This thesis investigates the foraging of Arctic cod (Boreogadus saida) and its predators during the summer in the Canadian Arctic. Findings included the identification of Arctic cod, ringed seal (Pusa hispida), beluga (Delphinapterus leucas), and narwhal (Monodon monoceros) diet shifts in response to seasonal prey availability; calculation of isotopic diet-tissue discrimination factors for Arctic cod, ringed seals, and whales based on local tissue and stomach content sampling; and determination of predatory cues to optimize foraging, such as the presence of schools. Additionally, I quantified seabird feeding and interspecific interactions such kleptoparasitism and found that black-legged kittiwakes (Rissa tridactyla) and northern fulmars (Fulmarus glacialis) captured cod directly but lost many to parasitic jaegers (Stercorarius parasiticus) and glaucous gulls (Larus hyperboreus). Finally, I determined that schools of cod were important prey sources for northern fulmars, glaucous gulls, and whales however non-schooling cod were a significant source for black-legged kittiwakes and ringed seals.

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I investigated if constructed wetlands provide breeding habitat for the Horned Grebe (Podiceps auritus) in northwest Alberta. Over two years, I conducted bird surveys of 201 borrow-pits (ponds created during road construction) and 18 natural wetlands and collected data on local habitat and landscape features. For subsets of ponds, I also collected water chemistry and invertebrate data, and conducted stable isotope analysis. Grebes occurred on 36% of borrow-pits and produced chicks on 61% of occupied sites in 2007 and 81% in 2008. Grebes occurred more frequently on larger ponds, with more emergent vegetation, and avoided forested ponds that supported beaver activity. Horned Grebes are generalist foragers that did not select nesting ponds based on food-web structure. Twenty-six other bird species used borrow-pits, with distinct assemblages occurring on agricultural versus forested ponds. My study indicates that wetland construction offers a viable method for creating habitat for Horned Grebes and other species. / Ecology

[Truncated abstract] The role of marine microzooplankton in aquatic food webs has been studied in most regions of the world’s oceans, with the exception of the subtropical/temperate eastern Indian Ocean. This thesis addresses this gap in knowledge by investigating microzooplankton from five stations on a cross continental shelf transect and in two mesoscale features ∼300 km offshore of south west Western Australia. My primary focus was to measure and evaluate microzooplankton community change over space and time and their impact on phytoplankton on a cross shelf transect, sampling five stations from February 2002 December 2004 as part of a large multidisciplinary investigation into the pelagic ecosystem on the shelf (Chapter 2). This transect was named the Two Rocks transect. I also investigated an eddy pair (Chapter 5), which had originated from water in the vicinity of the Two Rocks transect, also undertaken as part of a larger study, investigating biophysical coupling within mesoscale eddies off south west Western Australia . . . The distribution of mixotrophic cells differed across the transect. Those mixotrophs that use photosynthesis as their primarily energy source exploited nutrient limited conditions inshore consuming particles, while mixotrophs that are primarily heterotrophic survived low prey conditions offshore by photosynthesizing. In the eddies, the grazing behaviour of microzooplankton was dependent on the specific phytoplankton assemblage in each eddy. The warm core eddy had a resident population of diatoms that were consumed by heterotrophic dinoflagellates present in high numbers. The cold core eddy had a warm cap which prevented upwelled water reaching the surface, resulting in stratification and a very active microbial food web, particularly in the surface.

L’intensification de l’agriculture et la simplification biologique des agroécosystèmes conduit à une perte des fonctions écosystémiques tandis que le contrôle chimique des bioagresseurs (BAG) n’est pas durable. La diversification des agroécosystèmes est plébiscitée de manière croissante pour restaurer les interactions positives entre les plantes, telles que la régulation des BAG, au bénéfice des cultures. Mais la diversification bien qu’elle implique un partage des ressources ne doit pas se faire au détriment des rendements. Si la diversité végétale est le support de services de régulation des BAG, quel devrait être le niveau de ces régulations pour compenser les pertes de rendement liées à la compétition pour les ressources ? Quelles devraient-être la composition et la structure de la communauté de plantes pour optimiser de façon synergique les régulations de multiple BAG et la production ? J’ai d’abord quantifié par modélisation théorique les niveaux minimum de régulation des BAG requis pour compenser les pertes de rendement dues à la compétition, dans différents scénarios d’association et de ressources. J’ai ensuite réalisé une étude de terrain pour étudier les régulations écologiques de trois importants BAG du bananier dans un gradient de complexité végétale. Enfin, j’ai quantifié la part d’écart de rendement attribuable aux BAG et aux ressources. Je discute des interactions entre dégâts des BAG et compétition pour les ressources à l’échelle de la plante, des mécanismes de régulations écologiques des BAG du bananier et de la gestion de la végétation à l’échelle de la parcelle pour la régulation synergique des BAG et l’optimisation des rendements. / Agriculture intensification and biological simplification of agroecosystems lead to the loss of ecosystem functions while chemical control of pests is not sustainable. Agroecosystem plant diversification is increasingly recognized as a way to restore positive interactions among plants benefiting crops, such as pest regulations. But diversification that causes resource sharing must not be done at yields’ expense. If vegetation complexity is the basis for pest regulation services, what should be the level of the regulations to compensate for yield losses due to competition for resources? What should be the composition and structure of the plant community to synergistically optimize multiple pest regulations and yields? First, I quantified by theoretical modeling the minimal levels of pest regulation required to compensate for yield losses due to competition in various association and resource scenarios. I then conducted a field study to study the ecological regulations of three important pests of bananas along a vegetation complexity gradient. Finally, I quantified the amount of yield losses attributable to pests and resources. I discuss the interactions between pest damage and resource competition at plant scale, the mechanisms implied in ecological regulations of the three banana pests and the management of the plant community at field scale for the synergic regulation of multiple pests and yield optimization.

Les Invertébrés de l’épifaune vagile présents dans les herbiers de Magnoliophytes marins ont un rôle essentiel dans le transfert d’énergie des producteurs primaires vers les niveaux trophiques supérieurs. L’objectif de ce travail a été d’analyser la relation entre la complexité de l’herbier et la structure des communautés de l’épifaune vagile, et d’étudier le rôle de ce compartiment dans le fonctionnement des réseaux trophiques des herbiers à Thalassia testudinum. Deux sites d’herbiers ont été comparés, l’un proche de la mangrove côtière et l’autre près de la barrière récifale, au cours de deux saisons. L’utilisation de différentes sources trophiques par les Invertébrés a été montrée en utilisant les méthodes des isotopes stables du carbone et de l’azote et de la composition en acides gras. L’herbier côtier, qui présente une structure complexe du fait de ses longues feuilles, de sa litière abondante et de sa forte charge en épiphytes, abrite une faune abondante et diversifiée de Crustacés. La préférence alimentaire de ces Invertébrés pour les micro-algues et les fines particules détritiques favorise la contribution du biofilm au réseau trophique de l’herbier côtier. L’herbier du large, moins complexe, abrite une communauté d’Invertébrés dominée par les Gastéropodes Cerithiidae. La limitation de la disponibilité en nourriture existant dans cet herbier explique la contribution plus élevée de la litière et des feuilles vivantes de Thalassia au réseau trophique par rapport à l’herbier côtier. Le couplage de l’analyse des isotopes stables à celle des contenus stomacaux réalisé sur les poissons a montré le rôle essentiel des Crevettes en tant que proies. L’herbier côtier, qui présente des ressources en nourriture plus abondantes et diversifiées, assure mieux son rôle de « nurserie » pour les juvéniles de poissons que l’herbier du large. / In seagrass beds, vagile epifauna plays a major role in the energy transfer from primary producers to higher trophic levels. The main aim of the work was to examine the relationship between the seagrass complexity and the vagile epifauna community structure, and to study the role of this compartment within the food web of Thalassia testudinum seagrass beds. Two seagrass sites were compared, one near the coastal mangrove and another one near the barrier reef, during two seasons. Trophic resources used by primary consumers were assessed by combining stable isotopes analysis and fatty acid compositions. The coastal seagrass bed is complex due to its long leaves and its great biomass of litter and epiphytes. It shelters a great abundance and diversity of Crustaceans. The feeding preference of them for micro-algae and detrital particles promotes biofilm contribution to food web of the coastal seagrass bed. The seagrass bed located seawards, lesser complex, harbors an Invertebrate community dominated by the Gastropods Cerithiidae. The reduced food availability in that seagrass bed explains the higher contribution of litter and Thalassia leaves to that food web compared to the coastal seagrass bed. By coupling stable isotopes and stomach contents analyses, it was possible to highlight the major role of shrimps in the feeding diet of fishes. The coastal seagrass bed, where the trophic resources are more abundant and diverse, better plays its role of nursery for juveniles fishes than the seaward seagrass bed.

Cette thèse de Doctorat examine le réseau trophique estuarien lié aux herbiers à zostères, Zostera noltii et quantifie le rôle trophique des consommateurs de la macrofaune benthique, dans deux zones intertidales de l’estuaire du Mondego, à différentes périodes de 1993 à 2008. Elle s’intéresse spécifiquement (i) à l’incorporation de l’azote issu des activités humaines, en considérant l’assimilation d’azote comme un indicateur de l’eutrophication et (ii) au rôle des zostères dans le réseau trophique benthique. Six modèles ont été développés afin d’analyser les effets, (i) d’un enrichissement en nutriments, (ii) des mesures de mitigation, et (iii) d’une inondation centennale, sur les propriétés du réseau trophique benthique estuarien. La présence de Z. noltii change peu la structure du réseau trophique planctonique, soutenu en partie par la matière organique particulaire et supporte principalement des poissons comme prédateurs. Les autres consommateurs montrent une grande variabilité de signature isotopique, ce qui suggère qu’ils peuvent changer de régime alimentaire en fonction des changements de l’environnement. En revanche, les δ13C et δ15N des producteurs et consommateurs de l’estuaire du Mondego montrent très peu de variation saisonnière, malgré une saisonnalité météorologique marquée, ainsi qu’une forte variation saisonnière des paramètres de la colonne d’eau (apports en sels nutritifs et concentration en chlorophylle a). Les modèles à l’état stable montrent enfin que la structure trophique de la communauté benthique de l’estuaire du Mondego est affectée différemment par chacun des évènements particuliers étudiés. / This dissertation examines the estuarine food web related to the eelgrass Zostera noltii and quantifies the ecological trophic role of benthic macrofauna consumers, in intertidal areas of the Mondego estuary, covering different time periods from 1993 to 2008. It specifically focuses (i) on the incorporation of the nitrogen derived from human activities, considering the N uptake as an eutrophication index, and (ii) on the role of the eelgrass in the benthic food web. In addition, six mass-balanced models were developed to assess the effects of (i) a period of nutrient enrichment, (ii) the implementation of mitigation measures, and (iii) a centenary flood, on the benthic estuarine food web properties.

Les écosystèmes côtiers présentent une forte production biologique, soutenue par une grande diversité de sources de matière organique particulaire (autochtones : phytoplancton, microphytobenthos, phanérogames marines, macroalgues, épiphytes ; allochtones : apports continentaux), pouvant contribuer à la production secondaire. La diversité de ces sources complexifie de manière considérable le fonctionnement écologique des systèmes côtiers — e.g. cycles biogéochimiques, réseaux trophiques — et en rend sa compréhension difficile.Une étude spatio-temporelle réalisée en 2009 dans le Bassin d’Arcachon, une lagune semi-fermée qui abrite le plus grand herbier à Zostera noltii d’Europe, a été menée afin d'estimer l’origine et la composition des matières organiques particulaire en suspension (MOPS) et sédimentaire (MOS) et d'appréhender le devenir des différentes sources de matière organique dans le réseau trophique macrobenthique. Cette approche quantitative a été effectuée principalement à l’aide des rapports isotopiques et élémentaires (δ15N, δ13C et C/N) et/ ou des acides grasA l’échelle annuelle et en moyenne pour les trois stations étudiées, la MOPS est composée principalement de phytoplancton (48 ± 2%) mais aussi de matériel continental (19 ± 4%) et de microphytobenthos (16 ± 2%), les macroalgues et les phanérogames ne contribuant que peu (8 ± 1% et 5 ± 1%, respectivement). Cette composition, qui présente une saisonnalité (faible contribution du phytoplancton en hiver au profit des apports continentaux), est principalement dépendante du climat (température) et de l’hydrodynamique / hydrodynamique sédimentaire (apports continentaux, remise en suspension du sédiment). A l’échelle annuelle et en moyenne pour les six stations ayant fait l’objet du suivi annuel, la MOS est composée principalement de sources benthiques (phanérogames : 23 ± 3% ; microphytobenthos : 19 ± 1% ; macroalgues : 19 ± 5%), mais également de matériel continental (27 ± 8%) et de phytoplancton (11 ± 2%). A l’échelle de l’écosystème (étude printanière) la composition de la MOS est similaire — avec toutefois une plus forte contribution du phytoplancton, au dépend de la matière continentale. Elle est géographiquement homogène, ce que semble favoriser l’hydrodynamique du bassin d’Arcachon associée à sa faible profondeur. La principale différence spatiale apparaît entre le sédiment subtidal (faible contribution des macrophytes au profit du matériel continental) et le sédiment de l’herbier intertidal. L’étude des voies de transfert trophique de la matière organique particulaire a mis en évidence une organisation trophique complexe avec l’existence de sous-groupes au sein des déposivores d’interface et des brouteurs. A l’échelle annuelle et à l’échelle du Bassin d’Arcachon, le microphytobenthos et les phanérogames (incluant leurs épiphytes) soutiennent 90% de la production macrozoobenthique. Cette production secondaire est principalement effectuée par les déposivores (60%). Une forte bactérivorie a été mise en évidence notamment chez les déposivores et chez le suspensivore invasif Crepidula fornicata. Les bactéries représentent ainsi un intermédiaire important dans le transfert de MOP des producteurs primaires vers les consommateurs primaires. Toutefois la pression trophique qu’exercent les consommateurs primaires de la macrofaune benthique sur les producteurs primaires est relativement modeste puisque le macrozoobenthos n’absorbe que 10% de la production primaire totale du système, ce qui rend cette dernière potentiellement disponible pour d’autres compartiments biologiques. Malgré cela l’herbier à Zostera noltii représente une ressource importante pour la macrofaune benthique. Dans le contexte de sa régression, une disparition de l’herbier engendrerait une diminution de la biomasse du macrozoobenthos. / Abstract

L’introduction de biodiversité végétale dans les agroécosystèmes peut modifier la structure des réseaux trophiques du sol et les fonctions écosystémiques qu’ils assurent. Cette thèse fixe les bases d’une démarche expérimentale pour sélectionner des espèces végétales à partir de différents traits fonctionnels et pour évaluer leurs effets sur les réseaux trophiques et le fonctionnement des sols. Nous avons plus particulièrement cherché à sélectionner des plantes de services pouvant induire la régulation des nématodes parasites du bananier Radopholus similis et Pratylenchus coffeae et favoriser la décomposition des matières organiques durant l’interculture dans les bananeraies antillaises. C'est-à-dire la période entre la destruction de la bananeraie et l'implantation d'une nouvelle. Au cours de ce travail, les réseaux trophiques du sol ont été appréhendés par une analyse fonctionnelle des communautés de nématodes. Une étude bibliographique nous a permis de montrer que les traits fonctionnels « statut d’hôtes » vis-à-vis des nématodes phytoparasites, « composition biochimique des litières » et « productivité primaire des espèces végétales » contribuent aux effets des plantes sur les réseaux trophiques du sol et sur les deux services écosystémiques étudiés. Nous avons donc effectué une typologie des plantes de services à partir de ces traits. Puis pour étudier les effets d’apports de litières de composition biochimique contrastée sur les communautés de nématodes du sol, nous avons sélectionné les espèces végétales Paspalum notatum, Crotalaria zanzibarica et Acacia auriculiformis dont les litières présentaient des teneurs variables en hémicellulose, cellulose, azote, et lignine. Une étude en microcosmes a montré que la composition biochimique des litières détermine les successions écologiques au sein des communautés de nématodes et stimule de manière contrastée les voies de décomposition de la matière organique dans les sols. Nous avons discuté des mécanismes de régulation des nématodes parasites du bananier induits par ces apports de litières. Nous avons également montré que la culture de ces trois espèces induit une diminution des populations de R. similis dans les sols. Enfin, nous avons évalué les effets au champ de couverts de P. notatum, de C. zanzibarica et d’un couvert associant ces deux espèces. Pour cela, nous avons cultivé ces couverts durant neuf mois avant de les détruire et de restituer leurs litières à la surface des sols. Nos résultats montrent que ces couverts végétaux influencent différemment l’abondance en nématodes phytoparasites et le potentiel infectieux du sol. Ils induisent également des régulations bottum-up et top down dans leurs communautés. Après la restitution des litières, nous avons observé de fortes abondances de nématodes liées à la décomposition des litières dans la couche de surface du sol. Celle-ci fournit les couches sous-jacentes du sol en azote minéral et favorise le développement des nématodes omnivores et prédateurs. Il en résulte la formation de communautés de nématodes structurées et diversifiées concomitantes à la réduction des populations de R. similis et P. coffeae. Ces résultats étaient plus marqués pour les couverts monospécifiques de C. zanzibarica et les couverts mixtes. Nos travaux confirment que les traits fonctionnels « statut d’hôte », « production primaire », « composition biochimique des litières » sont déterminant pour sélectionner des plantes de services pour l’interculture en bananeraies. / Increased plant diversity may alter soil food web structure and soil function in agroecosystems. This thesis sets the basis for an experimental approach in order to select some plant species in regard to several functional traits and to assess their effect on soil food web and soil functioning. We focused on cover-crops able to induce regulation of the banana parasitic nematodes Radopholus similis and Pratylenchus coffeae and to promote decomposition of organic matter during the fallow period in banana plantations in the French West Indies (FWI). We used functional analysis of nematode communities as a soil food web bio-indicator. Bibliography studies show us that “plant host status” with respect to plant-parasitic nematodes, “biochemical characteristics of litters” and “primary productivity of plants” are functional traits involved in plant species effects on soil food web and on the ecosystemics service we targeted. We therefore use those traits to perform a typology of cover-plants. Furthermore, to study the effects of litter inputs with contrasted biochemical characteristics we pick out the plant species Paspalum notatum, Crotalaria zanzibarica and Acacia auriculiformis which show differential hemicellulose, cellulose, lignin and nitrogen content. A microcosm assay shows that biochemical characteristics of litter determine ecological successions in nematode communities and promote, in a contrasted manner, the decomposition pathway of organic matter. We discussed the mechanisms of plant parasitic nematodes suppression involved by those litter inputs. We also confirm that the culture of those three plant species can diminish the population of R.similis in soils. We also assessed the effects of plant covers composed of P. notatum and C. zanzibarica and a mix of those two plant species on nematodes communities during a field trial. In order to do so, we cultivated those cover-plants during a nine months period and then destroyed them to restitute plant litter in soils surface. Our results showed that cover-plant alters differentially plant-parasitic nematodes and the infectious potential of soils. Cover-crop cultivation also induced bottom-up and top-down regulations in plant parasitic nematode communities. After litter restitution, we observed high abundance of nematodes involved in litter decomposition within the soil surface layer. The latter provides underlying soil layers with mineral nitrogen and improves omnivore and predator nematode abundances. It results in the formation of a structured and diversified nematode community concomitantly with R. similis and P. coffeae regulation in soils. We observed greater effects with the cover-crop composed of C. zanzibarica and the mix of C. zanzibarica and P. coffeae. This study confirms that the functional traits of “host status”, “biochemical composition of litter” and “primary production” of plant species are decisive in the selection of cover-crop for the fallow period in banana plantation.

Complexity science has come into the limelight in recent years as the scientific community begins to grapple with higher-order natural phenomena that cannot be fully explained via the behaviour of components at lower levels of organization. Network modeling and analysis, being a powerful tool that can capture the interconnections that embody complex behaviour, has therefore been at the forefront of complexity science. In ecology, the network paradigm is relatively young and there remain limitations in many ecological network studies, such as modeling only one type of species interaction at a time, lack of realistic network structure, or non-inclusion of community dynamics and environmental stochasticity. I introduce bioenergetic network models that bring together for the first time many of the fundamental structures and mechanisms of species interactions present in real ecological communities. I then use these models to address some outstanding questions that are relevant to understanding ecological networks at the systems level rather than at the level of subsets of interactions. Firstly, I find that realistic red-shifted environmental noise, and synchrony of species responses to noise, are associated with increased variability in ecosystem properties, with implications for predictive ecological modeling which usually assumes white noise. Next, I look at simultaneous species extinction and invasion, finding that as their individual impacts increase, their combined impact becomes decreasingly additive. In addition, the greater the impact of extinction or invasion, the lesser their reversibility via reintroduction or eradication of the species in question. For modifications of pairwise species interactions by third-party species, a phenomenon that has so far been studied one interaction at a time, I find that the many interaction modifications that occur concurrently in a community can collectively have systematic effects on total biomass and species evenness. Finally, examining a higher level of organization in the form of compartmentalized networks, I find that the relationship between intercompartment connectivity and the impacts of species decline depends considerably on network topology and whether the consumer-resource functional response is prey- or ratio-dependent. Overall, the results vary considerably across model communities with different parameterizations, underscoring the contingency and context dependence of nature that scientists and policy makers alike should no longer ignore. This work hopes to contribute to a growing multidisciplinary understanding, appreciation and management of complex systems that is fundamentally transforming the modern world and giving us insights on how to live more harmoniously within our environment.