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E. Monoury Chapitre II. Objectifs et démarche scientifique

Objectifs et démarche scientifique

II.A. Problématique et objectifs

Les ruisseaux sont composés d'une mosaïque d'habitats qui se distinguent par leur structure physique, leur composition faunistique et leur fonctionnement. Les zones de dépôt sont des habitats soumis à de faibles courants où s’accumulent les sédiments fins ainsi que la matière organique particulaire. Ces zones ont été relativement peu étudiées en comparaison des faciès d'érosion, notamment sur le plan fonctionnel.

Les ruisseaux sont des écosystèmes uniques car ils présentent de hauts niveaux d’ouverture (fort lien avec les écosystèmes adjacents), une forme linéaire (lit du cours d'eau) et d'un fonctionnement unidirectionnel (flux principalement de l'amont vers l'aval). La dynamique de ces écosystèmes entraîne une prévalence des flux de matières par rapport aux stocks. En conséquence, un enjeu majeur pour le développement de la vie dans ces systèmes réside dans la rétention des ressources. L’étude des zones de rétention apparait donc importante pour comprendre le fonctionnement des écosystèmes de ruisseau dans leur ensemble (Thompson et Lake, 2010). De plus, ces zones de dépôt présentent un courant faible et une réserve de nourriture qui en font des habitats refuges pouvant permettre une plus grande résilience de l’écosystème à la suite de perturbations hydrologiques (Lancaster et Hildrew, 1993).

La composition faunistique des ruisseaux réagit nettement aux perturbations (Resh et

al., 1988). La faune benthique étant directement impliquée dans les processus écologiques

clés (p. ex. décomposition des litières), un changement de la composition faunistique peut affecter le fonctionnement de l’écosystème (Statzner et al., 2001; Menezes et al., 2010).

La décomposition des litières est un processus fondamental dans le fonctionnement de l’écosystème ruisseau du fait que la litière végétale représente la principale ressource énergétique des ruisseaux forestiers (Vannote et al., 1980; Wallace et al., 1997). Dans les zones de dépôt, l’accumulation de litière qui résulte d’une diminution de la vitesse du courant et de la présence d’obstacles rend cet habitat très favorable à l’occurrence de ce processus et à la présence d’organismes impliqués dans ce processus (Dangles, 2002a).

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L’accumulation de sédiments fins dans les zones de dépôt entraîne un piégeage de la matière organique particulaire s’y trouvant (Speaker et al., 1984; Metzler et Smock, 1990; Eggert et al., 2012). Cette matière organique stockée peut alors être remobilisée pour les organismes décomposeurs par le processus de remaniement sédimentaire biologique (Creed et

al., 2010). Le remaniement sédimentaire induit par la faune peut également entraîner une

hétérogénéité des sédiments favorisant la diversité taxonomique et fonctionnelle des communautés benthiques (Statzner, 2012). Certains invertébrés benthiques ont déjà été identifiés comme ingénieurs de leur environnement physique dans les ruisseaux de tête de bassin (Jones et al., 1994; Statzner et al., 1996; Statzner et al., 2000; Jones et al., 2010; Statzner, 2012).

Classiquement, les ruisseaux forestiers de tête de bassin sont considérés comme peu impactés et, par conséquent, sont utilisés comme des écosystèmes de référence pour l'étude fondamentale en écologie. Dans ce contexte, la gestion forestière est le facteur principal d'hétérogénéité qui agit sur les propriétés fondamentales des zones de dépôt : sédiments, température, qualité et quantité des litières terrestres, production primaire autochtone.

II.A.2. Objectifs et organisation du travail de thèse

Le but de mon travail a donc été dans un premier temps de décrire les caractéristiques géomorphologiques et faunistiques des zones de dépôt et leurs variabilités spatio-temporelles.

Dans un second temps, je me suis attachée à évaluer la capacité de cet habitat à répondre à une perturbation de l’écosystème. Dans notre zone d’étude, les ruisseaux pris en compte ne subissent que très peu d’impacts extérieurs mis à part une gestion forestière à petite échelle. La perturbation de la ripisylve est susceptible d’engendrer des changements de flux entre forêt et ruisseau qui peuvent influencer la structure physique et la communauté de macroinvertébrés des cours d’eau. L'impact de la perturbation sur le fonctionnement de cet habitat a été estimé à travers les variations d'intensité des processus de bioturbation et de décomposition des litières.

Finalement, la mise en évidence du processus in situ de bioturbation particulaire (c.-à-d. remaniement sédimentaire) en zone de dépôt a conduit à réaliser des expérimentations en laboratoire afin de déterminer la capacité de remaniement sédimentaire de quelques

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E. Monoury Chapitre II. Objectifs et démarche scientifique

organismes caractéristiques de la zone de dépôt. Le lien entre les deux processus (décomposition des litières et remaniement sédimentaire) a également été abordé.

En résumé, cette thèse avait pour but d’apporter des éléments de réponse à 3 questions :

 quelles sont les caractéristiques physiques, chimiques et faunistiques des zones de dépôt en ruisseau forestier ? Et comment ces caractéristiques varient-elles au cours de l’année et lors de la réinitialisation de la succession forestière de la ripisylve ?

 quel est l’impact d’un changement de stade de végétation de la ripisylve sur le fonctionnement des zones de dépôt dans les cours d’eau forestiers de tête de bassin ?

 quels sont les facteurs de variabilité interspécifique du remaniement sédimentaire de surface induit par les macroinvertébrés benthiques en zone de dépôt ?

Les éléments de réponse qui ont pu être apportés lors de ce travail de thèse ont permis de valider plusieurs hypothèses quant aux facteurs biotiques et abiotiques modulant les processus de décomposition des litières et de remaniement sédimentaire dans les zones de dépôt de cours d’eau forestiers et plus généralement, l’apport de l’étude des zones de dépôt dans la compréhension de liens forêt-ruisseau. Les hypothèses ainsi que les principaux résultats qui ont conduit à leur établissement vont être présentés dans les différents chapitres de ce manuscrit :

- le chapitre III correspond à une étude de caractérisation saisonnière de l’habitat zone de dépôt des ruisseaux de tête de bassin d’un point de vue géomorphologique et biologique (communauté macrobenthique). Une partie des relations trophiques potentielles y est présentée.

- le chapitre IV présente l’approche méthodologique développée pour étudier le remaniement sédimentaire de surface dans les sédiments non-cohésifs de ruisseau. Ce chapitre a été en partie publié sous la forme de l’article "A cost-effective method to quantify biological surface sediment reworking", Hydrobiologia (De Nadaï-Monoury et al., 2013) et qui est présenté dans l’Annexe 1 de ce manuscrit. - le chapitre V analyse l’effet de la différence de canopée sur le fonctionnement de

la zone de dépôt et plus particulièrement sur les processus de décomposition des litières et de remaniement sédimentaire. Les résultats sont rapportés dans un manuscrit en cours de révision pour publication dans la revue Freshwater Biology intitulé "Forest canopy cover determines invertebrate diversity and

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ecosystem processing rates in depositional zones of forested headwater streams." et qui est présenté dans l’Annexe 2 de ce manuscrit.

- le chapitre VI regroupe une série d’expériences en laboratoire conduites pour analyser la capacité et le mode de remaniement sédimentaire de différents taxons caractéristiques des zones de dépôts et présentant des capacités de fouissage connues.

- le dernier chapitre (VII) correspond à la conclusion générale de la thèse et les perspectives de recherches découlant des travaux réalisés.

Figure II.1 Diagramme représentant les questions et les objectifs de la thèse agencés dans les différents chapitres. Les questions clés et les hypothèses testées correspondantes sont données dans les boites de dialogues de gauche et de droite, respectivement.