contribute to, or detract from, the efficacy of the coach in a team. This ecology of ideas evolves as aold meanings shift and new meanings emerge. These menings are explored in this disertation. An awareness of the ecology of ideas within a team can inform the coach to perturb the ecology of ideas in a direction that is mutually qualified as successful
Psychology
M.A. (Clinical psychology)