Lakes are among the most susceptible ecosystems to anthropogenic modification as humans are drawn to freshwaters for the multitude of ecosystems services they provide. The littoral habitat structure of lakes, both in the form of aquatic vegetation (macrophytes) and coarse woody debris (CWD), is often negatively altered by direct and indirect human activities. Little is known about the effect that loss of littoral structure might have on whole lake food webs with respect to energy flow and trophic transfers. The maximum number of trophic transfers within a food web is referred to as food chain length and can control community composition through trophic cascades. Therefore, detectable changes in food chain length likely have impacts on the lake food web. I predicted that loss of littoral structure would result in reduced food chain length due to loss of refuge for intermediate consumers. I used a field study and a simulation model to (1) determine if there was a significant relationship between food chain length and littoral structure in the form of macrophytes and (2) assess the support for two different potential mechanisms (i.e. for changes in refuge or productivity) through which macrophytes and coarse woody debris could alter food chain length. The field study showed that food chain length was positively related to macrophyte abundance. The simulation model shed further insight and showed that refuge provided by macrophytes and CWD may account for observed food chain length increases due to preservation of predatory invertebrates. From these results, we can infer that the loss of littoral habitat structure likely results in a shortening of the lake food chain, which can have implications for community composition, energy flow and whole ecosystem responses to change. / Les lacs sont parmi les écosystèmes les plus sensibles aux modifications d'origine anthropique car les humains sont attirés par les eaux douces et elles fournissent une multitude de services écosystémiques. La structure de l'habitat dans la zone littorale des lacs, représentée par la végétation aquatique (macrophytes) et les débris ligneux grossiers (DLG), est souvent altérée négativement par les activités anthropiques directes et indirectes. Nous avons très peu d'évidence sur les effets qu'une perte de la structure d'habitat en zone littorale pourrait avoir sur les réseaux trophiques des lacs, plus particulièrement en ce qui concerne les flux d'énergies et les transferts trophiques. Le nombre maximum de transferts trophiques au sein d'un réseau trophique, appelée longueur de la chaîne trophique, peut contrôler la structure des communautés par le biais de cascades trophiques. Par conséquent, des changements significatifs dans la longueur de la chaîne trophique ont fort probablement des répercussions sur la chaîne trophique d'un lac. Dans ma thèse de maîtrise, j'ai prédit qu'une perte de la structure d'habitat dans la zone littorale entraînerait une réduction de la longueur de la chaîne trophique en raison d'une perte de refuges pour les consommateurs intermédiaires. J'ai utilisé des données récoltées sur le terrain et un modèle de simulation pour (1) déterminer s'il y a une relation significative entre la longueur de la chaîne trophique et la structure d'habitat de la zone littorale en utilisant l'abondance des macrophytes et pour (2) évaluer comment les macrophytes et les DLG peuvent modifier la longueur de la chaîne trophique en explorant la plausibilité de deux mécanismes potentiels différents, c'est-à-dire un changement dans la disponibilité des refuges ou un changement de la productivité. Les données de terrain ont démontré que la longueur de la chaîne trophique est positivement reliée à l'abondance de macrophytes. Le modèle de simulation a stimulé le développement de nouvelles idées et a démontré que les refuges fournis par les macrophytes et les DLG peuvent expliquer l'augmentation de la longueur de la chaîne trophique observée par la préservation des invertébrés prédateurs. Mes résultats me permettent de conclure qu'une perte de la structure de l'habitat en zone littorale résulte en un raccourcissement de la chaîne trophique d'un lac, ce qui peut avoir des répercussions importantes sur la structure des communautés, le flux d'énergie et les réponses des écosystèmes face aux changements d'origine anthropique.

Mosses play a key role in the carbon (C) budget of black spruce forests, which are widely distributed across Canada and throughout the circumboreal region. Mosses are currently not included in the forest C stock accounting of large-scale national models used by Canada to meet international greenhouse gas reporting requirements. It is therefore essential to increase our scientific understanding of the dynamics of moss-C accumulation in black spruce forest ecosystems in a national-scale context. This thesis was inspired by Canada's national-scale carbon accounting model, the Carbon Budget Model of the Canadian Forest Sector (CBM-CFS3). The model was designed to provide operational forest managers with a tool to make informed management decisions based on C balance simulation of future scenarios. The model can also be scaled-up to provide regional- or national-C estimates. Previous research and inventory has shown that black spruce forests are widespread in many regions across the country, and that mosses have the potential to contribute significantly to the carbon budget of these systems. Nevertheless, the CBM-CFS3 does not account for moss-derived carbon in these forests. My overall objective is to improve scientific understanding of the C dynamics of mosses in black spruce-dominated forests from the perspective of including them in nationally-scaled models such as the CBM-CFS3. To accomplish this I: 1) investigate the potential of moss-derived C to improve the current inadequacy present in the simulation of black spruce soil carbon by CBM-CFS3, 2) collect ground plot data across several study regions in Canada to define moss-tree relationships that can be used as tools to model moss-C accumulation at the regional- or national-scale, and 3) build, test and examine a sub-model for moss-C accumulation that can be added to the CBM-CFS3 model framework to improve carbon budget accounting in black spruce forests across Canada. This research demonstrated that large differences between field-measured C stocks and CBM-CFS3 model predictions in poorly drained black spruce forests were of the same order of magnitude as would be expected if mosses could be included in the model. The field component of the research identified significant relationships between merchantable timber, canopy openness, and the relative abundance and productivity of feather moss and sphagnum moss. Together, these relationships allowed the input and loss of C via mosses to be modelled. The addition of the MOSS-C sub-model to CBM-CFS3 reduced the residual error by five fold; however, we found that the dynamics of the productivity-decomposition pathway included in the model were insufficient to account for all of variation in observed C stocks. The study suggests avenues for future research to better understand the complex interactions between decomposition, weather and fire regime on deep layer carbon storage. The key scientific merits of this thesis are: 1) the demonstration and quantification of the importance of mosses in the carbon budget of black spruce forests in national-scale models such as the CBM-CFS3, 2) the examination of the moss-tree relationships derived from field collected data that can be used to predict moss-C accumulation across several study regions in Canada, 3) the creation of a MOSS-C sub-model that can be directly applied into the current CBM-CFS3 model framework and strengthen the model's ability to predict organic soil C in black spruce forest systems nationally. Together these contributions act to provide an important first step at studying moss-C accumulation from the perspective of large-scale national or regional forest carbon budgets. They also help to demonstrate that if natural resource scientists aim to improve our ability to predict moss-C in black spruce stands at a national-scale than future work is needed in black spruce-moss ecology from a multi-scaled perspective to complement the work presented in this thesis. / Les mousses représentent une partie importante du carbone (C) stocké dans les pessières noires qui dominent les régions boréales et circumpolaires canadiennes. Cependant, celles-ci ne sont pas prises en compte dans les modèles utilisés par le Canada pour rendre compte des stocks forestiers de C dans le cadre des exigences internationales en lien avec les gaz à effet de serre. Il est donc nécessaire d'améliorer les connaissances scientifiques sur la dynamique de stockage du C par les mousses dans les écosystèmes dominés par les épinettes noires à l'échelle nationale. Le modèle CBM-CFS3 du bilan du carbone pour le secteur forestier canadien a servi d'inspiration pour cette thèse. Le CBM-CFS3 ne prend pas en compte le carbone entreposé dans la mousse des pessières noires, même si nous savons que ce stock important peut influencer de façon significative le bilan en C de ces écosystèmes et affecter les comptes rendus nationaux. Mon objectif principal est d'améliorer les connaissances scientifiques sur la dynamique du carbone dans les pessières noires à mousses et de contribuer à sa prise en compte dans les modèles nationaux comme le CBM-CFS3. Pour arriver à ces fins: 1) nous étudions la contribution potentielle du C stocké dans la mousse pour améliorer la simulation du C avec CBM-CFS3 dans les sols des pessières noires, 2) nous récoltons des données de terrain dans différentes régions du Canada que nous utilisons pour établir les relations mousses-arbres qui serviront à améliorer la modélisation du C stocké dans les mousses aux échelles régionales et nationale, et 3) nous construisons, testons et examinons un sous-modèle de stockage de C dans les mousses qui pourra être intégré dans le CBM-CFS3 pour améliorer les estimations du C dans les pessières noires canadiennes. Dans le cadre de ce projet de recherche, j'ai pu démontrer que les différences observées entre les stocks de C mesurés sur le terrain et les prédictions du CBM-CFS3 sont du même ordre de grandeur que les contributions anticipées des mousses. Les études que nous avons effectuées sur le terrain nous ont permis d'identifier des relations significatives entre le bois marchand, utilisé comme entrant principal dans le CBM-CFS3, l'ouverture de la canopée, et l'abondance relative et la productivité des mousses hypnacée et de sphaigne. La mise en commun de ces relations permettent de modéliser les ajouts et pertes de C attribuables aux mousses. L'intégration du sous-modèle MOSS-C au CBM-CFS3 reduit par un facteur de cinq son erreur résiduelle. Cependant, nous avons observé que la dynamique productivité-décomposition ajoutée au modèle était insuffisante pour expliquer complètement la variabilité observée des stocks de C. Ces résultats suggèrent des pistes de recherches futures qui permettront de mieux comprendre les interactions complexes entre la décomposition, le climat et les feux sur le stockage du carbone. Les contributions scientifiques principales de cette thèse sont: 1) la démonstration de l'importance des mousses dans le bilan de carbone des pessières noires à l'échelle nationale, 2) une meilleure compréhension, grâce aux données de terrain collectées, des relations mousses-arbres qui pourra être utilisée pour prédire les stocks de C dans différentes régions du Canada, 3) la création d'un sous-modèle MOSS-C pouvant être incorporé dans le modèle CBM-CFS3 actuel et en améliorer les prédictions du C organique des sols des pessières noires. Mises ensembles, ces contributions représentent une importante première étape sur l'étude des stock de C dans les mousses dans le contexte des bilans régionaux et nationaux de C. Elles aident aussi à faire la démonstration qu'une amélioration des prédictions des stocks nationaux de C dans les pessières à mousses nécessitera davantage de recherche sur l'écologie de l'épinette noire et des mousses dans une perspective multi-échelle, en complément à la recherche présentée dans cette thèse.

The field of wildlife research and management tends to benefit from technological innovations such as remote sensing techniques that help to overcome the many challenges of studying and monitoring wild, free-ranging animals and their habitats. A new variety of remote sensing devices, unmanned aircraft systems (UAS), has recently become available for public and commercial use, promising to offer further support to wildlife science. Although a growing variety of preliminary efforts to apply UAS in the discipline have been undertaken, the technology is yet to gain any significant traction in practice. The overall aim of this project is to help stimulate and guide the adoption of UAS in wildlife science by taking a distinctly rigorous, contextualized and integrated approach. This is accomplished by first presenting a detailed analysis of potential applications for UAS throughout the field of wildlife science based on the results of a systematic review of the current primary literature. Two case studies involving waterbirds are then presented which serve to evaluate, validate and demonstrate the use of a small UAS in genuine management-driven contexts. The first case study, involving the least bittern (Ixobrychus exilis), highlights the benefits of the UAS for collecting fine-scale habitat data in a wetland habitat that is challenging to navigate and assess at ground level. The second case study, involving the common tern (Sterna hirundo), demonstrates the advantages of using a UAS for studying and monitoring species that are highly sensitive to investigator disturbance. The examples provided by these case studies as well as the additional applications proposed in the review suggest far-reaching potential for UAS in wildlife science. / Le domaine de l'étude et la gestion de la faune tend à tirer profit des innovations technologiques telles que les techniques de télédétection qui aident à surmonter les nombreux défis reliés à l'étude et au suivi des animaux sauvages et de leurs habitats. Un nouveau type d'instruments de télédétection, les systèmes d'aéronef sans pilote (UAS), est récemment devenu disponible pour usage public et commercial, promettant d'assister davantage les sciences fauniques. Bien qu'une variété croissante de tentatives préliminaires d'application de UAS dans le domaine ont été entreprises, la technologie tarde à percer dans la pratique générale. Cette thèse a pour but d'aider à stimuler et guider l'adoption des UAS dans les sciences fauniques en employant une approche distinctement rigoureuse, contextualisée et intégrée. Cela est accompli dans un premier temps en présentant un compte rendu détaillé des applications potentielles des UAS à travers le domaine des sciences fauniques, se basant sur les résultats d'un examen systématique de la littérature primaire actuelle. Dans un second temps, deux études de cas sur des oiseaux aquatiques sont présentées, servant à évaluer, valider et démontrer l'usage d'un UAS compact dans des contextes de gestion réels. La première étude de cas, sur le petit blongios (Ixobrychus exilis), met en valeur les bénéfices du UAS pour la collecte de données d'habitat à fine résolution dans un milieu humide difficile à parcourir et inventorier au sol. La seconde étude, sur la sterne pierregarin (Sterna hirundo), met en valeur les avantages du UAS pour l'étude et le suivi d'espèces très sensibles au dérangement causé par les chercheurs. Les exemples fournis par ces études de cas ainsi que les applications additionnelles proposées dans le compte rendu suggèrent un potentiel d'envergure pour les UAS dans les sciences fauniques.

Atmospheric CO2 concentration has risen to a landmark high of 400 ppm, a level not seen on earth for the past million years, and is expected to continue to increase over the course of this century. Besides its indirect effect on climate, this change will directly affect all photosynthetic organisms, including phytoplankton, through an increased availability of carbon. Through laboratory and field experiments, I investigated the ecological and evolutionary response of phytoplankton communities to rising atmospheric CO2. The rise in atmospheric CO2 is occurring at the same time as increases in the availability of a number of nutrients. In a series of mesocosm experiments in a lake, I found that elevated CO2 can act synergistically with increased nutrient availability to increase phytoplankton growth. Elevated CO2 could thus exacerbate the effect of traditional drivers of eutrophication. Major taxonomic groups of phytoplankton differ in their ability to take up and utilize CO2. In an experiment with six species of phytoplankton belonging to three major taxa (cyanobacteria, diatoms and chlorophytes), I found that these physiological differences lead to predictable changes in community dynamics. Chlorophytes, the type most limited by current CO2 levels, benefit from rising CO2 at the expense of cyanobacteria. The applicability of these findings to natural systems was confirmed in the series of mesocosm experiments. In these experiments, the increase in the frequency of chlorophytes with rising CO2 was observed at both high and low nutrient levels. The increased growth rate with the addition of nutrients and CO2, the physiological differences between major groups of phytoplankton and the associated changes in community compositions may be altered by evolutionary change after sufficiently long exposure of these organisms to elevated CO2. I tested for the probability of evolutionary change in response to elevated CO2 by exposing the previous six species and Chlamydomonas reinhardtii to elevated CO2 for over 750 generations. I found no evidence of evolutionary change, which indicates that predictions of the ecological impact of rising CO2 on phytoplankton based on the current physiology of phytoplankton will remain valid even after hundreds of generations. As phytoplankton are the base of most aquatic food webs and important drivers of the global carbon cycle, this work provides a crucial element for predicting the future state of aquatic systems and global geochemistry undergoing global change. / La concentration de CO2 dans l'atmosphère a atteint un niveau record de 400 ppm. Un niveau si élevé n'a pas été atteint lors des derniers millions d'années. Les prédictions actuelles indiquent que la concentration atmosphérique de CO2 va continuer à augmenter tout au long de ce siècle. J'ai utilisé des expériences de laboratoire et des expériences de terrain pour étudier la réponse écologique et évolutive du phytoplancton au changement de concentration de CO2. L'augmentation de la disponibilité de plusieurs autres nutriments se déroule en même temps que l'augmentation de CO2 dans l'atmosphère. Dans une série d'expériences utilisant des mésocosmes en milieu naturel, j'ai constaté que la croissance du phytoplancton augmentait plus avec l'addition simultanée de CO2 et de nutriments qu'avec l'addition uniquement de nutriments. L'augmentation de CO2 atmosphérique pourrait donc exacerber les problèmes d'eutrophisation des milieux aquatiques. Les regroupements taxonomiques importants de phytoplanctons se distinguent par leur capacité d'absorber et d'utiliser le CO2. Dans une expérience de laboratoire, ces différences physiologiques entre six espèces de phytoplancton appartenant à trois (des cyanobactéries, des diatomées et des chlorophytes) ont pour conséquences un changement prévisible des dynamiques écologiques au sein de la communauté de phytoplanctons. La proportion dans la communauté de chlorophytes, le groupe dont la croissance est la plus limitée par les niveaux présents de CO2, augmente avec l'augmentation de CO2, et ce, aux dépens de la proportion de cyanobactéries. Les changements écologiques au niveau de l'augmentation du taux de croissance et les changements des proportions de différents types dans les communautés de phytoplanctons pourraient être altérés par des changements évolutifs lors de l'exposition prolongée du phytoplancton à une concentration de CO2 élevée. J'ai évalué la probabilité d'une réponse évolutive causée par une concentration de CO2 élevée en exposant les six espèces de l'expérience précédente et Chlamydomonas reinhardtii à un niveau de CO2 élevé pour plus de 750 générations. Je n'ai trouvé aucune preuve de changement évolutif, ce qui indique que les prédictions basées sur les caractéristiques physiologiques actuelles des phytoplanctons demeureront valides pour plusieurs centaines de générations. Puisque les phytoplanctons sont à la base de toutes les chaines alimentaires aquatiques importantes et des contributeurs importants aux différents cycles géochimiques planétaires, les recherches présentées dans cette thèse fournissent un élément crucial pour la prédiction de l'état futur des milieux aquatiques et de la géochimie mondiale.

Rates of species invasion are rising globally, particularly in freshwater ecosystems. The impacts of only a small fraction of these invasions have been studied, and some have been found to cause substantial ecological and socio-economic damage. Nevertheless, there have been recent claims that the impacts of non-native species have been exaggerated, that native species have an equal propensity to cause damage, and therefore the biogeographic origins of species should not be considered in management decisions. Here, I address these claims by comparing the socio-economic impacts of native and non-native species in freshwater systems. Using data from North American and European watersheds, I find that non-native species are five times more likely than natives to become pests. Another major issue concerning the impacts of non-native species is that managers lack predictive tools for prioritizing invasion threats, because very few general correlates of impact have been identified. The functional distinctiveness of a non-native species within the invaded assemblage has been proposed as a predictor of its impact on native species populations. Using a global dataset of non-native freshwater molluscs and taxonomic relatedness as a proxy for functional similarity, I find that novel taxa comprise disproportionately large numbers of high-impact invaders. Moreover, more taxonomically distant taxa have the highest proportions of high-impact species. These results support the use of taxonomy and biogeographic origin in invasion risk assessment. / Les taux d'invasions d'espèces sont en hausse dans le monde, et particulièrement dans les écosystèmes d'eau douce. Seuls les impacts d'une petite fraction de ces invasions ont été étudiés. Il a été démontré que certaines d'entre elles peuvent causer des dommages environnementaux et socioéconomiques considérables. Toutefois, certains écologistes suggèrent que l'impact des espèces non indigènes pourrait avoir été exagéré. Selon eux, les espèces indigènes auraient la même propension à causer des dommages environnementaux et socioéconomiques. L'origine biogéographique d'une espèce ne devrait alors pas être considérée lors d'une prise de décision. Je tente ici de vérifier la validité de ces affirmations en faisant la comparaison des impacts socioéconomiques des espèces indigènes et non indigènes dans les écosystèmes d'eau douce. En analysant des données provenant de bassins d'eau douce nord-américains et européens, il s'avère que les espèces non indigènes ont cinq fois plus de chances de devenir nuisibles. Un problème majeur relié à l'impact des espèces invasives est que les preneurs de décisions manquent d'outils de prédiction leur permettant de prioriser les menaces d'invasion. Le caractère distinctif de la fonction écologique d'une espèce non indigènes au sein de la communauté envahie à été proposé comme prédicteur de son impact sur la population indigène. En construisant un ensemble de données mondial sur les mollusques non indigènes et en utilisant la parenté phylogénique comme indicateur de la similarité fonctionnelle des espèces, il ressort que les taxons nouveaux sont plus susceptibles de devenir des envahisseurs à haut impact. De plus, les taxons les plus distants phylogéniquement ont la plus haute proportion d'espèces envahissantes à haut impact. Ces résultats soutiennent l'utilisation de la phylogénie et de l'origine biogéographique pour l'évaluation des risques associés à une invasion par une espèce non indigène.

Wild bees, which exhibit multiple functional traits enabling pollination of apples (Malus domestica Borkh), potentially can compensate for recent declines in domesticated honey bees (Apis mellifera Linnaeus) that are conventionally employed to ensure apple fruit and seed set. Whether compensation is possible will depend on functional diversity in the wild bee community and on the distribution of habitat and resources within the landscape surrounding an orchard that affect wild bee abundance. We studied pollination services and bee functional diversity in 20 apple orchards in southern Quebec, Canada. We evaluated pollinator efficacy by studying: apple visitation rates, approach (front or side-working), body size, foraging type (pollen or nectar foraging), sociality, temporal and climatic activity patterns, and pollen carrying habit. Pollination services were measured as apple fruit set and seed set. A distance-based measure of functional diversity, calibrated with bee traits and weighted by relative abundances in the wild bee community, was used to model pollination services. We correlated the landscape composition and configuration of surrounding natural (forest) and semi-natural (meadow) habitats with bee diversity and pollination services. The incidence of fruit set and seed set in orchards increased with bee functional diversity. Complementarity between managed versus unmanaged bees in traits associated with foraging and resource use drove this relationship. Seed set was also negatively correlated with both the mean distance from surrounding meadows and the total area of surrounding orchards. Bee functional diversity was positively associated with surrounding meadow and forest area. These two land classes complement each other in their seasonal provision of foraging resources for bees. Our models can be used to prescribe management and conservation objectives for meadow and forest habitats that promote bee functional diversity and in turn pollination services. We identify useful wild bee pollinators and discuss their needs in terms of landscape composition and configuration. / Les abeilles sauvages, qui possèdent plusieurs caractéristiques fonctionnelles contribuant à la pollinisation des pommiers (Malus domestica Borkh), ont le potentiel de compenser le déclin d'abeilles mellifères (Apis mellifera Linnaeus) qui sont normalement adoptées pour assurer la grenaison et la nouaison des fruits. Les facteurs qui rendront possible cette dite compensation dépendent de la diversité fonctionnelle de la communauté des abeilles sauvages, ainsi que de la répartition de leur habitat au sein du vaste paysage qui entoure les vergers. Nous avons étudié les services écosystémiques et la diversité fonctionnelle des abeilles dans vingt vergers situés au sud du Québec. Nous avons ensuite évalué l'efficacité des abeilles pollinisatrices en étudiant les paramètres suivants : la vitesse de butinage, la fréquence des contacts avec les stigmates, la taille des abeilles, le type de récolte (pollen ou nectar), la sociabilité, le seuil d'activité en fonction des paramètres climatiques et temporaux, et finalement, le mode de transport du pollen. Les services de pollinisation ont été mesurés en fonction de la nouaison et de la grenaison des pommes. La diversité fonctionnelle a été estimée en tenant compte des caractéristiques fonctionnelles et des valeurs d'abondance relative des abeilles, et cette estimation a été utilisée pour modéliser les services écosystémiques. La composition et la configuration des habitats naturels (boisés) et semi-naturels (en friche) dans les paysages autour des vergers étudiés ont été corrélées avec la diversité et les services de pollinisation fournis localement. L'incidence de la nouaison et la grenaison des pommes ont augmenté avec la diversité fonctionnelle des abeilles. La complémentarité dans l'utilisation des ressources entre les abeilles gérées et non gérées a été responsable de cette relation positive. La diversité fonctionnelle des abeilles a démontré une association positive avec la terre boisée et avec la terre en friche. La phénologie des espèces fleurissantes dans ces deux types de terrain se complète mutuellement dans leur fourniture des ressources pour les abeilles. Nous voulons mettre en place des objectifs de conservation des habitats boisés et en friche afin de favoriser la diversité fonctionnelle des abeilles sauvages et les services de pollinisation. Une identification des espèces d'abeille sauvage les plus utiles à la pollinisation a été entamée, et nous avons discuté de leurs besoins en fonction de la composition et de la configuration du paysage.

Habitat fragmentation is ubiquitous in temperate forests, and affects ecosystem functions and services through decreased area, increased isolation, and greater exposure to forest edges. While fragmentation has been extensively studied, the effect of fragmentation on the relationship between biodiversity and ecosystem services is not well documented or understood. Alterations to forest fragment size and connectivity are increasingly linked to changes in ecosystem function via changes to dispersal patterns and other spatial processes. However, whether or not these functional implications of fragmentation extend to carbon storage, and thus the ability of a forested landscape to regulate climate, is uncertain, especially in temperate systems. In this thesis, I investigated the effects of forest fragment size, isolation, and management intensity on the relationship between aboveground carbon (AGC) stocks and tree biodiversity in 24 small forest fragments in the Montérégie, QC. I also examined whether forest edge effects influenced AGC stocks and tree species composition. I found that forest fragments in the Montérégie differed with respect to AGC stocks, and that these differences were mediated by functional diversity, forest management, and connectivity. Unmanaged fragments stored less carbon on average than managed, but demonstrated a significant positive relationship between functional diversity and AGC stocks, with the slope of the relationship significantly greater in connected fragments than isolated. Small (10ha) fragments performed on par with their larger (100ha) counterparts. Managed stands exhibited a negative relationship between functional diversity and AGC stocks, demonstrating that anthropogenic influence can alter the link between biodiversity and AGC stocks in forested systems. Contrary to observations in tropical forests, proximity to the forest edge did not alter AGC stocks; rather, AGC stocks remained constant across a 100m edge to interior gradient in forest fragments of all types, despite changes in tree community composition and relative abundance consistent with expectations of forest edge effects. My results suggest that taking into account aspects of forest heterogeneity, such as structural connectivity, and gradients in diversity and management intensity may increase accuracy in estimating landscape level carbon stocks. Additionally, these results have implications for conservation. Like many other peri-urban, agricultural areas in North America, the Montérégie contains a high number of small forest fragments, likely to increase as fragmentation becomes more prevalent with development. The ecological importance of small fragments is often questioned. Here, I show that small forest fragments are likely to demonstrate "win-win" conservation scenarios with respect to AGC stocks and tree biodiversity, and that AGC stocks are constant across even very small and irregularly shaped fragments. If we consider the number of small forest fragments throughout this region, combined with their contributions to regional biodiversity and service provision, it is clear that the continued loss of small forest fragments in the Montérégie would be to the detriment of conservation efforts. / La fragmentation des habitats est omniprésente dans les forêts tempérées, et cette fragmentation affecte les fonctions et services écologiques à travers la diminution de la superficie, l'augmentation de l'isolement des parcelles et l'augmentation de l'exposition des bordures des forêts. Bien que la fragmentation ait été beaucoup étudiée, l'effet de la fragmentation sur la relation entre la biodiversité et les services écologiques n'est pas bien documentée ni bien comprise. Des changements dans la taille des fragments de forêt et la connectivité sont de plus en plus liés à des changements dans le fonctionnement des écosystèmes par la modification des modèles de dispersion et d'autres processus spatiaux. Toutefois, nous ne savons pas si ces implications de nature fonctionnelles de fragmentation affectent la séquestration du carbone, et donc si la fragmentation affecte la capacité d'un paysage boisé à réguler le climat, surtout dans les systèmes tempérés. Dans ce mémoire, j'ai étudié les effets de la taille des fragment de forêt, de l'isolement de ces fragments et de l'intensité de la gestion des fragment sur la relation entre les stocks de carbone hors-sol (CHS) et la biodiversité des arbres dans 24 petits fragments forestiers de la Montérégie, QC. J'ai aussi examiné si les effets de bordure de la forêt ont influencés les stocks de CHS et la composition des espèces d'arbres. J'ai trouvé que les fragments forestiers de la Montérégie différaient en ce qui concerne les stocks de CHS, et que ces différences étaient influencés par la diversité fonctionnelle, la gestion forestière, et la connectivité. Les fragments forestiers non gérés stockaient moins de CHS en moyenne que les fragments gérés, mais dans les fragments non gérés il y avait une relation positive significative entre la diversité fonctionnelle et les stocks CHS, avec la pente de la relation significativement plus élevée dans les fragments liés qu'isolés. Les résultats des petits fragments (10ha) étaient similaires à ceux des plus grandes parcelles (100ha). Il y avait une relation négative entre la diversité fonctionnelle et les stocks CHS dans les parcelles gérées, ce qui démontre que l'influence humaine peut modifier la relation entre la biodiversité et les stocks CHS dans les systèmes forestiers. Contrairement aux observations dans les forêts tropicales, la proximité des bordures de forêt n'a pas modifié les stocks CHS; en fait, les stocks CHS sont restés constants tout au long d'un gradient de 100m de la bordure à l'intérieur de la forêt dans tous les types de fragments forestiers , et ce malgré les changements de composition des communautés d'arbres et d'abondance relative attendus face à l'effet de bordure de forêt. Mes résultats suggèrent que l'inclusion d'aspects de l'hétérogénéité de la forêt, tels que la connectivité structurelle et les gradients de diversité et d'intensité de la gestion, peut augmenter la précision de l'estimation des stocks de carbone à l'échelle du paysage. De plus, ces résultats ont des implications pour la conservation. Comme beaucoup d'autres régions agricoles périurbaines d'Amérique du Nord, la Montérégie contient un grand nombre de petits fragments de forêt et il est fort probable que cette fragmentation augmente avec le développement urbain. L'importance écologique de petits fragments forestier est souvent remise en question. Ici, je démontre que les petits fragments forestiers sont susceptibles de contribuer à des scénarios de conservation "gagnant-gagnant" en ce qui concerne les stocks de CHS et la biodiversité des arbres, et que les stocks de CHS sont constants même à travers des fragments très petits et de forme irrégulière. Si l'on considère le grand nombre de petits fragments de forêt dans cette région, en tenant compte de leur contribution à la biodiversité régionale et la prestation de services écosystémiques, il est clair que la perte de petits fragments de forêt en Montérégie serait au détriment des efforts de conservation.

This thesis explores growth across different levels of organization, and reveals remarkable similarities in the scaling and regulation of growth, from individual to ecosystem. Chapter 1 presents a general scaling law encompassing 800 terrestrial and aquatic ecosystems of the world. I show that whole communities of predator biomass scale to total prey by an exponent near ¾ across global environmental gradients. Underpinning this pattern is production-biomass scaling that also converges on near ¾ exponents. These findings have implications for predator-prey theory and understanding trophic structure. Chapter 2 investigates growth and metabolic scaling at the level of the individual and argues that underpinning body size allometry may be multiplicative growth processes, rather than energy supply constraints, as is the predominant view. I show that across the tree of life, growth scales as ¾, while metabolism scales closer to linear. I discuss research at the organ/tissue level showing that growth is regulated by a complex set of genes, which can often be shown to have downstream influences on metabolism. These and other lines of evidence point to growth at the basis of allometry, providing a potentially important new orientation to the field. Chapter 3 examines a large dataset on mammal reproduction, mortality and abundance to elaborate possible regulatory pathways that balance the structure of large mammal communities. These pathways bear certain commonalities with growth regulation at the level of the individual. Summarizing data from all three chapters, I show that mammal growth to mass scaling is nearly equivalent across three distinct levels of organization with scaling exponents all within 0.012 of each other. These findings urge new fundamental theory that connects patterns of growth across scale. / Cette thèse explore la croissance à plusieurs niveaux d'organisation et révèle des similitudes remarquables dans la mise à l'échelle et la régulation de la croissance de l'individu à l'écosystème. Le chapitre 1 présente une loi générale de mise à l'échelle englobant 800 écosystèmes terrestres et aquatiques du monde. Je démontre que la biomasse de communautés entières de prédateurs est liée au nombre de proies totales par un exposant de près de ¾. De plus, je démontre qu'à l'échelle de l'écosystème, la production est aussi liée à la biomasse avec un exposant qui converge vers ¾. Ces résultats ont des implications pour la théorie sur les relations prédateur-proie et la théorie sur la structure trophique. Le chapitre 2 examine la croissance et la mise à l'échelle métabolique au niveau de l'individu, ou j'affirme que les allométries reliées à la taille du corps peuvent découler de processus de croissance multiplicatifs, plutôt que de contraintes d'approvisionnement en énergie, contrairement au point de vue prédominant en écologie. Je démontre qu'au travers de l'arbre de la vie, les échelles de croissance se rapprochent de ¾, alors que les échelles de métabolisme ont tendance à être linéaire. J'élabore sur la recherche au niveau de l'organe / tissu qui montre que la croissance est régie par un ensemble complexe de gènes, qui ont des influences en aval sur le métabolisme. Mes travaux supportent l'hypothèse que la croissance est à la base des allométries, ce qui pourrait potentiellement donnée une direction nouvelle à ce domaine de la science de l'écologie. Le chapitre 3 examine un vaste ensemble de données sur la reproduction, la mortalité et l'abondance de grands mammifères en vue de définir les lois qui permettent l'équilibre au niveau de la structure des communautés de grands mammifères. Ces lois démontrent certaines similitudes avec celle qui régissent la croissance au niveau de l'individu. En synthétisant les données des trois chapitres, je démontre que la mise à l'échelle entre la croissance et la masse des mammifères est à peu près équivalente à travers trois différents niveaux d'organisation. Ces conclusions invitent une nouvelle théorie fondamentale qui relie les modèles de croissance à travers les échelles.

Rates of biological invasion of aquatic ecosystems are increasing worldwide, which has led to shifts in dominance, and even replacement, of established nonindigenous species. Such shifts have already been reported for several motile and some sessile invaders, with various replacement mechanisms proposed. Given that sessile species such as bivalves must acclimate to changing environments, I hypothesized that differences in the adaptive plasticity of invasive dreissenid mussels could explain a system-wide shift in dominance from the zebra mussel (Dreissena polymorpha) to the quagga mussel (D. rostriformis bugensis) in the St. Lawrence River. I conducted field experiments to test if zebra and quagga mussels grow at different rates, and if these differences are attributable to variation in their feeding organs (the palp-to-gill area ratio, PGR), across sites of differing turbidity – an important stressor for filter-feeding organisms. Results indicated that turbidity had deleterious effects on the shell growth of both dreissenids. The PGRs of both species varied across sites, but zebra mussels showed the more pronounced variation. Reciprocal transplants suggested that these differences were the result of local acclimation, rather than genetic differentiation between isolated populations. Zebra mussels exhibited temporal variations in PGR that appear to be an acclimation to seasonal fluctuations in suspended sediments. However, zebra mussels did not exhibit greater shell growth, but suffered greater mortality than their congener. It is possible that the apparent higher plasticity of zebra mussels imposes energetic costs that put the species at a competitive disadvantage with quagga mussels. / La fréquence à laquelle les écosystèmes aquatiques accumulent des invasions biologiques augmente à l'échelle mondiale, à un point tel que des changements de dominance, voir même des substitutions, s'opèrent entre espèces non-indigènes. De tels changements ont déjà été reportés pour plusieurs espèces mobiles et quelques sessiles, avec une multitude de mécanismes de substitution proposés. Puisque les espèces sessiles comme les bivalves doivent s'ajuster à des conditions environnementales changeantes, j'ai avancé l'hypothèse que des différences de plasticité adaptative entre les dreissenidés envahisseurs pourraient expliquer l'important changement de dominance s'observant à grande échelle dans le fleuve Saint-Laurent avec le remplacement de la moule zébrée (Dreissena polymorpha) par la moule quagga (D. rostriformis bugensis). J'ai effectué des expériences de terrain pour tester si les moules zébrées et quaggas croissent à différents régimes, et si ces taux de croissance peuvent être attribués à des différences dans leurs organes d'alimentation (le ratio de surface palpes-branchies, PGR), entre des sites à turbidités variées – un important stresseur chez les organismes filtreurs. Les résultats indiquent que la turbidité a des effets négatifs sur la croissance des coquilles des deux dreissenidés. Les PGRs des deux espèces ont varié entre les sites avec la moule zébrée montrant des variations plus prononcées. Des transplants réciproques suggèrent que ces différences sont le résultat d'acclimatations locales et non une différenciation génétique entre populations isolées. Les moules zébrées ont démontré des variations temporelles en PGRqui semblent être une acclimatation face aux fluctuations saisonnières des sédiments en suspension. Cependant, les moules zébrées n'ont pas présenté une meilleure croissance de coquille et ont souffert d'une mortalité importante comparativement à leur congénère. Il est possible que l'apparente plasticité plus importante chez la moule zébrée impose des coûts énergétiques mettant cette espèce dans une situation où elle souffre d'un désavantage compétitif face à la moule quagga.

With concern rising over the global decline of amphibian populations, identifying the onset of declines and the factors driving them is paramount. Amphibian populations are naturally characterized by large fluctuations in abundance, which makes separating natural fluctuations from true declines very difficult. By improving our understanding of the natural dynamics of amphibian populations, we can separate normal fluctuations from altered dynamics associated with decline. I apply this principle to an endangered population of Fowler's toads (Anaxyrus [=Bufo] fowleri) in Long Point, Ontario which appears to have gradually declined in abundance. With over two decades of mark-recapture data, I investigate what factors, intrinsic and extrinsic, drive growth in this population. Over this same period, there have been considerable changes to the toads' habitat, as an invasive strain of the common reed, Phragmites australis, has overtaken the wetlands used by toads for breeding. I show that the expansion of this reed has altered the dynamics of the toad population, causing progressive decline due to breeding habitat loss. Prior to 2002, the population of toads was driven by density-dependent growth and overwinter mortality. After 2002, at which point the reeds had eliminated most of the open water habitat, the population of toads responded only to extrinsic factors, particularly the water level of Lake Erie. I then ask whether the expansion of invasive Phragmites has changed not just the quantity of larval habitat, but also its quality, through the release of secondary compounds. I hypothesize that Fowler's toad larvae, as obligate gill breathers, will experience reduced survival, growth, and development in the presence of gill damaging secondary compounds from the invasive Phragmites and native Typha. In contrast, the sympatric Northern leopard frog (Lithobates [=Rana] pipiens) should exhibit similar performance as tadpoles in the presence of secondary compounds, as a facultative gill breather. Contrary to my expectations, I found that Fowler's toad tadpoles had a similar performance across treatments, despite the presence of secondary compounds. Furthermore, the native plant, Typha, but not the invasive Phragmites, appeared to impede growth in Leopard frog tadpoles. Based on these results, I conclude that the expansion of invasive Phragmites has the potential to impact species through changes to available habitat, but not by reducing larval habitat quality. By incorporating population dynamics into the study of amphibian declines we can improve our ability to infer causal links between population declines and the mechanisms that drive them. / Alors que le déclin de la population amphibienne mondiale est de plus en plus préoccupant, il est primordial d'identifier les facteurs qui en sont la cause. Puisqu'une certaine fluctuation de population est normale, il est difficile de déterminer si une variation donnée est naturelle ou symptomatique d'un déclin réel. Une meilleure compréhension des fluctuations de la population amphibienne pourrait servir à distinguer entre les facteurs naturels de variation et une altération de dynamique associée à un déclin. Voilà l'idée directrice de cette étude d'une espèce à risque, le crapaud de Fowler (Anaxyrus [=Bufo] fowleri) de Long Point en Ontario, dont la population semble diminuer graduellement. À partir de l'information recueillie sur deux décennies de marquage-recapture, j'ai examiné les facteurs, internes et externes, de variation de leur population. Au cours de la période, leur habitat de reproduction a été considérablement détérioré par la présence d'une espèce envahissante de roseau commun, le Phragmites australis. J'explore le lien entre cette altération de dynamique et le déclin progressif des crapauds de Fowler. Avant 2002, leur population était régulée par des facteurs internes comme la croissance en fonction de la densité et la mortalité hivernale. Depuis, les roseaux communs ont éliminé la plupart de l'habitat en eau libre des crapauds de Fowler, dont la population ne répond plus qu'à des facteurs externes d'influence, en particulier le niveau de l'eau du lac Érié. Ensuite, je cherche à voir si la présence de l'espèce envahissante a influencé, non seulement la quantité d'habitat de reproduction du crapaud de Fowler, mais aussi la qualité de ce qui reste, par la production de composés secondaires. L'hypothèse explorée est que les composés secondaires nuisibles aux branchies, produits autant par l'espèce envahissante Phragmites que par l'espèce native Typha, réduisent les chances de survie, la croissance et le développement des crapauds de Fowler, qui respirent nécessairement par leurs branchies. En toute logique, l'espèce sympatrique grenouille léopard du Nord (Lithobates [=Rana] pipiens), qui respire par ses branchies de façon facultative, devrait être affectée de façon similaire. Cependant, ce n'est pas le cas ; j'ai remarqué que les têtards de crapauds de Fowler n'étaient pas affectés par la présence de composés secondaires. De plus, c'est l'espèce native Typha qui semblait nuire à la croissance des crapauds de Fowler, plutôt que l'espèce envahissante Phragmites. J'en conclus que l'expansion de cette dernière peut influencer plusieurs espèces par une réduction de l'habitat disponible, mais pas par la détérioration de la qualité de son habitat larvaire. En étudiant le déclin amphibien à partir de la dynamique de population, nous pouvons améliorer notre capacité à établir des liens entre le déclin de populations d'espèces et les mécanismes qui y contribuent.