Using an instrumented water quality network in Morro Bay Estuary, California from 2007 to 2010 (15 min sampling frequency), this study addressed the two objectives of constructing a nitrate budget and assessing the influence of sampling frequency on water quality parameters. These two objectives led to the submission of an original report of research (Appendix A) and a note (Appendix B) to peer-reviewed journals. The first objective was to characterize the high spatial and temporal variation in physical parameters and nitrate concentrations and to construct a nitrate budget quantifying sources and sinks of nitrate from the ocean, streams, and groundwater, as well as biological processes in the Estuary. Morro Bay Estuary was found to be a non-eutrophic system and a mean net exporter of nitrate, 327.15 t yr-1. Fifty-four percent of the nitrate export was attributed to nitrate sources and internal biological processing. Nitrate loading from streams contributed 37 % to the export of nitrate (124.01 t yr-1), while groundwater nitrate loading supplied a conservative estimate of 46 % of the exported nitrate (153.92 t yr-1), with a neap tide enhancement of the discharge. Denitrification, Zostera marina, and benthic macroalgae assimilation of nitrate were the dominant internal biological processes for removal and retention, but were only 35% of the total nitrate budget. The second objective was to investigate the impact of sampling frequency and sampling location on understanding dynamics in water quality by degrading a year time series of seven parameters from three water quality monitoring stations to sampling frequencies ranging from 15 minutes to 28 days. In Morro Bay Estuary, the semi-diurnal tidal cycle was the maximum component frequency driving the variability of temperature, turbidity, and dissolved oxygen concentrations. For these parameters, asymptotes were reached and sampling frequencies greater than six hours did not explain the additional variation in the parameters sampled. Whereas, salinity, turbidity, and nitrate concentrations lacked an asymptote, and decreased sampling frequencies led to increased estimated error. Sampling water quality parameters every 28 days can lead to mean annual difference of 30 – 140 % from 15 minute sample annual mean. We recommend sampling frequencies should be selected to oversample the tidal signal to at least hourly frequencies to capture diel cycles and episodic events that contribute significantly to understanding the variability in the estuarine physical and biological dynamics.

Cette thèse visait l’étude des micro-environnements géochimiques créés par la présence de l’herbier de Zostera noltei et de son réseau racinaire dans le Bassin d’Arcachon ainsi que ses effets 1) sur l’écologie des foraminifères benthiques, un groupe d’organismes présent en grand nombre dans les sédiments et dont l’influence sur les cycles biogéochimiques reste mal connue et 2) sur les espèces chimiques et les flux benthiques associés. Pour y répondre, une stratégie multidisciplinaire a été mise en place. L’étude écologique des foraminifères benthiques à l’échelle centimétrique, conduite dans des sédiments avec et sans végétation en février et juillet 2011, a montré la présence de trois espèces majeures aux métabolismes spécifiques. L’herbier de Zostera noltei semble influencer la densité et la profondeur de vie des espèces calcaires hétérotrophe (Ammonia tepida) et mixotrophe (Haynesina germanica), présentes près de la surface des sédiments. La troisième espèce (Eggerella scabra), au métabolisme anaérobie encore inconnu, est retrouvée sur au moins 7 cm de sédiment et semble préférer le carbone organique issu de la dégradation de l’herbier. En surface, la contribution des foraminifères à la reminéralisation aérobie a été évaluée à 7 % soit 5 fois plus que lors des études précédentes dans d’autres environnements marins. La présence de l’herbier influence également la géochimie du sédiment où des structures enrichies en fer dissous et appauvries en sulfure sont observables en 2D grâce aux gels DET-DGT développés ici. Le phosphate dissous semble dépendre de la demande des zostères et est observé à forte concentration uniquement sous forme de spots. Une tranche de sédiment, prélevée en vis-à-vis du gel DET-DGT visait la réalisation de cartes de la phase solide et de la densité des foraminifères. Bien que ce travail reste inachevé, des méthodes comme la micro-fluorescence et la micro-tomographie aux rayons X donnent des perspectives prometteuses. De nouvelles voies de recherches ont ainsi été ouvertes grâce à des méthodologies innovantes combinant physiologie, écologie et géochimie. / This thesis aimed to study the geochemical microenvironments created by Zostera noltei meadows and its root system in Arcachon Basin and to evaluate the effect of these microenvironments 1) on living benthic foraminifera ecology, a group of organisms present in large densities in sediment which impact on marine biogeochemical cycles remain poorly known and 2) on the chemical species and associated benthic fluxes. To fulfill these objectives, a multidisciplinary strategy was developed. The study of benthic foraminiferal ecology at centimeter scale, conducted in sediments with or without vegetation in February and July 2011, has shown the presence of three major species with specific metabolisms. Zostera noltei meadows seem to influence the densities and the living depth of heterotrophic (Ammonia tepida) and mixotrophic (Haynesina germanica) calcareous species, present in the sediment surface. The third species (Eggerella Scabra), which anaerobic metabolism is still to discover, is found throughout the sedimentary column and seems to prefer the organic matter coming from the degradation of the seagrass. In surface sediment, the contribution of these three species to aerobic remineralization was estimated at 7%, i.e. 5 times more than the maximum rates previously recorded in marine environments. The presence of the seagrass also influences geochemistry where enriched iron and depleted sulfide structures are observable in 2D thanks to DET-DGT gels developed here. Dissolved phosphorus depended on seagrass uptake and was highly concentrated only as scattered spots. A slice of sediment, taken face to face with the DET-DGT gel, was also conducted during this study aiming to map the solid phase and foraminiferal density. Despite this work is still in progress, methods such as X-ray microfluorescence and microtomography showed promising perspectives. New research pathways have been opened through technological developments and innovative approaches combining physiology, ecology, and geochemistry.

L'influence de la diversité génétique sur la stabilité démographique des populations constitue un paradigme de l'écologie évolutive. Au sein des populations naturelles, l'étude de cette relation est complexifiée par l'influence réciproque de la stabilité sur la diversité, et leur degré d'interconnexion. Ces interrelations ont été explorées chez la plante marine Zostera marina et les coraux d'eau froide Lophelia pertusa et Madrepora oculata, des espèces partiellement clonales. Ce trait d'histoire de vie, influençant profondément la dynamique démographique et la trajectoire évolutive des espèces, a constitué le fil d'Ariane de ce travail. L'échantillonnage dans l'espace (échelle régionale) et le temps (un pas de trois ans) d'herbiers de Zostère a permis de mieux comprendre la dynamique clonale de ces plantes. L'architecture et la diversité clonale apparaissent comme la résultante de l'équilibre entre dispersion/recrutement de nuages de graines dispersées collectivement, et la compétition pour l'espace entre clones. Les perturbations affectent localement l'équilibre de l'herbier. Cette dynamique originale rend impossible l'identification des contours populationnels. En revanche, nos résultats semblent indiquer que la diversité génétique au sens strict (hétérozygotie et nombre d'allèles) des herbiers de Zostères constitue un facteur de stabilité démographique, via sa potentielle influence sur les capacités de résistance aux perturbations saisonnières. Les coraux d'eau froide, quant à eux, présentent des patrons biogéographiques en accord avec l'hypothèse d'une extinction dans le Golfe de Gascogne, lors des derniers épisodes glaciaires. Les marques visibles des activités de pêche posent la question des capacités de résilience de ces écosystèmes, qui dépendent entre autres du potentiel de dispersion de ces espèces. L'absence de structure génétique observée chez L. pertusa suggère, au moins pour cette espèce, un fort degré d'interconnexion entre les récifs, tandis que M. oculata montre davantage de structure régionale. La sensibilité de ces espèces aux variations climatiques et à la pression des activités anthropiques souligne la nécessité d'études approfondies, pour leur conservation.Les résultats obtenus pendant cette thèse permettent de mieux comprendre la dynamique populationnelle des herbiers et récifs profonds, le taux de clonalité et la connectivité des populations. Ces informations sont essentielles pour avancer vers une meilleure compréhension de la dynamique et la résistance de ces espèces structurantes, et sont donc primordiales pour la conservation de ces écosystèmes clé.

Eelgrass, Zostera marina L. (Zosteraceae), is a flowering marine plant in coastal regions in the Northern hemisphere. Apart from its significance as habitat for a diversity of marine organisms, it has been a direct resource in European and American economies, and once was a food source for people along the Pacific Coast of North America. This interdisciplinary study documented protocols and specifics of the Kwakwaka’wakw ts’áts’ayem (eelgrass) harvesting tradition in British Columbia, and how their methods of harvesting affected the remaining plants’ growth. Through interviewing 18 traditional eelgrass harvesters and participating in six harvesting sampling events, I documented the detailed protocols of the Kwakwaka’wakw eelgrass harvesting tradition. Based on the protocols of traditional ts’áts’ayem harvesting, I developed harvesting removal experiments in a dense Z. marina populations on Quadra Island (2005) and at Tsawwassen (2006) to examine the effects that traditional harvesting of eelgrass would have had on a shoot production and rhizome internode volume, within a growing season. At the Quadra site, a June treatment of between approximately 15 and 56% shoot removal corresponded with shoot regeneration above original numbers. An approximate 60% removal corresponded with the highest new shoot production after treatment, indicating the strong capacity of eelgrass meadows to promote new shoots after removal disturbance. Based on fieldwork with traditional knowledge holders, I estimate that traditionally harvesting would have been between 10-30% removal within areas the size of the experimental plots. Shoot regeneration, net shoot production and rhizome production results at the Quadra site supported the theory that a light amount of harvesting removal such that was conducted by Kwakwaka’wakw harvesters would have been within a level for full regeneration, and possibly even enhanced shoot population and rhizome production (measured by internode volume). Tsawwassen experiment treatment was applied too late in the season to show an effect of harvest, but the design provided efficient methodology for future experiments. Ecology literature substantiated many of the traditional eelgrass protocols documented in this study, strongly supporting the theory that eelgrass harvesting was a sustainable practice. Scientific literature about pollution also corroborated and explained the observations of elders on the state of today’s eelgrass: few locations yielded ts’áts’ayem fit to eat, as specimens were small, had heavy epiphytic growth and dark rhizomes that Kwakwaka’wakw consultants had not seen in their youth. The combination of traditional ecological knowledge and scientific inquiry holds much potential for providing a better understanding of eelgrass ecology and dynamics, and for defining concepts of sustainability and conservation of this important resource.

Les zones côtières ne sont prises en compte dans les budgets globaux de CO2 atmosphérique que depuis peu. Il s’avère que bien qu’elles ne représentent globalement que de faibles superficies, les flux de carbone et de nutriments y sont très significatifs à l’échelle globale. On sait peu de chose sur le comportement des écosystèmes lagunaires vis-à-vis du CO2 et, encore moins des zones intertidales où les échanges avec l’atmosphère ont lieu alternativement avec l’eau et le sédiment. Les objectifs de cette étude ont été d’une part, d’établir le bilan de carbone échangé entre la lagune d’Arcachon, l’atmosphère et le milieu terrestre, et d’autre part de mettre en relation ces flux avec la production nette de l’écosystème (NEP) afin de mieux caractériser le statut métabolique de celle-ci ainsi que les facteurs environnementaux clés. Pour cela, nous avons mis en place pour la première fois et à différentes saisons et stations, des mesures directes de flux de CO2 par Eddy Corrélation, une méthode fonctionnant en continu pendant l’immersion et l’émersion. En parallèle, les apports de carbone terrestre sous ses différentes formes ont été quantifiés par un suivi annuel sur 9 rivières alimentant la lagune. L’export total de carbone par le bassin versant à travers les eaux de surface des rivières est estimé à 116 t C km-2 an-1 dont 39% est exporté à la lagune sous forme organique dissoute (DOC) du fait de la prédominance de podzols dans le bassin versant. La forte minéralisation de la matière organique terrestre dans les sols et eaux souterraines sursature largement les eaux en CO2 et l’export sous forme de carbone inorganique dissoute (DIC) représente environ 21%. La formulation d’un modèle mathématique, le « StreamCO2-DEGAS », basé sur les mesures de pCO2, de concentrations et de compositions isotopiques en DIC a permis de montrer que 43% de l’export total de carbone était dégazé sous forme de CO2 depuis les rivières vers l’atmosphère, réduisant alors le flux net entrant dans la lagune à 66 t C km-2 an-1. Concernant la mesure de flux verticaux, l’analyse cospectrale ainsi que les résultats obtenus en adéquation avec les contrôles physiques et biologiques aux différentes échelles tidale, diurne et saisonnières, ont permis de valider la méthode de l’Eddy Covariance en zone intertidale. Sur l’ensemble de la période de mesures, les flux de CO2 étaient faibles, variant entre -13 et 19 µmol m-2 s-1. Des puits de CO2 atmosphérique à marée basse le jour ont été systématiquement observés. Au contraire, pendant l’immersion et à marée basse la nuit, des flux positifs ou négatifs ou proche de zéro ont été observés suivant la saison et la station étudiées. L’analyse concomitante des flux de CO2 et des images satellites du platier à marée basse le jour a clairement permis de discriminer l’importance relative des deux cycles métaboliques distincts des principaux producteurs primaires avec (1) les herbiers de Zostera noltii à cycle annuel long, dominant la NEP en été et en automne à la station la plus centrale et (2) les communautés microphytobenthiques, dominant la production primaire brute (PPB) au printemps à la même station et en automne au fond du bassin. Un recyclage rapide de cette production durant l’immersion et l’émersion a aussi clairement été mis évidence. Au vue des différents résultats, la technique d’Eddy Covariance utilisée en zone intertidale laisse envisager d’intéressantes perspectives en termes de connaissances sur les budgets de carbone et les processus écologiques et biogéochimiques dans la zone côtière. / The coastal zone is only taken into account since recently in global carbon budgeting efforts. Although covering globally modest surface areas, carbon and nutrient fluxes in the coastal zone appear significant at the global scale. However, little is known about the CO2 behaviour in lagoons and even less in intertidal zones where exchanges with the atmosphere occur alternatively with the water and the sediment. The purposes of this work are, on one hand, to establish the carbon budget between the Arcachon lagoon, the atmosphere and the terrestrial watershed and on the other hand, to link these fluxes with the net ecosystem production (NEP) and better characterize its metabolic status along with the relevant environmental factors. For the first time, CO2 flux measurements by Eddy Correlation have been carried out at different seasons and stations in the tidal flat. In parallel, the total terrestrial carbon export from river waters has been quantified throughout a complete hydrological cycle in nine watercourses flowing into the lagoon. The total carbon export from the watershed through surface river waters is estimated at 116 t C km-2 yr-1 on which 39% is exported to the lagoon as dissolved organic carbon (DOC) owing to the predominance of podzols in the watershed. Intense organic matter mineralization in soils and groundwaters largely over-saturate river waters in CO2 on which export accounts for 21% as dissolved inorganic carbon (DIC). The mathematical “StreamCO2-DEGAS” model formulation based on water pCO2, DIC concentrations and isotopic composition measurements permits to show that 43% of the total carbon export was degassed as CO2 from the riverine surface waters to the atmosphere, lowering then this latter to 66 t C km-2 yr-1. With respect to the CO2 flux measurements in the lagoon, cospectral analysis and the well accordance of results with physical and biological controls at the tidal, diurnal and seasonal time scales permit to validate the Eddy Correlation technique over tidal coastal zone. CO2 fluxes with the atmosphere, during each period, were generally weak and ranged between -13 and 19 µmol m-2 s-1. Low tide and daytime conditions were always characterized by an uptake of atmospheric CO2. In contrast, during the immersion and during low tide at night, CO2 fluxes where either positive or negative, or close to zero, depending on the season and the site. The concomitant analysis of CO2 fluxes with satellite images of the lagoon at low tide during the day clearly discriminate the relative importance of the two distinct metabolic carbon cycling involving the main primary producers, i.e. (1) the Zostera noltii seagrass meadow predominance on the NEP in autumn and summer in the more central station, with an annual cycling and (2) the microphytobenthos community predominance on the gross primary production (GPP) in spring at the same station and in autumn in the inner part of the bay where a rapid carbon cycling during the immersion and the emersion was clearly highlighted. The different results obtained with the Eddy Correlation technique over tidal flats opens interesting perspectives on the knowledge of the carbon budget and the biogeochemical and ecological processes within the coastal zone.