Le recours à des épandages d'amendements calco-magnésiens dans les forêts acidifiées peut représenter une alternative intéressante pour corriger l'acidification des sols et la perte d'éléments nutritifs engendrés par des décennies de dépôts atmosphériques acides. Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse sont d'évaluer les effets d'amendements calco-magnésiens sur (i) la diversité taxonomique et la structure des communautés des macroinvertébrés de sol forestier et sur (ii) deux processus fonctionnels associés notamment à l'activité des vers de terre, tels que la structuration du sol et l'évolution des humus. Au cours de nos travaux, trois sites localisés dans les Vosges (nord-est, France) ont été étudiés : deux massifs forestiers (sur grès et granite) en moyenne montagne, ayant fait l'objet d'amendements aériens en 2003 et la forêt domaniale de Humont située dans les collines sous-vosgiennes, où des amendements en 1991 et 2008 ont été réalisés. Les résultats montrent que 4 ans après amendement sur les bassins versants en moyenne montagne, l'abondance totale de la communauté de macrofaune a diminué, alors que les richesses spécifiques sont similaires. Cependant, la composition des communautés diffère avec moins de 50 % d'espèces communes aux sites amendés et témoins. Une diminution de l'abondance des prédateurs a également été observée alors que la plupart des détritivores ont été favorisés par l'amendement. Les études in vitro montrent également son effet positif sur les activités de structuration du sol par les vers de terre (production de turricules et construction de galeries). En forêt de Humont, les amendements ont eu un effet majeur à moyen terme (4 ans) et à long terme (20 ans) sur la population d'Aporrectodea velox, espèce endémique des Vosges. De part sa biomasse importante, cette augmentation de densité favorise l'amélioration des caractéristiques physico-chimiques du sol forestier tels que la structuration des sols et la morphologie des humus. / The use of liming (Ca-Mg) on acidified forest can be interesting to counteract soil acidification and loss of nutrients caused by decades of acid atmospheric deposition. In this context, the aims of this work were to assess liming effect on (i) taxonomical diversity and community structure of soil macro-invertebrates and on (ii) two associated functional processes related to earthworms: soil structuration and humus evolution. The PhD project was realised in three sites from the Vosges mountains (North-eastern, France): two forest mountain catchments (one lying on sandstone and the other on granite) limed in 2003 and the public hill forest of Humont at a lower altitude limed in 1991 and 2008. Results showed that 4 years after liming in mountain forest, the total abundance of macro-invertebrates decreased, while the species richness were similar. However, the community structure strongly differed, and less than 50% of the species were common to limed and control sites. Moreover, 43 species appeared to be indicators of liming. Predator taxa abundance decreased whereas the detritivorous were favoured by lime addition. The in vitro experiments showed a positive effect of liming on soil structuration by earthworm activities (cast production and burrowing activities). In the Humont forest, liming at medium-term (4 years) and long term (20 years) have an important effect on the Aporrectodea velox population, an endemic vosgian species. Related to its high biomass, this increase strongly improved soil physicochemical parameters such as soil structure and humus morphology.

Le Rhin a subi d’importantes modifications qui ont altéré la biodiversité de l’ensemble de la plaine alluviale. Des actions de restauration ont été initiées pour lui redonner une part de son fonctionnement hydromorphologique naturel. Le travail de thèse a consisté à évaluer les effets de ces restaurations et à mettre en évidence les processus mis en jeu dans les changements de la biocénose des milieux restaurés. Les résultats ont démontré que les communautés biologiques sont non seulement gouvernées par les modifications physiques post-restauration mais aussi par l’influence discrète de déterminants externes à la restauration tels que les invasions biologiques ou la dynamique interne du fleuve. L’aspect transitoire des bénéfices obtenus a été souligné comme la principale limite de l’injection sédimentaire alors que les épis transversaux artificiels mis en place dans le cadre d’un essai d’érosion maitrisée se sont révélés être les facteurs de durabilité des effets écologiques. / The Rhine River has undergone major engineering works that led to severe alterations which helped to alter the biodiversity of the entire floodplain. Restoration actions have been initiated to give it back a part of its natural hydro morphological functioning. The thesis consisted in evaluating the effects of these restorations and in highlighting the mechanisms and processes involved in biocoenosis changes of the restored environments. The results also showed that the post-restoration biological community is not only defined by post-restoration physical changes but also by the discrete influence of external determinants of restoration such as biological invasions or the internal dynamics of the river. The transitional aspect of the benefits incurred has been identified as the main limit of the gravel augmentation, while the implementation of transverse artificial groynes in the controlled bank erosion has proved to be factors of sustainability of the ecological effects.

Les zones de dépôts des ruisseaux de tête de bassin abritent des communautés macrobenthiques diversifiées. Les caractéristiques physiques de ces habitats permettent l'établissement d'un réseau trophique complexe. De fortes variations saisonnières de ces communautés ont été observées dans les ruisseaux de la Montagne Noire. Le fonctionnement écologique de ces habitats a été étudié via la décomposition des litières et la bioturbation. L'intensité de ces deux processus est régulée par les assemblages d'invertébrés spécialisés : les déchiqueteurs et les remanieurs. Une méthode de quantification du remaniement sédimentaire de surface a été développée permettant l'étude de ce processus dans les ruisseaux. Il existe de fortes différences interspécifiques dans la capacité et le mode de bioturbation chez les remanieurs des ruisseaux. Ce travail contribue à améliorer les connaissances relatives au contrôle biotique sur le fonctionnement écologiques des ruisseaux.

Les effets du changement climatique sur la biodiversité à l'échelle du globe sont maintenant sans équivoque. Parmi les écosystèmes affectés, les cours d'eau sont particulièrement vulnérables aux fluctuations du climat. Les modifications de structure et de composition des communautés aquatiques constituent alors un signal intégrateur des réponses écologiques à ces changements climatiques. Dans certaines circonstances, ce signal peut également être exacerbé, modéré ou potentiellement masqué par d'autres variations abiotiques.L'objectif de ce travail de thèse était donc d'évaluer l'effet relatif de différents facteurs de forçage sur les tendances d'évolution à long-terme des communautés de macroinvertébrés benthiques de grands cours d'eau, dans un contexte de changement climatique global. Nos investigations ont ciblé plus spécifiquement la Loire moyenne car, en tant que grande rivière de plaine, elle est particulièrement concernée par les problèmes liés aux stress multiples. En ce qui concerne le choix du compartiment biologique, la faune benthique a été sélectionnée pour son intérêt reconnu en bioévaluation des cours d'eau, notamment grâce à une grande diversité de réponses potentielles aux perturbations environnementales et à un certain nombre d'avantages méthodologiques.Dans un premier temps, nous nous sommes appliqués à caractériser les modifications temporelles de dix paramètres abiotiques majeurs sur trois décennies (1977-2008). Nous avons notamment mis en évidence le réchauffement graduel de la Loire (c. +1,2°C en moyenne annuelle sur les trois décades), couplé à une réduction significative du débit moyen (c. -25%), les deux tendances étant exacerbées en période chaude (mai-août). Dans le même temps, alors que ces modifications étaient susceptibles de provoquer une augmentation du niveau trophique du fleuve, nous avons souligné l'existence d'un effet confondant de l'amélioration des traitements d'épuration (i.e. réduction des apports en phosphore), se traduisant principalement par la baisse des concentrations en phosphates et la limitation des organismes phytoplanctoniques.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux réponses structurelles et fonctionnelles long-terme (i.e. 30 ans) des invertébrés de la Loire à ces deux évolutions concomitantes majeures. En premier lieu, nous avons constaté que le réchauffement et, dans une moindre mesure, la réduction du débit sont impliqués dans la disparition ou le déclin progressif de taxons rhéophiles et psychrophiles (e.g. Chloroperlidae). En parallèle, ces modifications hydroclimatiques expliquent une majeure partie de l'apparition et de la colonisation de taxons limnophiles et thermophiles, comprenant certaines espèces invasives (e.g. Corbicula sp.). En termes de réponses fonctionnelles, ces changements s'illustrent par une évolution adaptative des profils de traits biologiques cohérente avec les prédictions a priori qu'il est possible de faire dans un cadre théorique. Toutefois, cette dérive progressive vers un assemblage généraliste et polluotolérant est partiellement confondue par l'amélioration de la qualité d'eau, qui explique l'apparition de nouveaux taxons polluo-sensibles lors des dernières années (e.g. Philopotamidae). Bien qu'aucune résilience taxonomique ou fonctionnelle ne soit constatée, cette tendance se manifeste, via les traits biologiques, par un transfert probable des ressources trophiques depuis les organismes phytoplanctoniques vers des biofilms épibenthiques et des macrophytes.Pour finir, nous avons exploré la variabilité spatiale multi-sites de ces tendances biotiques et abiotiques et montré que l'ensemble de ces résultats, qui corrobore déjà un certain nombre d'observations en Europe, constitue également un patron homogène le long de la Loire moyenne (sur près de 300 km) et entre différents hydrosystèmes (e.g. Loire, Seine, Meuse).

Les forêts néotropicales accueillent une importante biodiversité encore méconnue. L’intégrité des écosystèmes naturels est menacée par les changements environnementaux (e.g., réchauffement climatique, destruction des habitats), par conséquent, identifier les facteurs structurants, naturels et anthropiques, du fonctionnement des écosystèmes, représente un défi scientifique crucial. L’inhérente complexité de ces milieux diversifiés pose de nombreux problèmes conceptuels et logistiques comme un échantillonnage exhaustif et/ou l’identification des espèces. Les broméliacées à réservoirs sont des écosystèmes miniatures adéquats pour pallier ces difficultés, car elles retiennent de l’eau de pluie et accumulent de la matière organique au creux de leurs feuilles, permettant ainsi de supporter des réseaux trophiques simples d’invertébrés aquatiques. Elles peuvent être échantillonnées exhaustivement, ont une forte abondance locale, et une large aire de répartition. De l’échelle locale à biogéographique, les travaux de cette thèse visent d’abord à comprendre comment ces communautés se structurent en réponse à l’hétérogénéité naturelle des forêts amazoniennes (e.g., ouverture de la canopée, fluctuations climatiques saisonnières), puis tente de prédire, par le biais d’expérimentations in situ et au laboratoire les réponses structurelles et fonctionnelles de ces communautés à divers scénarios de changement climatique. Une attention particulière a été portée sur l’impact de la température et des précipitations sur la physiologie et le comportement d’espèces clefs, et sur les interactions trophiques au sein des communautés. / Neotropical forests shelter an astonishing and underrated biodiversity. The integrity and stability of these natural ecosystems are threatened by human-induced environmental changes. Therefore, highlighting the determinants of ecosystem functioning, be they natural or anthropogenic, is a daunting but paramount scientific challenge. The intrinsic complexity of highly diversified ecosystems arouses both conceptual and logistical difficulties, which we handle, by manipulating tiny ecosystems, the tank bromeliads. The leaves of tank bromeliads form wells that hold rainwater and intercept leaf litter, allowing for a simple invertebrate aquatic community to thrive. These plants can be exhaustively sampled, are naturally replicated, and widely distributed.From local to biogeographic scales, this thesis aims at understanding how these communities respond to the natural heterogeneity of Amazonian forests, and at predicting the impacts of human-induced disturbances on the structure and functioning of these communities, using in situ and lab experiments. Particular focus is attributed to the influence of some aspects of climate changes (e.g., warming, and various precipitations scenarios) on individual physiology, behavior, and trophic interactions.

Les effets du changement climatique sur la biodiversité à l’échelle du globe sont maintenant sans équivoque. Parmi les écosystèmes affectés, les cours d’eau sont particulièrement vulnérables aux fluctuations du climat. Les modifications de structure et de composition des communautés aquatiques constituent alors un signal intégrateur des réponses écologiques à ces changements climatiques. Dans certaines circonstances, ce signal peut également être exacerbé, modéré ou potentiellement masqué par d’autres variations abiotiques.L’objectif de ce travail de thèse était donc d’évaluer l’effet relatif de différents facteurs de forçage sur les tendances d’évolution à long-terme des communautés de macroinvertébrés benthiques de grands cours d’eau, dans un contexte de changement climatique global. Nos investigations ont ciblé plus spécifiquement la Loire moyenne car, en tant que grande rivière de plaine, elle est particulièrement concernée par les problèmes liés aux stress multiples. En ce qui concerne le choix du compartiment biologique, la faune benthique a été sélectionnée pour son intérêt reconnu en bioévaluation des cours d’eau, notamment grâce à une grande diversité de réponses potentielles aux perturbations environnementales et à un certain nombre d’avantages méthodologiques.Dans un premier temps, nous nous sommes appliqués à caractériser les modifications temporelles de dix paramètres abiotiques majeurs sur trois décennies (1977-2008). Nous avons notamment mis en évidence le réchauffement graduel de la Loire (c. +1,2°C en moyenne annuelle sur les trois décades), couplé à une réduction significative du débit moyen (c. -25%), les deux tendances étant exacerbées en période chaude (mai-août). Dans le même temps, alors que ces modifications étaient susceptibles de provoquer une augmentation du niveau trophique du fleuve, nous avons souligné l’existence d’un effet confondant de l’amélioration des traitements d’épuration (i.e. réduction des apports en phosphore), se traduisant principalement par la baisse des concentrations en phosphates et la limitation des organismes phytoplanctoniques.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux réponses structurelles et fonctionnelles long-terme (i.e. 30 ans) des invertébrés de la Loire à ces deux évolutions concomitantes majeures. En premier lieu, nous avons constaté que le réchauffement et, dans une moindre mesure, la réduction du débit sont impliqués dans la disparition ou le déclin progressif de taxons rhéophiles et psychrophiles (e.g. Chloroperlidae). En parallèle, ces modifications hydroclimatiques expliquent une majeure partie de l’apparition et de la colonisation de taxons limnophiles et thermophiles, comprenant certaines espèces invasives (e.g. Corbicula sp.). En termes de réponses fonctionnelles, ces changements s’illustrent par une évolution adaptative des profils de traits biologiques cohérente avec les prédictions a priori qu’il est possible de faire dans un cadre théorique. Toutefois, cette dérive progressive vers un assemblage généraliste et polluotolérant est partiellement confondue par l’amélioration de la qualité d’eau, qui explique l’apparition de nouveaux taxons polluo-sensibles lors des dernières années (e.g. Philopotamidae). Bien qu’aucune résilience taxonomique ou fonctionnelle ne soit constatée, cette tendance se manifeste, via les traits biologiques, par un transfert probable des ressources trophiques depuis les organismes phytoplanctoniques vers des biofilms épibenthiques et des macrophytes.Pour finir, nous avons exploré la variabilité spatiale multi-sites de ces tendances biotiques et abiotiques et montré que l’ensemble de ces résultats, qui corrobore déjà un certain nombre d’observations en Europe, constitue également un patron homogène le long de la Loire moyenne (sur près de 300 km) et entre différents hydrosystèmes (e.g. Loire, Seine, Meuse). / Evidence for climate change effects on biodiversity at global scale is now unequivocal. Among impaired ecosystems, running waters are particularly vulnerable to climate fluctuations. Changes in aquatic community structure and composition are then considered as integrative signals of the ecological responses to these climate changes. Under certain circumstances, these signals can be also exacerbated, confounded or potentially obscured by other abiotic variations.Therefore, the aim of this PhD was to assess the relative effect of different drivers on longterm trends in benthic macroinvertebrate communities, in the context of global climate change. Our investigations were focused more precisely on the Middle Loire River since, as lowland large river, it is particularly concerned by the potential impact of multiple stressors. Regarding the choice of the biological model, benthic fauna has been selected according to its acknowledged interest in bioassessment of running waters, especially thanks to a great diversity of potential responses to environmental disturbances and a number of methodological advantages.First, we investigated the temporal changes of ten major abiotic parameters over three decades (1977-2008). We highlighted the gradual warming of the Loire River (c. +1.2°C in the mean annual temperature over the three decades), coupled with a significant drop in mean discharge (c. -25%), both trends being exacerbated during the warm period (May-August). In the same time, although these changes were expected to induce a rise in the trophic level of the river, we emphasized a confounding effect of the wastewater treatment improvement (i.e. phosphorus input reduction), leading mainly to a drop in phosphate concentrations and a phytoplankton limitation.Second, we assessed the long-term structural and functional responses (i.e. over a 30-year period) of invertebrates of the Loire River to both major concomitant trends. On the one hand, we highlighted that water warming and to a lesser extent discharge reduction were significantly involved in the disappearance or decrease in rheophilic and psychrophilic taxa (e.g. Chloroperlidae). On the other hand, they explained also a major part of the appearance and increase of limnophilic and thermophilic taxa, including invasive species (e.g. Corbicula sp.). In terms of functional responses, these changes were illustrated by an adaptive evolution of the biological trait profiles in agreement with a priori predictions that is possible to make in a theoretical framework. However, this shift towards a generalist and pollution tolerant assemblage was partially confounded by improvement in water quality, explaining the settlement of new pollution-sensitive taxa during the last years (e.g. Philopotamidae). Although no taxonomic or functional resilience was observed, this trend was translated, via biological traits, into a probable transfer of trophic resources from phytoplankton to periphytic biofilms and macrophytes.Finally, we explored the multi-site spatial variability of these biotic and abiotic trends and we showed that our results as a whole, which supported already a number of observations in Europe, exhibited also a strong homogeneous pattern along the Middle Loire River (on nearly 300 km) and among different hydrosystems (e.g. Loire, Seine, Meuse).