La végétation aquatique submergée dans les eaux continentales : mieux comprendre sa réponse aux changements environnementaux et ses conséquences sur le fonctionnement des écosystèmes

Abstract

La végétation aquatique submergée (VAS) est une composante essentielle qui structure les écosystèmes aquatiques continentaux. Elle soutient plusieurs fonctions et services écosystémiques, dont le soutien d’habitats pour la faune, la stabilisation du rivage, le maintien d’une eau claire et la régulation des cycles des nutriments. Cependant, la VAS est soumise aux activités humaines qui modifient leur habitat, altère leur quantité et menacent le maintien de ces services. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre comment les quantités de la VAS répond aux variations environnementales et quels sont les effets de ces modifications sur les fonctions et services qu’elle soutient. Cet objectif est abordé de différents angles d’attaque et à différentes échelles spatiales et temporelles. Tout d’abord, une nouvelle méthode permettant des économies de temps et d’argent pour mesurer la biomasse de la VAS est proposée. À l’aide de deux modèles de calibration, la méthode combine trois techniques existantes couramment utilisées pour estimer la biomasse de la VAS : le prélèvement de biomasse dans des quadrats en plongée, le prélèvement à l’aide d’un râteau manié depuis la surface et l’échosondage à partir d’une embarcation. Cette approche offre l’avantage de limiter l’utilisation risquée et fastidieuse du quadrat avec plongeur, mais fournissant la mesure de biomasse la plus fiable. La première calibration avec le quadrat permet d’utiliser le râteau et corrige son biais, alors que la deuxième calibration entre râteau et échosondage convertit les valeurs mesurées par cette dernière en biomasse. L’utilisation de l’échosondage permet ainsi d’estimer plus rapidement la biomasse à grande échelle. La méthode est validée à partir de données d’échosondage qui sont confrontées avec des biomasses par quadrat, démontrant la robustesse de l’approche. Ensuite, les variations climatiques interannuelles et leurs effets sur la rétention de l’azote ont été évalués pendant six étés dans un herbier aquatique à la confluence de deux tributaires agricoles avec le fleuve Saint-Laurent. Des budgets d’azote journalier ont été estimés par la différence entre les concentrations modélisées de nitrate dans les tributaires et les concentrations sortantes de l’herbier mesurées par une sonde à haute fréquence. La rétention totale a été partitionnée en assimilation autotrophe et en dénitrification à partir de la variation diurne en nitrate. Les budgets ont été confrontés à un indice de biomasse de VAS, la pente de la surface du niveau de l’eau, qui a révélé un portrait détaillé de l’évolution de la biomasse au cours de la saison de croissance. Les résultats montrent que la rétention est influencée par les variations de niveau de l’eau, de température, de biomasse de la VAS et d’apports en nitrate. De hauts taux de consommation de nitrate sont rapportés, parmi les plus élevés mesurés en rivière, avec une biomasse accrue de plantes accrue favorisant l’élimination permanente par la dénitrification. Enfin, une synthèse sur les tendances, les facteurs globaux déterminant les quantité de VAS dans les lacs ainsi que comment les quantité y ont été mesurées est présentée. La compilation a été effectuée à l’aide d’une recherche par mot clés réalisée sur une base de données bibliographiques. La synthèse montre un portrait dynamique dans le temps et dans l’espace des quantités de VAS. Bien que les déclins de quantités soient prédominants, plusieurs séries temporelles récentes indiquent une récupération de la VAS, patrons qui varient selon les régions et les activités humaines. Les usages dans les bassins versants liés à l’eutrophisation sont associés aux déclins, particulièrement en Asie, alors que les augmentations sont surtout associées à la gestion de la VAS en Europe. Les tendances plus variables en Amérique du Nord sont associées à l’arrivée d’espèces envahissantes. Cette thèse innove en fournissant une nouvelle méthode qui facilite la mesure de la biomasse de la VAS à grande échelle. Elle contribue également aux connaissances sur la VAS et le cycle de l’azote en grande rivière en caractérisant la variation de la rétention de nitrate et en soulignant leur important rôle comme site de transformation dans ces écosystèmes. Finalement, elle contribue à la biogéographie de la VAS continentale dans les lacs, indique des lacunes de connaissance, souligne les développements méthodologiques souhaitables et informe sur l’influence de facteurs expliquant la variation de la VAS qui seront utiles pour sa gestion future. Ces informations seront profitables au maintien des fonctions et services soutenus par la VAS et à son utilisation comme une solution fournie par la nature face aux changements globaux.

Submerged aquatic vegetation (SAV) is an essential component that structures inland waters. SAV sustains numerous ecosystem services and functions, such as providing habitat for fauna, stabilizing shoreline, maintaining clear water and regulating nutrient cycles. However, SAV is submitted to human activities that modify their habitat, alter their quantities and threaten the ecosystem services they may provide. The objective of this thesis is to better understand how SAV quantities responds to environmental variations, and what are the effect of these modifications on the functions and services they sustain. This objective is approached in different ways and at various spatial and temporal scales. First, a new cost-effective method to measure SAV biomass is proposed. The method combines three existing techniques by means of two calibration models. This approach has the advantage of reducing the hazardous and cumbersome use of quadrats with divers, whilst providing the most accurate biomass measure. The first calibration with the quadrat allows for the application of the rake and corrects for its bias, while the second calibration between rake and echosounding converts the values measured by the latter into biomass. The use of echosounding thus allows for the estimation of biomass more rapidly at larger scale. The method is validated from echosounding data that are compared to quadrat biomasses, demonstrating the robustness of the approach. Second, interannual climate variation and their effect on nitrogen retention were evaluated during six summers in a SAV meadow at the confluence zone of two agricultural tributaries with the Saint Lawrence River. Daily nitrogen budgets were estimated as the difference between modelled nitrate concentration in the tributaries and concentration outflowing the SAV meadow measured with a high frequency sensor. Total retention was partitioned into autotrophic assimilation and denitrification from the diel nitrate variation. The budgets were compared to an indicator of SAV biomass, the slope of water level surface, which provided a detailed portrait of biomass changes throughout the growing season. The results show that retention is influenced by variation in water levels, temperature, SAV biomass and nitrate inputs. Among the highest nitrate uptake rates are reported compared to previous measurements in inland waters, with plant biomass favoring permanent removal through denitrification. Third, a synthesis on trends and drivers of SAV quantities in lakes, as well as on how it was measured is presented. The compilation was conducted from a keyword search on a bibliographic database. The synthesis shows a dynamic depiction in space and time of SAV quantities. Although decreasing quantities are predominant, many recent time series indicate SAV recovery, and these patterns vary with regions and human activities. Direct activities in watersheds leading to eutrophication are associated with decreases, particularly in Asia, while increases are more associated with SAV management in Europe. Trends are more variable in North America due to invasive species. This thesis innovates by providing a new method facilitating SAV biomass measurement at large scale. The thesis also contributes to knowledge on SAV and on nitrogen cycling in large rivers by characterizing the variation in nitrate retention. Finally, the thesis contributes to inland SAV biogeography, identifies knowledge gaps, indicates desirable methodological developments and informs on drivers of SAV that could inform its future management. This information will be beneficial for the preservation of the ecosystem services and functions provided by SAV and its use as a nature-based solution against global changes.