Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'ozone troposphérique, polluant secondaire affectant la santé des êtres vivants, concerne particulièrement le département des Alpes-Maritimes au cours de la saison photochimique. Espace littoral montagneux, ce territoire est largement dominé durant l'été notamment par des conditions anticycloniques permettant aux brises thermiques de s'exprimer. Ce régime de vent est au cœur de la problématique de la pollution par l'ozone puisqu'il entraîne fréquemment une accumulation des polluants primaires et secondaires au fil des jours au sein de la même masse d'air. Bien qu'étant un département faiblement industrialisé, les Alpes-Maritimes sont victimes d'un fort ensoleillement qui permet aux polluants primaires, émis majoritairement par le trafic routier près du littoral et par la végétation dans l'arrière-pays, de produire de l'ozone.<br />A travers les données de pollution issues du réseau de surveillance de la qualité de l'air d'AtmoPACA ainsi qu'à partir de très nombreuses mesures de terrain, l'objectif est de mieux appréhender les relations entre la variabilité spatiale et temporelle de l'ozone et celle des conditions météorologiques à différentes échelles. Après avoir détaillé l'historique des mesures d'ozone et de dioxyde d'azote disponibles dans le département, une première approche à macro-échelle est menée entre les réanalyses du NCEP et les niveaux de pollution par l'ozone dans neuf stations de mesures des Alpes-Maritimes. Ce premier niveau d'analyse permet de définir les configurations météorologiques générales caractérisant un épisode de pollution par l'ozone. La présence d'une dorsale anticyclonique sur l'Europe de l'ouest, associée à de faibles vitesses de vent, de faibles taux d'humidité relative en surface et d'une faible vorticité relative, provoque une dégradation de la qualité de l'air dans le département.<br /> Un second niveau d'analyse est alors abordé : il s'agit de préciser à méso-échelle et à micro-échelle les conditions météorologiques propices à de fortes concentrations d'ozone. Pour cela des campagnes de mesures itinérantes d'ozone sont effectuées dans l'ensemble du département ; une importante base de données est constituée sur la commune de Nice et dans ses alentours. Le recours au modèle météorologique RAMS permet alors de mieux comprendre la variabilité spatiale et temporelle de l'ozone induite par les conditions climatiques locales. Les variables météorologiques les plus corrélées aux concentrations d'ozone sont la vitesse du vent en surface, l'énergie cinétique turbulente, la hauteur de la couche limite atmosphérique et l'humidité relative. Tout indique que moins le volume d'air dans lequel les polluants primaires sont émis est important, et moins l'intensité du brassage de l'air est forte, alors plus les concentrations d'ozone sont élevées. Il semblerait également que ces conditions locales du temps aient plus d'influence sur les niveaux de pollution par l'ozone que la configuration synoptique à macro-échelle. Bien qu'étant nécessaire, la présence d'un anticyclone sur l'Europe de l'ouest n'est pas suffisante pour expliquer le comportement de l'ozone localement dans les Alpes-Maritimes.<br />Parallèlement à ces différentes approches, les origines spatiales de la pollution photochimique affectant cet espace littoral montagneux sont recherchées. L'advection d'importantes quantités d'ozone par la brise de mer en journée indique que ce polluant s'accumule au dessus de la mer ; excepté ce phénomène d'accumulation induit par des aller-retour de la masse d'air guidée par l'alternance entre la brise de mer et la brise de terre, l'origine des fortes concentrations d'ozone au dessus de la mer n'est pas clairement comprise. Il semblerait qu'un schéma de recirculation des masses d'air en trois dimensions permette la création d'un empilement de couches stratifiées sur la mer.

La modélisation hydrologique globale du CNRM repose sur le modèle de surface ISBA qui calcule un bilan hydrique sur des mailles allant typiquement de 20 à 500 km de côté et sur le modèle de routage TRIP qui permet de convertir le ruissellement quotidien en débit. A ces résolutions, la répartition sous maille des caractéristiques de la surface et des flux atmosphériques a un fort impact sur les bilans d'eau simulés. Plusieurs paramétrisations des effets sous maille originales ou préexistantes ont alors été testées avec succès en mode forcé à l'échelle régionale et globale. Néanmoins, la validation globale reste parfois problématique en raison des incertitudes liées aux précipitations, aux paramètres de surface et à la modélisation de certains processus tel la représentation des zones inondées dans TRIP. Ceci souligne donc l'intérêt des futures missions satellitaires pour mieux contraindre nos modélisations hydrologiques.

Ce doctorat s'intègre dans la phase 2 du programme OPUR (Observatoire des Polluants urbains) et a eu pour vocation d'améliorer les connaissances actuelles sur l'introduction et le transfert à différentes échelles spatiales des hydrocarbures aliphatiques et aromatiques polycycliques dans le réseau d'assainissement unitaire parisien. Une partie des travaux est consacrée à l'étude des Voies d'Introduction des hydrocarbures dans le Réseau d'Assainissement (VIRA) par temps sec et par temps de pluie. Ce travail s'attache aussi à mieux cerner l'évolution spatiale de la pollution en hydrocarbures entre l'amont et l'aval d'un grand bassin versant. Quelle que soit la taille des bassins versants considérés (de 42 à 2 581 ha), ces travaux soulignent une relative homogénéité des caractéristiques et des processus de transfert de ces polluants par temps sec et par temps de pluie.

Les changements d'intensité dans l'utilisation des sols et la dégradation de l'environnement en raison de activités humaines ont entraîné une forte altération des écosystèmes tropicaux, en particulier dans les cours d'eau de tête de bassin de la savane néotropicale. Les pressions humaines liées à l'expansion agricole et à l'urbanisation ont conduit à une réduction drastique de la couverture végétale indigène, affectant les zones riveraines et altérant le fonctionnement des écosystèmes aquatiques. Il est urgent de quantifier et de prévoir comment les communautés aquatiques répondent aux changements de l'utilisation des sols pour guider les efforts de conservation et de gestion des ressources naturelles. Dans ce contexte, cette thèse visait à évaluer à quelles échelles spatiales la relation entre habitat et communautés de macroinvertébrés benthiques s'exprimait le plus fortement et comment l'intensité d'utilisation des sols affectait les relations trophiques et la composition en traits biologiques des communautés de macroinvertébrés benthiques. Dans le chapitre 1, j'évalue comment l'intensité d'utilisation des sols (représentée par un gradient depuis la végétation autochtone, au pâturage, et à la plantation de canne à sucre et la végétation indigène) influe sur les flux d'énergie et les niches trophiques des macroinvertébrés benthiques. Ensuite, j'ai évalué à quelle échelle spatiale (bassin versant, localité) et pour quelles variables, le lien entre la composition taxonomique et fonctionnelle des assemblages de macroinvertébrés benthiques était le mieux exprimé (chapitre 2). Enfin, j'ai montré que les perturbations anthropiques avait unj impact sur la diversité fonctionnelle des assemblages de macroinvertébrés benthiques (chapitre 3). Les résultats présentés ici montrent que les changements d'intensité de l'utilisation des sols conduisent les assemblages de macroinvertébrés benthiques vers des comportements d'alimentation plus généralistes avec un chevauchement des niches trophiques (chapitre 1). De plus, les variables environnementales à l'échelle locale et du bassin versant expliquent de façon significative les variations de la composition taxonomique et fonctionnelle des assemblages d'Ephéméroptères, Plécoptères et Trichoptères, mais les variables décrivant l'intensité d'utilisation des sols expliquent le mieux les différences de composition fonctionnelle entre les différents sites (chapitre 2). Enfin, J'ai montré que les sites quasi-naturels (dans des conditions de référence) ont des assemblages de macroinvertébrés plus spécialisés comparés aux sites perturbés (chapitre 3). Les résultats corroborent le fait que la biodiversité doit être évaluée en tenant compte de variables agissant à de multiples échelles spatiales et que les éléments fonctionnels des communautés biologiques doivent être considérés, en vue de la conservation et du développement d'outils prédictifs. Cette étude contribue à une meilleure compréhension de la structure et du fonctionnement des cours d'eau dans la savane néotropicale dans le contexte du développement d'outils d'évaluation environnementale. Ces approches contribueront à l'élaboration de mesures de gestion et de conservation plus appropriées et permettront d'examiner les conséquences futures d'une poursuite de la dégradation des conditions écologiques dans les cours d'eau tropicaux / Changes in land cover and use and the associated environmental degradation due to human activities have resulted in extreme alterations of tropical ecosystems, especially in headwater streams and their watersheds in the neotropical savanna. Human pressures related to agricultural expansion and urbanization have led to drastic reductions in native vegetation cover, affecting riparian zones and degrading aquatic ecosystem functioning. There is an urgent need to quantify and predict how aquatic communities respond to different intensities of land use to guide conservation and natural resource management efforts. This thesis aims to evaluate how spatial scales influence the relationship between habitat and benthic macroinvertebrate communities and how land use intensity affects the trophic relationships and biological traits of macroinvertebrates. In Chapter 1, we evaluated how the intensity of land use (represented by a gradient moving from native vegetation toward pasture and sugar cane plantations) influences the energy flow and trophic niches of macroinvertebrates. In Chapter 2, we investigated the spatial scales (e.g., catchment, local) that most influence the taxonomic and functional composition of macroinvertebrate assemblages. Finally, in Chapter 3, we examined the impacts of human pressures on the functional diversity of macroinvertebrate assemblages. we showed that the intensity of land use affects benthic macroinvertebrate assemblages, yielding more generalist feeding behaviors with greater overlap of trophic niches (Chapter 1). In addition, environmental variables at the local and catchment scales significantly explained the variations in the taxonomic and functional composition of Ephemeroptera, Plecoptera and Trichoptera assemblages, but land use variables best explained the differences in functional composition among sites (Chapter 2). Finally, we showed that less impacted sites (under reference conditions) had more specialized and more functional diverse macroinvertebrate assemblages compared to disturbed sites (Chapter 3). These results corroborate the idea that biodiversity should be evaluated at multiple spatial scales and that the functional elements of biological communities should be considered when aiming for conservation and the development of predictive tools. This study contributes to a better understanding of the structure and functioning of streams in the neotropical savanna by subsidizing the development of environmental assessment tools. Such approaches will contribute to the development of more appropriate management and conservation measures that will allow for evaluation of the impacts on biota of further degradation of the ecological conditions in tropical streams

La vallée de la Punaru’u est le second bassin versant, par sa taille, de la Polynésie française. Abritant la plusgrande zone industrielle du Pays, la vallée de la Punaru’u est emblématique des impacts de l’anthropisation sur le milieu naturel. L’exploitation de sa ressource en eau est au centre des préoccupations des industriels et des collectivités locales. L’objectif du projet était de mieux définir et de mieux comprendre les transferts d’eau dans le sol sous la zone industrielle et d’estimer l’impact des activités humaines sur la ressource en eau. En s’appuyant sur la définition des caractéristiques hydrodynamiques du sol une première partie du travail s’est concentrée à faire le lien avec les propriétés texturales et structurales du sol. Cette approche physique et analytique a permis d’ouvrir la voie à un protocole d’acquisition de données novateur basé sur les propriétés texturales du sol. Ce résultat a l’avantage de résoudre les problèmes d’échelle et de s’affranchir d’une dépendance aux conditions initiales et limites qui habituellement handicape l’interprétation des mesures des paramètres hydrodynamiques du sol.Une seconde phase de travail s’est concentrée sur l’analyse statistique des données hydrologiques. Il en résulte un schéma rénové des dynamiques hydrologiques et hydrogéologiques dans la basse vallée de la Punaru’u. D’un point de vue quantitatif, la ressource en eau s’épuise beaucoup plus en surface et dans les premiers mètres du sol que dans les aquifères plus profonds.L’approche analytique et l’interprétation hydrogéologique ont permis finalement de paramétrer une modélisation du sous-sol de la zone industrielle basée sur le solver ModFlow. / Punaru'u’s valley is the second watershed by size of French Polynesia. The valley hosts the most important industrial area of the country. The area is becoming an emblematic area because of urbanization impacts on natural environment. Exploitation of water resources is a central preoccupation.The aim of the present study is to analyze and to understand the surface and soil water transfer processes allowing for quantifying its vulnerability to the impact of human activities. Using a theoretical methodology especially developed for the characterization of hydrodynamic soil characteristics, the first part of this work is focused on the relation between textural and structural soil properties. Physical and analytical concepts are used to find a way to open a new data provision strategy based on the knowledge of measurable textural soil properties. The approach provides an original solution for tackling the important scale problem that affects most integrated modeling schemes used to describe hydrological flow processes at watershed scale. Second part of this work is focused on the statistical analysis of the hydrological field data. The results give a new insight in the hydrological and hydrogeological flow processes of the lower part of the Punaru'u valley. A quantitative interpretation shows how soil water resources are affect by human activities. The three alluvial aquifers situated in the first 40 m from the soil surface are all connected. The analytical approach and the hydrogeological interpretation allow for setting up a modeling scheme based on the “ModFlow” solver; the model is able to reproduce the hydrological flow processes of the lower part of thePunaru’u valley.

Les chiroptères sont reconnus comme de potentiels régulateurs des populations d’insectes. Ce sont aussi les mammifères européens pour lesquels les enjeux de conservation sont les plus importants. Ils trouvent dans les forêts des habitats favorables qui sont cependant menacés par les changements climatiques et la fragmentation. Il convient donc de mieux comprendre lesrelations entre les communautés de chiroptères, leurs habitats et leurs proies en forêt. L'objectif de cette thèse est de quantifier les effets, à différentes échelles spatiales, desprincipales composantes de l’habitat forestier sur l’activité, la richesse spécifique, la diversité fonctionnelle et la composition des communautés de chiroptères européens. Les résultats reposent sur des données collectées grâce à des protocoles expérimentaux en Aquitaine et dans les six pays du réseau de placettes forestières organisé par le projet FunDivEurope. De la parcelle au continent, l'accroissement de la diversité des essences forestières, de la proportion de feuillus et du bois mort, en augmentant les ressources en proies et en gîtes, ont des effets positifs sur les communautés de chiroptères. Ces effets, non stationnaires, se renforcent vers le nord avec la rigueur du climat. Nous confirmons également que les chiroptères forestiers, par leur réponse numérique et fonctionnelle aux densités de proie, peuvent limiter la démographie d’un insecte défoliateur. Des mesures de gestion, visant le renforcement des structures-clés des habitats forestiers, sont proposées pour favoriser la conservation des communautés de chiroptères et leur capacité de régulation des insectes ravageurs. / Insectivorous bats are increasingly recognized as potential regulators of pest insect populations.They also represent the group of European mammals with the most unfavorable conservation status. Forests are key habitats for many bat species but are currently under threat from climate change and fragmentation. It is therefore urgent to better understand the relationships between the bats, their prey and their habitats in forests. Our main objective was to quantify the effects, at multiple spatial scales, of the main attributes of forest habitats on the activity, species richness, functional diversity and composition of European bat communities. They were studied using manipulative experiments in Aquitaine plantation forests and automatic recordings in the network of exploratory plots set up in six European countries by the FunDivEurope project. From the plot to the continent scale, increasing tree diversity, amount of broad leaved trees and dead wood, had positive effects on bat communities through an increase in prey and roost resources. However these effects were not stationary, being stronger at higher latitudes, probably due to lower habitat carrying capacity in relation to harsher climatic conditions. In addition we experimentally demonstrated that the numerical and functional responses of bats to prey density could result in effective regulation of pine processionary moth populations. Forest management strategies aim at enhancing key habitat structures, are eventually proposed in order to improve the conservation of bats and to increase the service of pest regulation they can provide.

Un modèle de dynamique forestière, considéré comme un outil d'aide à l'aménagement forestier, peut reposer sur différents niveaux de description du peuplement : arbre, distribution ou peuplement. Une approche est recherchée pour construire un modèle à un niveau de description intermédiaire entre l'arbre et le peuplement, en s'appuyant sur les données du dispositif sylvicole de Paracou en Guyane française. Dans un premier temps la possibilité de construire un modèle de trouées est évaluée sous deux angles : d'une part en regardant si la variable d'interaction des modèles de trouées permet d'expliquer les accroissements observés à Paracou, d'autre part en testant si le peuplement peut être découpé en placettes indépendantes. Dans les deux cas les résultats n'encouragent pas à la construction d'un modèle de trouées. Néanmoins un modèle arbre dépendant des distances, qui ne tient compte que de la compétition pour la lumière est obtenu ; ce modèle permet de reproduire les distributions diamétriques et en hauteur ainsi que la répartition spatiale à grande échelle (< 10 m) observées à Paracou. Dans un deuxième temps des méthodes pour changer de niveau de description sont établies, en suivant deux approches : la première est une approche méthodologique permettant de transposer les équations d'un modèle arbre en un modèle de distribution en utilisant des techniques issues de la physique (théorème de Liouville, approximation du champs moyen, méthode des moments). Cette methodologie est appliquée au modèle arbre construit dans la première partie. Il en ressort que l'espace joue dans ce modèle un rôle qui ne peut etre négligé. Dans une deuxième approche un modèle qui mélange le niveau individuel et le niveau distribution est construit, la transition de la composante distribution à la composante individuelle s'effectuant au diamètre de 40 cm. Ce modèle met en évidence la variabilité stochastique liée à la démographie des arbres de grande taille.

L’intensification des pratiques agricoles a été identifiée comme cause majeure du déclin de la biodiversité. Plusieurs études ont documenté l’impact de la fragmentation du paysage naturel et de l’agriculture intensive sur la diversité des espèces, mais très peu ont quantifié le lien entre la structure du paysage et les interactions trophiques, ainsi que les mécanismes d’adaptation des organismes. J’ai étudié un modèle biologique à trois niveaux trophiques composé d’un oiseau hôte, l’hirondelle bicolore Tachycineta bicolor, de mouches ectoparasites du genre Protocalliphora et de guêpes parasitoïdes du genre Nasonia, au travers d’un gradient d’intensification agricole dans le sud du Québec. Le premier objectif était de déterminer l’abondance des espèces de mouches ectoparasites et de leurs guêpes parasitoïdes qui colonisent les nids d’hirondelles dans la zone d’étude. La prévalence de nids infectés par Protocalliphora spp. était de 70,8% en 2008 et 34,6% en 2009. Le pourcentage de nids comprenant des pupes de Protocalliphora parasitées par Nasonia spp. était de 85,3% en 2008 et 67,2% en 2009. Trois espèces de Protocalliphora ont été observées (P. sialia, P. bennetti et P. metallica) ainsi que deux espèces de Nasonia (N. vitripennis et N. giraulti). Il s’agit d’une première mention de P. bennetti et de N. giraulti dans la province de Québec. Mon deuxième objectif était d’évaluer l’impact de l’intensification agricole et de la structure du paysage sur les relations tri-trophiques entre les organismes à l’étude. Les résultats révèlent que les réponses à la structure du paysage de l’hirondelle, de l’ectoparasite et de l’hyperparasite dépendantent de l’échelle spatiale. L’échelle spatiale fonctionnelle à laquelle les espèces répondent le plus varie selon le paramètre du paysage modélisé. Les analyses démontrent que l’intensification des pratiques agricoles entraîne une diminution des populations d’oiseaux, d’ectoparasites et d’hyperparasites. De plus, les populations de Protocalliphora et de Nasonia sont menacées en paysage intensif puisque la dégradation du paysage associée à l’intensification des pratiques agricoles agit directement sur leurs populations et indirectement sur les populations de leurs hôtes. Mon troisième objectif était de caractériser les mécanismes comportementaux permettant aux guêpes de composer avec la variabilité de la structure du paysage et de la qualité des hôtes. Nos résultats révèlent que les femelles Nasonia ajustent la taille de leur ponte en fonction de la taille de la pupe hôte et de l’incidence d’hyperparasitisme. Le seul facteur ayant une influence déterminante sur le ratio sexuel est la proportion de paysage dédié à l’agriculture intensive. Aucune relation n’a été observée entre la structure du paysage et la taille des filles et des fils produits par les femelles Nasonia fondatrices. Ce phénomène est attribué aux comportements d’ajustement de la taille de la ponte et du ratio sexuel. En ajustant ces derniers, minimisant ainsi la compétition entre les membres de leur progéniture, les femelles fondatrices sont capables de maximiser la relation entre la disponibilité des ressources et la valeur sélective de leur progéniture. En conclusion, ce travail souligne l’importance de considérer le contexte spatial des interactions trophiques, puisqu’elles influencent la biodiversité locale et le fonctionnement de l’écosystème. / Landscape fragmentation and homogenization are considered to be the main causes of the worldwide decline in biological diversity. The degradation of habitat quality is mainly caused by the expansion and intensification of human land-use activities, primarily for agricultural purposes. Many studies documented the impact of landscape fragmentation and agricultural intensification on the overall fitness of animals across various taxa, but few works have studied this phenomenon in relation to trophic interactions. Here, we investigated the effects of landscape structure on the tri-trophic interactions between a bird host (the Tree Swallow Tachycineta bicolor (Vieillot)), its blowfly ectoparasites (Protocalliphora Hough), and their parasitoid wasps (Nasonia Walker) along a gradient of agricultural intensification covering 10, 200 km2 in southern Québec, Canada. The first objective was to describe the assemblages of Protocalliphora and Nasonia species found in Tree Swallow nests within our system. The prevalence of nest infestation by Protocalliphora was of 70.8% in 2008 and 34.6% in 2009. The percentage of nests containing Protocalliphora pupae parasitized by Nasonia spp. was of 85.3 % in 2008 and 67.2% in 2009. Three species of Protocalliphora were collected (P. sialia, P. bennetti and P. metallica) and two species of Nasonia (N. vitripennis and N. giraulti). Secondly, I evaluated the impact of landscape structure and agricultural intensification on the number of Tree Swallow fledglings, number of Protocalliphora per nest and the level of hyperparasitism by Nasonia. Our results revealed that organisms from different trophic levels perceived the landscape at distinctive spatial extents. This perception, however, differed based on whether the proportions of intensive or extensive culture in the landscape were considered. Furthermore, the number of Tree Swallow fledglings, the abundance of P. sialia and the level of hyperparasitism by N. vitripennis all decreased with an increase in the proportion of intensive culture in the landscape. Protocalliphora and Nasonia were more susceptible to extinction within highly intensive landscapes as they are confronted with both the direct effect of habitat degradation on their populations and the indirect effect of habitat degradation on their host populations. The last objective was to investigate how parasitoid wasps respond to environmental variability. We showed that the size of the P. sialia pupae hosts decreased in more intensive landscapes. Wasps clutch size was shown to increase within increasing host size and the sex ratio of offspring produced by N. vitripennis became more male biased as the proportion of intensive culture increased in the landscape. In addition, both female and male size was influenced by resource availability (size of host and number of competitors). Our data indicate that by producing smaller male biased clutches in the smaller hosts within intensive landscapes, females were able to respond to poor environments and maximize the size of their offspring. To conclude, this work highlights the importance of considering the landscape context of trophic interactions, as these interactions dictate local biodiversity and ecosystem function.

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