Insights Into the Biogeochemical Cycling of Iron, Nitrate, and Phosphate Across a 5,300 km South Pacific Zonal Section (153°E–150°W)

Iron, phosphate and nitrate are essential nutrients for phytoplankton growth and hence their supply into the surface ocean controls oceanic primary production. Here, we present a GEOTRACES zonal section (GP13; 30-33oS, 153oE-150oW) extending eastwards from Australia to the oligotrophic South Pacific Ocean gyre outlining the concentrations of these key nutrients. Surface dissolved iron concentrations are elevated at >0.4 nmol L-1 near continental Australia (west of 165°E) and decreased eastward to ≤0.2 nmol L-1 (170oW-150oW). The supply of dissolved iron into the upper ocean (<100m) from the atmosphere and vertical diffusivity averaged 11 ±10 nmol m-2 d-1. In the remote South Pacific Ocean (170oW-150oW) atmospherically sourced iron is a significant contributor to the surface dissolved iron pool with average supply contribution of 23 ± 17% (range 3% to 55%). Surface-water nitrate concentrations averaged 5 ±4 nmol L-1 between 170oW and 150oW whilst surface-water phosphate concentrations averaged 58 ±30 nmol L-1. The supply of nitrogen into the upper ocean is primarily from deeper waters (24-1647 μmol m-2 d-1) with atmospheric deposition and nitrogen fixation contributing <1% to the overall flux, in remote South Pacific waters. The deep water N:P ratio averaged 16 ±3 but declined to <1 above the deep chlorophyll maximum (DCM) indicating a high N:P assimilation ratio by phytoplankton leading to almost quantitative removal of nitrate. The supply stoichiometry for iron and nitrogen relative to phosphate at and above the DCM declines eastward leading to two biogeographical provinces: one with diazotroph production and the other without diazotroph production

Comparative roles of upwelling and glacial iron sources in Ryder Bay, coastal western Antarctic Peninsula

Iron (Fe) is an essential micronutrient for phytoplankton, and is scarce in many regions including the open Southern Ocean. The western Antarctic Peninsula (WAP), an important source region of Fe to the wider Southern Ocean, is also the fastest warming region of the southern hemisphere. The relative importance of glacial versus marine Fe sources is currently poorly constrained, hindering projections of how changing oceanic circulation, productivity, and glacial dynamics may affect the balance of Fe sources in this region.Dissolved and total dissolvable Fe concentrations were measured throughout the summer bloom period at a coastal site on the WAP. Iron inputs to the surface mixed layer in early summer were strongly correlated with meteoric meltwater from glaciers and precipitation. A significant source of Fe from underlying waters was also identified, with dissolved Fe concentrations of up to 9.5 nM at 200 m depth. These two primary Fe sources act on different timescales, with glacial sources supplying Fe during the warm summer growing period, and deep water replenishing Fe over annual periods via deep winter mixing.Iron supply from deep water is sufficient to meet biological demand relative to macronutrient supply, making Fe limitation unlikely in this area even without additional summer Fe inputs from glacial sources. Both glacial and deep-water Fe sources may increase with continued climate warming, potentially enhancing the role of the WAP as an Fe source to offshore waters

Accounting for interspecific interactions in bird population dynamics using multispecies integrated population models

Pour comprendre et prédire la trajectoire des espèces dans le temps, il faut pouvoir appréhender les différents facteurs façonnant leur dynamique. Au sein des communautés, les espèces interagissent entre elles à travers de nombreuses relations interspécifiques (e.g. compétition, prédation), mais aussi avec les individus de leur propre espèce, ainsi qu’avec leur environnement (e.g. conditions climatiques, habitat). La complexité des analyses réside dans la nécessité de travailler à différents niveaux biologiques, de l’individu jusqu’à la communauté. Les modèles de population intégrés (IPM) permettent, dans leur forme la plus simple, de combiner des données à l’échelle individuelle (e.g. capture-recapture) ou à la l’échelle de la population (e.g. comptages) dans une même analyse et offrent ainsi la possibilité d’estimer des paramètres démographiques et des tailles de population. Leur extension à l’échelle multispécifique permet d’analyser l’effet de la taille de population d’une espèce sur les paramètres démographiques d’une autre espèce tout en tenant compte de covariables environnementales et en propageant toutes les sources d’incertitudes. Ainsi, ces modèles pourraient permettre de mieux appréhender le rôle des interactions interspécifiques dans la dynamique des espèces. L’objectif de cette thèse, à l’interface entre la modélisation et l’écologie, est de mettre en avant le potentiel des IPM multispécifiques en les appliquant à des cas d’étude pertinents.A travers trois cas d’étude, les effets de différentes interactions interspécifiques (prédation, compétition) ainsi que plusieurs autres facteurs (covariables climatiques, qualité de l’habitat, phénologie) ont été analysés pour appréhender les mécanismes sous-jacents à la dynamique des espèces. Un premier cas d’étude consiste en un système prédateur-proie d’oiseaux marins (le pétrel bleu Halobaena caerulea et le labbe subantarctique Catharacta lonnbergi). Les effets des relations de prédation ont été analysés tout en tenant compte des conditions climatiques en mer pour mettre en évidence leurs rôles respectifs sur la dynamique des espèces. Une deuxième analyse se focalise sur un système de mésanges (la mésange charbonnière Parus major et la mésange bleue Cyanistes caeruleus) pour analyser les effets des relations de compétition. Dans cette analyse, l’effet de l’habitat est pris en compte pour déterminer son influence sur les relations interspécifiques. Enfin, un dernier cas d’étude s’intéresse à la compétition entre deux espèces de fauvettes aux stratégies de migration différentes (la fauvette à tête noire Sylvia atricapilla et la fauvette des jardins Sylvia borin). Dans ce système, la phénologie de la reproduction est étudiée pour comprendre comment elle peut moduler les interactions interspécifiques.Globalement, les IPM multispécifiques se sont bien adaptés aux différents cas d’étude et ont permis une meilleure compréhension du rôle des interactions interspécifiques dans la dynamique des espèces. Dans le système labbe-pétrel, ces modèles ont mis en évidence l’effet majeur de la disponibilité en proies dans la dynamique des espèces. Chez les mésanges, ils ont généralisé des processus de compétition connus à l’échelle de quelques sites, à l’ensemble de la population française, tout en les nuançant selon la qualité de l’habitat. Enfin, pour les fauvettes, ils ont montré l’importance de la phénologie de reproduction dans l’intensité des interactions interspécifiques. De nombreuses perspectives de travail restent à explorer pour exploiter au mieux ces modèles. Parmi elles, il sera intéressant de développer les IPM multispécifiques, non plus avec des systèmes à deux espèces, mais en utilisant un grand nombre d’espèces pour étudier les dynamiques à l’échelle de la communauté. Ces modèles pourraient aussi permettre de projeter la dynamique des espèces selon différents scénarios climatiques et/ou de gestion et ainsi pouvoir être utilisés à des fins de conservation.To understand and predict the fate of species over time, it is necessary to understand the different factors shaping their dynamics. Within communities, species interact with each other, through numerous interspecific interactions (e.g. competition, predation), but also with individuals of their own species, as well as with their environment (e.g. climatic conditions, habitat). The complexity of the analyses lies in the need to work at different biological levels, from the individual to the community. It is therefore necessary to develop methods that could accommodate different data sources. Integrated population models (IPM) allow, in their simplest form, to combine data at the individual scale (e.g. capture-recapture) and at the population scale (e.g. counts) into a single analysis and thus offer the possibility to estimate demographic parameters and population sizes. Their extension to the multispecies scale allows the analysis of the effect of the estimated population size of one species on the demographic parameters of another species while taking into account other factors such as environmental covariates and propagating all sources of uncertainty. Therefore, these models could allow a better understanding of the role of interspecific interactions in species dynamics. Thus, the aim of this PhD thesis, at the interface between modelling and ecology, is to highlight the potential of multispecies IPMs by applying them to relevant systems of interacting species.Through three case studies, different interspecific interactions (predation, competition) as well as different factors (climatic covariates, habitat quality, phenology) have been analysed to understand the mechanisms underlying the dynamics of these species. A first case study consisted in a predator-prey system of seabirds (the blue petrel Halobaena caerulea and the Brown skua Catharacta lonnbergi). The effects of predation relationships were analysed while taking into account the climatic conditions at sea to highlight their respective roles on the species dynamics. A second analysis focused on a tit system (the great tit Parus major and the blue tit Cyanistes caeruleus) to analyse the effects of competitive relationships. In this analysis, the effect of habitat was also taken into account to determine its influence on interspecific relationships. Finally, a last case study focused on the competition between two warbler species with different migration strategies (the blackcap Sylvia atricapilla and the garden warbler Sylvia borin). In this system, breeding phenology was taken into account to understand how it can modulate interspecific interactions.Overall, the multispecies IPMs were well adapted to the different case studies and provided a better understanding of the role of interspecific interactions in species dynamics. In the skua-petrel system, the model highlighted the major effect of prey availability in species dynamics. In the tit system, they generalized competition processes known at the scale of a few sites to the whole French population, while nuancing them according to the habitat quality. Finally, for warblers, they showed the effect of breeding phenology on the intensity of interspecific interactions. Numerous work perspectives remain to be explored in order to exploit further the potential of these models. Among them, it will be interesting to extent these models to more than two-species systems by using a large number of species to study the dynamic of communities. These models could also allow the projection of species dynamics under different climatic and/or management scenarios and thus be used for conservation purposes

Prise en compte des interactions interspécifiques dans l'étude de la dynamique des populations d’oiseaux grâce aux modèles intégrés multispécifiques

To understand and predict the fate of species over time, it is necessary to understand the different factors shaping their dynamics. Within communities, species interact with each other, through numerous interspecific interactions (e.g. competition, predation), but also with individuals of their own species, as well as with their environment (e.g. climatic conditions, habitat). The complexity of the analyses lies in the need to work at different biological levels, from the individual to the community. It is therefore necessary to develop methods that could accommodate different data sources. Integrated population models (IPM) allow, in their simplest form, to combine data at the individual scale (e.g. capture-recapture) and at the population scale (e.g. counts) into a single analysis and thus offer the possibility to estimate demographic parameters and population sizes. Their extension to the multispecies scale allows the analysis of the effect of the estimated population size of one species on the demographic parameters of another species while taking into account other factors such as environmental covariates and propagating all sources of uncertainty. Therefore, these models could allow a better understanding of the role of interspecific interactions in species dynamics. Thus, the aim of this PhD thesis, at the interface between modelling and ecology, is to highlight the potential of multispecies IPMs by applying them to relevant systems of interacting species.Through three case studies, different interspecific interactions (predation, competition) as well as different factors (climatic covariates, habitat quality, phenology) have been analysed to understand the mechanisms underlying the dynamics of these species. A first case study consisted in a predator-prey system of seabirds (the blue petrel Halobaena caerulea and the Brown skua Catharacta lonnbergi). The effects of predation relationships were analysed while taking into account the climatic conditions at sea to highlight their respective roles on the species dynamics. A second analysis focused on a tit system (the great tit Parus major and the blue tit Cyanistes caeruleus) to analyse the effects of competitive relationships. In this analysis, the effect of habitat was also taken into account to determine its influence on interspecific relationships. Finally, a last case study focused on the competition between two warbler species with different migration strategies (the blackcap Sylvia atricapilla and the garden warbler Sylvia borin). In this system, breeding phenology was taken into account to understand how it can modulate interspecific interactions.Overall, the multispecies IPMs were well adapted to the different case studies and provided a better understanding of the role of interspecific interactions in species dynamics. In the skua-petrel system, the model highlighted the major effect of prey availability in species dynamics. In the tit system, they generalized competition processes known at the scale of a few sites to the whole French population, while nuancing them according to the habitat quality. Finally, for warblers, they showed the effect of breeding phenology on the intensity of interspecific interactions. Numerous work perspectives remain to be explored in order to exploit further the potential of these models. Among them, it will be interesting to extent these models to more than two-species systems by using a large number of species to study the dynamic of communities. These models could also allow the projection of species dynamics under different climatic and/or management scenarios and thus be used for conservation purposes.Pour comprendre et prédire la trajectoire des espèces dans le temps, il faut pouvoir appréhender les différents facteurs façonnant leur dynamique. Au sein des communautés, les espèces interagissent entre elles à travers de nombreuses relations interspécifiques (e.g. compétition, prédation), mais aussi avec les individus de leur propre espèce, ainsi qu’avec leur environnement (e.g. conditions climatiques, habitat). La complexité des analyses réside dans la nécessité de travailler à différents niveaux biologiques, de l’individu jusqu’à la communauté. Les modèles de population intégrés (IPM) permettent, dans leur forme la plus simple, de combiner des données à l’échelle individuelle (e.g. capture-recapture) ou à la l’échelle de la population (e.g. comptages) dans une même analyse et offrent ainsi la possibilité d’estimer des paramètres démographiques et des tailles de population. Leur extension à l’échelle multispécifique permet d’analyser l’effet de la taille de population d’une espèce sur les paramètres démographiques d’une autre espèce tout en tenant compte de covariables environnementales et en propageant toutes les sources d’incertitudes. Ainsi, ces modèles pourraient permettre de mieux appréhender le rôle des interactions interspécifiques dans la dynamique des espèces. L’objectif de cette thèse, à l’interface entre la modélisation et l’écologie, est de mettre en avant le potentiel des IPM multispécifiques en les appliquant à des cas d’étude pertinents.A travers trois cas d’étude, les effets de différentes interactions interspécifiques (prédation, compétition) ainsi que plusieurs autres facteurs (covariables climatiques, qualité de l’habitat, phénologie) ont été analysés pour appréhender les mécanismes sous-jacents à la dynamique des espèces. Un premier cas d’étude consiste en un système prédateur-proie d’oiseaux marins (le pétrel bleu Halobaena caerulea et le labbe subantarctique Catharacta lonnbergi). Les effets des relations de prédation ont été analysés tout en tenant compte des conditions climatiques en mer pour mettre en évidence leurs rôles respectifs sur la dynamique des espèces. Une deuxième analyse se focalise sur un système de mésanges (la mésange charbonnière Parus major et la mésange bleue Cyanistes caeruleus) pour analyser les effets des relations de compétition. Dans cette analyse, l’effet de l’habitat est pris en compte pour déterminer son influence sur les relations interspécifiques. Enfin, un dernier cas d’étude s’intéresse à la compétition entre deux espèces de fauvettes aux stratégies de migration différentes (la fauvette à tête noire Sylvia atricapilla et la fauvette des jardins Sylvia borin). Dans ce système, la phénologie de la reproduction est étudiée pour comprendre comment elle peut moduler les interactions interspécifiques.Globalement, les IPM multispécifiques se sont bien adaptés aux différents cas d’étude et ont permis une meilleure compréhension du rôle des interactions interspécifiques dans la dynamique des espèces. Dans le système labbe-pétrel, ces modèles ont mis en évidence l’effet majeur de la disponibilité en proies dans la dynamique des espèces. Chez les mésanges, ils ont généralisé des processus de compétition connus à l’échelle de quelques sites, à l’ensemble de la population française, tout en les nuançant selon la qualité de l’habitat. Enfin, pour les fauvettes, ils ont montré l’importance de la phénologie de reproduction dans l’intensité des interactions interspécifiques. De nombreuses perspectives de travail restent à explorer pour exploiter au mieux ces modèles. Parmi elles, il sera intéressant de développer les IPM multispécifiques, non plus avec des systèmes à deux espèces, mais en utilisant un grand nombre d’espèces pour étudier les dynamiques à l’échelle de la communauté. Ces modèles pourraient aussi permettre de projeter la dynamique des espèces selon différents scénarios climatiques et/ou de gestion et ainsi pouvoir être utilisés à des fins de conservation

Prise en compte des interactions interspécifiques dans l'étude de la dynamique des populations d’oiseaux grâce aux modèles intégrés multispécifiques

To understand and predict the fate of species over time, it is necessary to understand the different factors shaping their dynamics. Within communities, species interact with each other, through numerous interspecific interactions (e.g. competition, predation), but also with individuals of their own species, as well as with their environment (e.g. climatic conditions, habitat). The complexity of the analyses lies in the need to work at different biological levels, from the individual to the community. It is therefore necessary to develop methods that could accommodate different data sources. Integrated population models (IPM) allow, in their simplest form, to combine data at the individual scale (e.g. capture-recapture) and at the population scale (e.g. counts) into a single analysis and thus offer the possibility to estimate demographic parameters and population sizes. Their extension to the multispecies scale allows the analysis of the effect of the estimated population size of one species on the demographic parameters of another species while taking into account other factors such as environmental covariates and propagating all sources of uncertainty. Therefore, these models could allow a better understanding of the role of interspecific interactions in species dynamics. Thus, the aim of this PhD thesis, at the interface between modelling and ecology, is to highlight the potential of multispecies IPMs by applying them to relevant systems of interacting species.Through three case studies, different interspecific interactions (predation, competition) as well as different factors (climatic covariates, habitat quality, phenology) have been analysed to understand the mechanisms underlying the dynamics of these species. A first case study consisted in a predator-prey system of seabirds (the blue petrel Halobaena caerulea and the Brown skua Catharacta lonnbergi). The effects of predation relationships were analysed while taking into account the climatic conditions at sea to highlight their respective roles on the species dynamics. A second analysis focused on a tit system (the great tit Parus major and the blue tit Cyanistes caeruleus) to analyse the effects of competitive relationships. In this analysis, the effect of habitat was also taken into account to determine its influence on interspecific relationships. Finally, a last case study focused on the competition between two warbler species with different migration strategies (the blackcap Sylvia atricapilla and the garden warbler Sylvia borin). In this system, breeding phenology was taken into account to understand how it can modulate interspecific interactions.Overall, the multispecies IPMs were well adapted to the different case studies and provided a better understanding of the role of interspecific interactions in species dynamics. In the skua-petrel system, the model highlighted the major effect of prey availability in species dynamics. In the tit system, they generalized competition processes known at the scale of a few sites to the whole French population, while nuancing them according to the habitat quality. Finally, for warblers, they showed the effect of breeding phenology on the intensity of interspecific interactions. Numerous work perspectives remain to be explored in order to exploit further the potential of these models. Among them, it will be interesting to extent these models to more than two-species systems by using a large number of species to study the dynamic of communities. These models could also allow the projection of species dynamics under different climatic and/or management scenarios and thus be used for conservation purposes.Pour comprendre et prédire la trajectoire des espèces dans le temps, il faut pouvoir appréhender les différents facteurs façonnant leur dynamique. Au sein des communautés, les espèces interagissent entre elles à travers de nombreuses relations interspécifiques (e.g. compétition, prédation), mais aussi avec les individus de leur propre espèce, ainsi qu’avec leur environnement (e.g. conditions climatiques, habitat). La complexité des analyses réside dans la nécessité de travailler à différents niveaux biologiques, de l’individu jusqu’à la communauté. Les modèles de population intégrés (IPM) permettent, dans leur forme la plus simple, de combiner des données à l’échelle individuelle (e.g. capture-recapture) ou à la l’échelle de la population (e.g. comptages) dans une même analyse et offrent ainsi la possibilité d’estimer des paramètres démographiques et des tailles de population. Leur extension à l’échelle multispécifique permet d’analyser l’effet de la taille de population d’une espèce sur les paramètres démographiques d’une autre espèce tout en tenant compte de covariables environnementales et en propageant toutes les sources d’incertitudes. Ainsi, ces modèles pourraient permettre de mieux appréhender le rôle des interactions interspécifiques dans la dynamique des espèces. L’objectif de cette thèse, à l’interface entre la modélisation et l’écologie, est de mettre en avant le potentiel des IPM multispécifiques en les appliquant à des cas d’étude pertinents.A travers trois cas d’étude, les effets de différentes interactions interspécifiques (prédation, compétition) ainsi que plusieurs autres facteurs (covariables climatiques, qualité de l’habitat, phénologie) ont été analysés pour appréhender les mécanismes sous-jacents à la dynamique des espèces. Un premier cas d’étude consiste en un système prédateur-proie d’oiseaux marins (le pétrel bleu Halobaena caerulea et le labbe subantarctique Catharacta lonnbergi). Les effets des relations de prédation ont été analysés tout en tenant compte des conditions climatiques en mer pour mettre en évidence leurs rôles respectifs sur la dynamique des espèces. Une deuxième analyse se focalise sur un système de mésanges (la mésange charbonnière Parus major et la mésange bleue Cyanistes caeruleus) pour analyser les effets des relations de compétition. Dans cette analyse, l’effet de l’habitat est pris en compte pour déterminer son influence sur les relations interspécifiques. Enfin, un dernier cas d’étude s’intéresse à la compétition entre deux espèces de fauvettes aux stratégies de migration différentes (la fauvette à tête noire Sylvia atricapilla et la fauvette des jardins Sylvia borin). Dans ce système, la phénologie de la reproduction est étudiée pour comprendre comment elle peut moduler les interactions interspécifiques.Globalement, les IPM multispécifiques se sont bien adaptés aux différents cas d’étude et ont permis une meilleure compréhension du rôle des interactions interspécifiques dans la dynamique des espèces. Dans le système labbe-pétrel, ces modèles ont mis en évidence l’effet majeur de la disponibilité en proies dans la dynamique des espèces. Chez les mésanges, ils ont généralisé des processus de compétition connus à l’échelle de quelques sites, à l’ensemble de la population française, tout en les nuançant selon la qualité de l’habitat. Enfin, pour les fauvettes, ils ont montré l’importance de la phénologie de reproduction dans l’intensité des interactions interspécifiques. De nombreuses perspectives de travail restent à explorer pour exploiter au mieux ces modèles. Parmi elles, il sera intéressant de développer les IPM multispécifiques, non plus avec des systèmes à deux espèces, mais en utilisant un grand nombre d’espèces pour étudier les dynamiques à l’échelle de la communauté. Ces modèles pourraient aussi permettre de projeter la dynamique des espèces selon différents scénarios climatiques et/ou de gestion et ainsi pouvoir être utilisés à des fins de conservation

Trace metals distributions in the Southern Ocean : Kerguelen Plateau process study

The atmospheric concentration of carbon dioxide (CO2) is of a great interest for scientists since the largest contribution to Earth total radiative forcing is caused by the increase in the atmospheric concentration of CO2 since 1750 (IPCC 2013). Indeed, from 1750 to 2011, anthropogenic CO2 emissions have released 555 gigatons of carbon (GtC) that accumulated within different ecosystems and mainly in the atmosphere (240 GtC), 160 GtC have accumulated in natural terrestrial ecosystems and 155 GtC have been taken up by the ocean (IPCC 2013). Two processes lead to the transfer of CO2 from the atmosphere to the ocean: the physical and the biological carbon pumps (Fig. I.1). First, the physical carbon pump is initialized by the surface ocean, which constantly exchanges gases and heat with the low atmosphere. The solubility of CO2 in seawater increases when temperatures decrease. Thus, in the high latitudes, low temperatures, strong winds, and waves favour the transfer of CO2 into the ocean. Then, CO2 is exported beneath the ocean surface via the sinking of the cold CO2-rich waters. This physical removal of CO2 is also called the solubility pump‚ÄövÑvp. When these cold waters return to the surface ocean and warm up again, they release CO2 to the atmosphere. Secondly, the organic biological carbon pump is initialized in the surface ocean by phytoplankton, which assimilates carbon (C) via photosynthesis, converting CO2 and water in organic matter and oxygen (Fig. I.1). This process removes aqueous CO2 from the euphotic layer, where light penetrates sea surface, and leads to the storage of around 20% of the surface C inventory in the ocean interior (Laws et al., 2000; Falkowski, 2002). In addition, C can also be fixed by corals, foraminifera, coccolithophore or mollusk and crustacean as calcium carbonate to form protective coating or shells, however, this process is counter balanced by the production of carbonic acid, which increase the concentration of CO2 in seawater initiating a diffusive flux of CO2 from the ocean to the atmosphere, the so called carbonate counter pump. These are the reasons why the biological pump of C is a key regulator of the global C cycle. In its absence, atmospheric CO2 concentration would increase by approximately 50 % (200 ppmv), a considerable fraction compared to the present ~ 400 ppmv (Falkowski, 2002)

Prise en compte des interactions interspécifiques dans l'étude de la dynamique des populations d’oiseaux grâce aux modèles intégrés multispécifiques

To understand and predict the fate of species over time, it is necessary to understand the different factors shaping their dynamics. Within communities, species interact with each other, through numerous interspecific interactions (e.g. competition, predation), but also with individuals of their own species, as well as with their environment (e.g. climatic conditions, habitat). The complexity of the analyses lies in the need to work at different biological levels, from the individual to the community. It is therefore necessary to develop methods that could accommodate different data sources. Integrated population models (IPM) allow, in their simplest form, to combine data at the individual scale (e.g. capture-recapture) and at the population scale (e.g. counts) into a single analysis and thus offer the possibility to estimate demographic parameters and population sizes. Their extension to the multispecies scale allows the analysis of the effect of the estimated population size of one species on the demographic parameters of another species while taking into account other factors such as environmental covariates and propagating all sources of uncertainty. Therefore, these models could allow a better understanding of the role of interspecific interactions in species dynamics. Thus, the aim of this PhD thesis, at the interface between modelling and ecology, is to highlight the potential of multispecies IPMs by applying them to relevant systems of interacting species.Through three case studies, different interspecific interactions (predation, competition) as well as different factors (climatic covariates, habitat quality, phenology) have been analysed to understand the mechanisms underlying the dynamics of these species. A first case study consisted in a predator-prey system of seabirds (the blue petrel Halobaena caerulea and the Brown skua Catharacta lonnbergi). The effects of predation relationships were analysed while taking into account the climatic conditions at sea to highlight their respective roles on the species dynamics. A second analysis focused on a tit system (the great tit Parus major and the blue tit Cyanistes caeruleus) to analyse the effects of competitive relationships. In this analysis, the effect of habitat was also taken into account to determine its influence on interspecific relationships. Finally, a last case study focused on the competition between two warbler species with different migration strategies (the blackcap Sylvia atricapilla and the garden warbler Sylvia borin). In this system, breeding phenology was taken into account to understand how it can modulate interspecific interactions.Overall, the multispecies IPMs were well adapted to the different case studies and provided a better understanding of the role of interspecific interactions in species dynamics. In the skua-petrel system, the model highlighted the major effect of prey availability in species dynamics. In the tit system, they generalized competition processes known at the scale of a few sites to the whole French population, while nuancing them according to the habitat quality. Finally, for warblers, they showed the effect of breeding phenology on the intensity of interspecific interactions. Numerous work perspectives remain to be explored in order to exploit further the potential of these models. Among them, it will be interesting to extent these models to more than two-species systems by using a large number of species to study the dynamic of communities. These models could also allow the projection of species dynamics under different climatic and/or management scenarios and thus be used for conservation purposes.Pour comprendre et prédire la trajectoire des espèces dans le temps, il faut pouvoir appréhender les différents facteurs façonnant leur dynamique. Au sein des communautés, les espèces interagissent entre elles à travers de nombreuses relations interspécifiques (e.g. compétition, prédation), mais aussi avec les individus de leur propre espèce, ainsi qu’avec leur environnement (e.g. conditions climatiques, habitat). La complexité des analyses réside dans la nécessité de travailler à différents niveaux biologiques, de l’individu jusqu’à la communauté. Les modèles de population intégrés (IPM) permettent, dans leur forme la plus simple, de combiner des données à l’échelle individuelle (e.g. capture-recapture) ou à la l’échelle de la population (e.g. comptages) dans une même analyse et offrent ainsi la possibilité d’estimer des paramètres démographiques et des tailles de population. Leur extension à l’échelle multispécifique permet d’analyser l’effet de la taille de population d’une espèce sur les paramètres démographiques d’une autre espèce tout en tenant compte de covariables environnementales et en propageant toutes les sources d’incertitudes. Ainsi, ces modèles pourraient permettre de mieux appréhender le rôle des interactions interspécifiques dans la dynamique des espèces. L’objectif de cette thèse, à l’interface entre la modélisation et l’écologie, est de mettre en avant le potentiel des IPM multispécifiques en les appliquant à des cas d’étude pertinents.A travers trois cas d’étude, les effets de différentes interactions interspécifiques (prédation, compétition) ainsi que plusieurs autres facteurs (covariables climatiques, qualité de l’habitat, phénologie) ont été analysés pour appréhender les mécanismes sous-jacents à la dynamique des espèces. Un premier cas d’étude consiste en un système prédateur-proie d’oiseaux marins (le pétrel bleu Halobaena caerulea et le labbe subantarctique Catharacta lonnbergi). Les effets des relations de prédation ont été analysés tout en tenant compte des conditions climatiques en mer pour mettre en évidence leurs rôles respectifs sur la dynamique des espèces. Une deuxième analyse se focalise sur un système de mésanges (la mésange charbonnière Parus major et la mésange bleue Cyanistes caeruleus) pour analyser les effets des relations de compétition. Dans cette analyse, l’effet de l’habitat est pris en compte pour déterminer son influence sur les relations interspécifiques. Enfin, un dernier cas d’étude s’intéresse à la compétition entre deux espèces de fauvettes aux stratégies de migration différentes (la fauvette à tête noire Sylvia atricapilla et la fauvette des jardins Sylvia borin). Dans ce système, la phénologie de la reproduction est étudiée pour comprendre comment elle peut moduler les interactions interspécifiques.Globalement, les IPM multispécifiques se sont bien adaptés aux différents cas d’étude et ont permis une meilleure compréhension du rôle des interactions interspécifiques dans la dynamique des espèces. Dans le système labbe-pétrel, ces modèles ont mis en évidence l’effet majeur de la disponibilité en proies dans la dynamique des espèces. Chez les mésanges, ils ont généralisé des processus de compétition connus à l’échelle de quelques sites, à l’ensemble de la population française, tout en les nuançant selon la qualité de l’habitat. Enfin, pour les fauvettes, ils ont montré l’importance de la phénologie de reproduction dans l’intensité des interactions interspécifiques. De nombreuses perspectives de travail restent à explorer pour exploiter au mieux ces modèles. Parmi elles, il sera intéressant de développer les IPM multispécifiques, non plus avec des systèmes à deux espèces, mais en utilisant un grand nombre d’espèces pour étudier les dynamiques à l’échelle de la communauté. Ces modèles pourraient aussi permettre de projeter la dynamique des espèces selon différents scénarios climatiques et/ou de gestion et ainsi pouvoir être utilisés à des fins de conservation

Prise en compte des interactions interspécifiques dans l'étude de la dynamique des populations d’oiseaux grâce aux modèles intégrés multispécifiques

To understand and predict the fate of species over time, it is necessary to understand the different factors shaping their dynamics. Within communities, species interact with each other, through numerous interspecific interactions (e.g. competition, predation), but also with individuals of their own species, as well as with their environment (e.g. climatic conditions, habitat). The complexity of the analyses lies in the need to work at different biological levels, from the individual to the community. It is therefore necessary to develop methods that could accommodate different data sources. Integrated population models (IPM) allow, in their simplest form, to combine data at the individual scale (e.g. capture-recapture) and at the population scale (e.g. counts) into a single analysis and thus offer the possibility to estimate demographic parameters and population sizes. Their extension to the multispecies scale allows the analysis of the effect of the estimated population size of one species on the demographic parameters of another species while taking into account other factors such as environmental covariates and propagating all sources of uncertainty. Therefore, these models could allow a better understanding of the role of interspecific interactions in species dynamics. Thus, the aim of this PhD thesis, at the interface between modelling and ecology, is to highlight the potential of multispecies IPMs by applying them to relevant systems of interacting species.Through three case studies, different interspecific interactions (predation, competition) as well as different factors (climatic covariates, habitat quality, phenology) have been analysed to understand the mechanisms underlying the dynamics of these species. A first case study consisted in a predator-prey system of seabirds (the blue petrel Halobaena caerulea and the Brown skua Catharacta lonnbergi). The effects of predation relationships were analysed while taking into account the climatic conditions at sea to highlight their respective roles on the species dynamics. A second analysis focused on a tit system (the great tit Parus major and the blue tit Cyanistes caeruleus) to analyse the effects of competitive relationships. In this analysis, the effect of habitat was also taken into account to determine its influence on interspecific relationships. Finally, a last case study focused on the competition between two warbler species with different migration strategies (the blackcap Sylvia atricapilla and the garden warbler Sylvia borin). In this system, breeding phenology was taken into account to understand how it can modulate interspecific interactions.Overall, the multispecies IPMs were well adapted to the different case studies and provided a better understanding of the role of interspecific interactions in species dynamics. In the skua-petrel system, the model highlighted the major effect of prey availability in species dynamics. In the tit system, they generalized competition processes known at the scale of a few sites to the whole French population, while nuancing them according to the habitat quality. Finally, for warblers, they showed the effect of breeding phenology on the intensity of interspecific interactions. Numerous work perspectives remain to be explored in order to exploit further the potential of these models. Among them, it will be interesting to extent these models to more than two-species systems by using a large number of species to study the dynamic of communities. These models could also allow the projection of species dynamics under different climatic and/or management scenarios and thus be used for conservation purposes.Pour comprendre et prédire la trajectoire des espèces dans le temps, il faut pouvoir appréhender les différents facteurs façonnant leur dynamique. Au sein des communautés, les espèces interagissent entre elles à travers de nombreuses relations interspécifiques (e.g. compétition, prédation), mais aussi avec les individus de leur propre espèce, ainsi qu’avec leur environnement (e.g. conditions climatiques, habitat). La complexité des analyses réside dans la nécessité de travailler à différents niveaux biologiques, de l’individu jusqu’à la communauté. Les modèles de population intégrés (IPM) permettent, dans leur forme la plus simple, de combiner des données à l’échelle individuelle (e.g. capture-recapture) ou à la l’échelle de la population (e.g. comptages) dans une même analyse et offrent ainsi la possibilité d’estimer des paramètres démographiques et des tailles de population. Leur extension à l’échelle multispécifique permet d’analyser l’effet de la taille de population d’une espèce sur les paramètres démographiques d’une autre espèce tout en tenant compte de covariables environnementales et en propageant toutes les sources d’incertitudes. Ainsi, ces modèles pourraient permettre de mieux appréhender le rôle des interactions interspécifiques dans la dynamique des espèces. L’objectif de cette thèse, à l’interface entre la modélisation et l’écologie, est de mettre en avant le potentiel des IPM multispécifiques en les appliquant à des cas d’étude pertinents.A travers trois cas d’étude, les effets de différentes interactions interspécifiques (prédation, compétition) ainsi que plusieurs autres facteurs (covariables climatiques, qualité de l’habitat, phénologie) ont été analysés pour appréhender les mécanismes sous-jacents à la dynamique des espèces. Un premier cas d’étude consiste en un système prédateur-proie d’oiseaux marins (le pétrel bleu Halobaena caerulea et le labbe subantarctique Catharacta lonnbergi). Les effets des relations de prédation ont été analysés tout en tenant compte des conditions climatiques en mer pour mettre en évidence leurs rôles respectifs sur la dynamique des espèces. Une deuxième analyse se focalise sur un système de mésanges (la mésange charbonnière Parus major et la mésange bleue Cyanistes caeruleus) pour analyser les effets des relations de compétition. Dans cette analyse, l’effet de l’habitat est pris en compte pour déterminer son influence sur les relations interspécifiques. Enfin, un dernier cas d’étude s’intéresse à la compétition entre deux espèces de fauvettes aux stratégies de migration différentes (la fauvette à tête noire Sylvia atricapilla et la fauvette des jardins Sylvia borin). Dans ce système, la phénologie de la reproduction est étudiée pour comprendre comment elle peut moduler les interactions interspécifiques.Globalement, les IPM multispécifiques se sont bien adaptés aux différents cas d’étude et ont permis une meilleure compréhension du rôle des interactions interspécifiques dans la dynamique des espèces. Dans le système labbe-pétrel, ces modèles ont mis en évidence l’effet majeur de la disponibilité en proies dans la dynamique des espèces. Chez les mésanges, ils ont généralisé des processus de compétition connus à l’échelle de quelques sites, à l’ensemble de la population française, tout en les nuançant selon la qualité de l’habitat. Enfin, pour les fauvettes, ils ont montré l’importance de la phénologie de reproduction dans l’intensité des interactions interspécifiques. De nombreuses perspectives de travail restent à explorer pour exploiter au mieux ces modèles. Parmi elles, il sera intéressant de développer les IPM multispécifiques, non plus avec des systèmes à deux espèces, mais en utilisant un grand nombre d’espèces pour étudier les dynamiques à l’échelle de la communauté. Ces modèles pourraient aussi permettre de projeter la dynamique des espèces selon différents scénarios climatiques et/ou de gestion et ainsi pouvoir être utilisés à des fins de conservation

Trace metals distributions in the Southern Ocean : Kerguelen Plateau process study

The atmospheric concentration of carbon dioxide (CO2) is of a great interest for scientists since the largest contribution to Earth total radiative forcing is caused by the increase in the atmospheric concentration of CO2 since 1750 (IPCC 2013). Indeed, from 1750 to 2011, anthropogenic CO2 emissions have released 555 gigatons of carbon (GtC) that accumulated within different ecosystems and mainly in the atmosphere (240 GtC), 160 GtC have accumulated in natural terrestrial ecosystems and 155 GtC have been taken up by the ocean (IPCC 2013). Two processes lead to the transfer of CO2 from the atmosphere to the ocean: the physical and the biological carbon pumps (Fig. I.1). First, the physical carbon pump is initialized by the surface ocean, which constantly exchanges gases and heat with the low atmosphere. The solubility of CO2 in seawater increases when temperatures decrease. Thus, in the high latitudes, low temperatures, strong winds, and waves favour the transfer of CO2 into the ocean. Then, CO2 is exported beneath the ocean surface via the sinking of the cold CO2-rich waters. This physical removal of CO2 is also called the solubility pump‚ÄövÑvp. When these cold waters return to the surface ocean and warm up again, they release CO2 to the atmosphere. Secondly, the organic biological carbon pump is initialized in the surface ocean by phytoplankton, which assimilates carbon (C) via photosynthesis, converting CO2 and water in organic matter and oxygen (Fig. I.1). This process removes aqueous CO2 from the euphotic layer, where light penetrates sea surface, and leads to the storage of around 20% of the surface C inventory in the ocean interior (Laws et al., 2000; Falkowski, 2002). In addition, C can also be fixed by corals, foraminifera, coccolithophore or mollusk and crustacean as calcium carbonate to form protective coating or shells, however, this process is counter balanced by the production of carbonic acid, which increase the concentration of CO2 in seawater initiating a diffusive flux of CO2 from the ocean to the atmosphere, the so called carbonate counter pump. These are the reasons why the biological pump of C is a key regulator of the global C cycle. In its absence, atmospheric CO2 concentration would increase by approximately 50 % (200 ppmv), a considerable fraction compared to the present ~ 400 ppmv (Falkowski, 2002)

Microplate-reader method for the rapid analysis of copper in natural waters with chemiluminescence detection

We have developed a method for the determination of copper in natural waters at nanomolar levels. Theuseofamicroplate-reader minimizes sample processing time(∼25s per sample), reagent consumption (∼120μL per sample),and sample volume(∼700μL). Copper is detected by chemiluminescence. This technique is based on the formation of a complex between copper and 1,10-phenanthroline and the subsequent emission of light during the oxidation of the complex by hydrogen peroxide. Samples are acidified to pH 1.7 and then introduced directly into a 24-well plate. Reagents are added during data acquisition via two reagent injectors. When trace metal clean protocols are employed, the reproducibility is generally less than 7% on blanks and the detection limit is 0.7 nM for sea water and 0.4 nM for freshwater. More than 100 samples per hour can be analyzed with this technique,which is simple,robust,and amenable to at-sea analysis. Seawater samples from Storm Bay in Tasmania illustrate the utility of the method for environmental science. Indeed other trace metals for which optical detection methods exist(e.g.,chemiluminescence,fluorescence,andabsorbance)could be adapted to the microplate-reader