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Les impacts des changements climatiques en Arctique sont de plus en plus présents et affectent davantage les écosystèmes marins. De plus, la fonte des glaces ouvre de nouvelles routes maritimes telles que le passage du Nord-Ouest dans la région marine du Kitikmeot. Ces problématiques croissantes soulèvent des préoccupations quant à l’état des organismes benthiques vivant dans cette région où peu d’études ont été menées. Les invertébrés benthiques sont primordiaux dans le recyclage des nutriments, l’oxygénation et la décomposition dans les sédiments et sont de très bons indicateurs de changement. Ce projet a comme objectif d’explorer et d’évaluer quels sont les paramètres environnementaux influents et de modéliser les assemblages d’espèces benthiques dans la région du Kitikmeot et le chenal de Parry dans l’Arctique canadien. Pour ce faire, plusieurs échantillons provenant d’un chalut Agassiz (épibenthos) et d’un carottier à boîte (endobenthos) ont été récoltés à bord du NGCC Amundsen de 2010 à 2018. En outre, 19 variables environnementales ont été considérées lors des analyses statistiques. Nous avons observé que l’endofaune est dominée par les annélides (principalement les polychètes) tandis que l’épifaune par les arthropodes. Les résultats démontrent aussi que les différents types de communautés benthiques se succèdent un après l’autre formant ainsi une zone de transition (écotone) entre la mer de Beaufort et la baie de Baffin. Les eaux qui ont comme origine l’océan Pacifique ont une influence majeure sur la distribution et la composition des communautés. Il en est de même pour les apports d’eaux douces d’origine terrestre. Ce sont deux paramètres qui sont actuellement de plus en plus présents en Arctique, ce qui laisse présager d’importants changements dans la distribution des communautés dans l’Archipel canadien central pour les années à venir. De plus, deux autres facteurs explicatifs de la composition taxonomique sont la profondeur et la concentration de pigments associés à la production primaire locale. Cette étude a aussi démontré que la profondeur, l’oxygène ainsi que le ratio N/P sont les paramètres ayant le plus d’influence sur le nombre de taxons retrouvé. Elle a aussi permis de modéliser la répartition de la diversité benthique pour la première fois dans l’Archipel canadien. De tels modèles peuvent ensuite servir dans une optique de gestion d’aires marines. / The impacts of climate change in the Arctic are increasingly present and affect marine ecosystems. In addition, the associated sea ice melt opens up new shipping routes such as the Northwest Passage in the Kitikmeot marine region. These growing issues raise concerns about the state of benthic organisms living in this region where few studies have been carried out. Benthic invertebrates are essential in nutrient recycling, oxygenation and de composition in sediments and are very good indicators of change. The objective of this project is to exploreand assess the influential environmental parameters and model benthic species assemblage distributions in the Kitikmeot region and Parry Channel in the Canadian Arctic. For this, a number of samples from an Agassiz trawl (epifauna) and a box corer (infauna) were collected on board the CCGS Amundsen between 2010 and 2018. In addition, 19 environmental variables were considered for the statistical analyses. It was observed that infauna is dominated by annelids (mainly polychaetes) and epifauna by arthropods. The results also show that the different types of benthic communities succeed one another, thus forming a transition zone (ecotone) between the Beaufort Sea and Baffin Bay. Waters originating from the Pacific Ocean have a major influence on the distribution and composition of communities, as do freshwater inputs from land. These are two parameters whose volumes are currently increasing in the Arctic, which suggests significant changes in the distributionof communities in the central Canadian Archipel ago for years to come. Moreover, two other significant factors explaining the taxonomic composition are the depth and the pigment concentrations associated with local primary production. This study also demonstrated that depth, oxygen and N/P ratio are the parameters having the most influence on the number of taxa found. Moreover, it is the first time the distribution of benthic diversity is modeled inthe Canadian Archipelago. The models developed here can be used by decision makers forspatial marine management purposes.

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L’océan Arctique est une des régions les plus touchées par les changements climatiques. Une importante augmentation de la température de ses eaux de surfaces et des précipitations y est attendue, entrainant une perte significative du couvert de glace et une augmentation des activités humaines. Causant des effets sur les paramètres physico-chimiques, ces changements devraient directement affecter les producteurs primaires (algues de glace et phytoplancton), et de ce fait limiter l’apport de matière organique vers les fonds marins. Il est ainsi admis que les changements climatiques affecteraient la distribution, la diversité et l’abondance des communautés benthiques, en raison de leur impact sur les paramètres environnementaux (couplage pélago-benthique et paramètres physico-chimiques), mais également sur les services et fonctions écosystémiques (par exemple la reminéralisation benthique). La diminution de l’étendue et de l’épaisseur de la glace de mer, la désalinisation des eaux de surface ou bien encore l’augmentation du trafic maritime dans les régions de la Baie d’Hudson et de l’est de l’Arctique Canadien, sont susceptibles d’être à l’origine de grands changements dans la structure des communautés benthiques et des habitats à structures biogéniques. Les impacts des changements climatiques sur les écosystèmes benthiques arctiques étant jusqu’alors peu connus, les objectifs de cette thèse étaient de i) d’apporter une description plus complète et actualisée de la diversité et la distribution spatiale des communautés benthiques dans le complexe de la Baie d’Hudson ; ii) de comprendre les effets des changements climatiques sur la biodiversité et le fonctionnement des écosystèmes benthiques; et iii) d’enrichir les connaissances des écosystèmes benthiques et d’appuyer la désignation de zones d’intérêt écologique et biologique ainsi que des aires marines protégées. Les travaux réalisés pendant cette thèse nous ont permis de i) mettre à jour les données épibenthiques dans le complexe de la Baie d’Hudson ; ii) aider les gestionnaires dans la mise en place de zones d’importance écologique et biologique ainsi que de zones d’intérêts pour une future désignation d’aires marines protégées; et iii) mettre en évidence l’importance des coraux de bambous en milieu profond sur le fonctionnement de l’écosystème benthique. Un total de 380 taxa a été dénombré dans 46 stations à travers le complexe de la Baie d’Hudson. Malgré une relativement faible couverture spatiale de notre échantillonnage, nous avons été en mesure d’estimer que ce recensement représentait 71 % des taxons présents dans le complexe de la Baie d’Hudson. Nous avons montré que la biomasse, l’abondance, la diversité ainsi que la distribution spatiale des communautés épibenthiques étaient fortement influencées par le substrat, la salinité, les ressources alimentaires et la couverture de glace. Nous avons aussi pu démontrer que la faible diversité, abondance et biomasse des communautés observées près des côtes étaient causées par les importants écoulements d’eaux douces. À l’inverse, les données récoltées dans les polynies situées plus au large montrent un fort couplage pélago-benthique se traduisant par une forte productivité en termes de biomasse, d’abondance et de diversité. L’utilisation d’un modèle de distribution des communautés a permis de démontrer l’importance de la présence de glace et indirectement des algues de glace associées à cet habitat sur les communautés épibenthiques occupant le centre de la Baie d’Hudson. La projection des communautés sous un scénario climatique RCP4.5 a révélé que le centre de la Baie ressortait, potentiellement, comme étant la zone la plus vulnérable aux changements climatiques puisqu’une perte de diversité liée à la diminution de la glace de mer est attendue. À l’inverse, les zones côtières pourraient possiblement servir de refuges en augmentant la diversité. En outre, notre étude a montré que la présence des structures biogéniques telles que les coraux bambous, dans les habitats profonds, améliore le piégeage des particules de matière organique menant à une plus forte densité d’espèces endofauniques dans ces milieux comparativement à des sédiments nus. Cet effet a également été constaté dans la reminéralisation benthique où les sédiments des structures biogéniques agissaient comme source de nitrates et d’ammonium. En revanche, nos travaux n’ont pu démontrer ces effets dans un habitat moins profond hébergeant des éponges. En générant de nouvelles connaissances sur la répartition actuelle et future des communautés épibenthiques du complexe de la Baie d’Hudson ainsi que sur le fonctionnement de l’écosystème benthique dans les habitats à structures biogéniques, les résultats de cette thèse contribueront à désigner des zones d’importance écologique et biologique ainsi qu’à la mise en place d’aires marines protégées et de stratégies de conservation de la biodiversité arctique. / The Arctic Ocean is emerging as one of the regions that is most affected by climate change. A significant increase in precipitation and sea surface water temperatures are expected and will undeniably lead to a significant loss of sea ice cover. Because of their effects on physicochemical parameters, these changes are expected to directly impact the surface primary producers (sea ice algae and phytoplankton), thereby limiting organic matter input towards the seafloor. It is thus commonly accepted that climate change will affect the distribution, diversity and abundance of benthic communities, due to its impact on environmental parameters (pelagic-benthic coupling and physicochemical parameters), and on ecosystem services and functions (e.g., benthic remineralization). As a consequence, the decrease in sea ice cover, the desalination of the surface layer or the increase in shipping traffic in the Hudson Bay Complex and in the eastern Canadian Arctic will likely lead to major changes in benthic community structure and biogenic structural habitats. In this context and since the impacts of climate change on benthic arctic ecosystems were still poorly understood, the objectives of this thesis were to i) describe the diversity and distribution of epibenthic communities in the Hudson Bay Complex and ii) understand the effects of climate change on biodiversity and benthic ecosystem functioning. The outcomes of this thesis allowed us to i) provide the most recent survey on epibenthic organisms in the Hudson Bay Complex and their relationships with environmental variables; ii) identify diversity hotspots sensitive to climate change; and iii) document and compare benthic biodiversity and fluxes within biogenic structures and adjacent bare sediments in the Canadian Arctic. A total of 380 taxa have been identified from 46 stations sampled across the Hudson Bay Complex. Despite the relatively low spatial coverage of our sampling, we estimated that our survey represented 71% of the taxa present in the Hudson Bay Complex. We showed that biomass, abundance, diversity and spatial distribution of epibenthic communities were strongly influenced by substrate, salinity, food supply and sea ice cover. We also showed that freshwater inputs were responsible for the lowest biomass, abundance and diversity observed along the coasts. In contrast, data collected from polynyas, further offshore, showed strong pelagic-benthic coupling resulting in high productivity in terms of biomass, abundance and diversity. Moreover, hierarchical modelling of species communities highlighted the influence of sea ice and indirectly of sea ice algae on the epibenthic communities occupying the central Hudson Bay. Projections of the structure of epibenthic communities under a RCP4.5 climate scenario revealed that the central Hudson Bay emerges as the most vulnerable area to climate change with a future diversity loss related to the decrease of sea ice. On the contrary, it would appear that coastal areas will serve as refuges and increase the diversity. In addition, our study showed that the presence of biogenic structures in deep habitats improved the trapping of organic matter, leading to a higher density of infauna in these environments compared to bare sediments. Their presence has also been found to enhance sediment nutrient release in the form of nitrates and ammonium. However, our study could not demonstrate these effects in a shallower sponge habitat. By providing new knowledge on the current and future distribution of epibenthic communities in the Hudson Bay Complex and the benthic ecosystem functioning in habitats with biogenic structures, results obtained during this thesis will contribute to the designation of Ecologically and Biologically Significant Areas, as well as to the establishment of Marine Protected Areas and conservation strategies in the Arctic Ocean.

published_or_final_version / Zoology / Doctoral / Doctor of Philosophy

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Thesis (Ph.D.)--Australian National University, 2003.