Long-term evolution of an estuarine ecosystem (the Gironde estuary case study)

Les estuaires font partie des écosystèmes les plus productifs de la planète. Ils constituent une zone d'importants échanges de matières et jouent à ce titre un rôle capital pour les cycles biogéochimiques. Du fait de leur position à l'interface entre domaines continental et marin, ils sont également un lieu de passage obligatoire pour de nombreuses espèces de poissons migrateurs ou encore de nourricerie et de refuge. Ces systèmes sont contraints par de nombreuses pressions de natures diverses dont certaines en lien avec les activités humaines locales (p. ex. pêcheries, transport maritime, dragages, pollutions accrues, etc.). Ces altérations viennent s'ajouter à la variabilité intrinsèque de ces systèmes naturellement complexes (variabilité spatio-temporelle de différents facteurs environnementaux ; c.-à-d. température, salinité, turbidité, etc.). Toutefois, une intensification de ces d'altérations, dont une partie est associée à la composante climatique des changements globaux, est observée depuis ces dernières décennies. Ces modifications avérées et leurs incidences sur les communautés biologiques constituent un enjeu en matière de gestion des écosystèmes estuariens. Cependant, par manque de chroniques de données continues suffisamment longues, peu d'études sur l’évolution à long terme de systèmes estuariens ont été réalisées à ce jour. Pour mes travaux, j'ai eu à ma disposition un ensemble de chroniques uniques - acquises depuis 35 ans - associées à plusieurs suivis écologiques de l'estuaire de la Gironde (notre site atelier). L'objectif général de cette thèse est de caractériser l’évolution globale du système dans son ensemble (physico-chimie et biologie) et d'identifier les forçages impliqués. L’originalité de ces travaux, par rapport aux études spécifiques déjà menées, consiste à analyser l’évolution de l’ensemble des descripteurs caractéristiques du fonctionnement d'un système modèle et de qualifier la part relative aux forçages globaux. L'étude des séries chronologiques, via une approche end-to-end basée sur des analyses multivariées, permet d'identifier deux changements abrupts d'état de l'écosystème de l'estuaire de la Gironde, associés à des fluctuations hydroclimatiques à large échelle (bassin Atlantique nord) mais aussi à une échelle plus locale (estuaire). Des hypothèses relatives aux possibles mécanismes impliqués, reliant les altérations climatiques à large échelle aux altérations observées à l'échelle des communautés biologiques estuariennes, sont discutées. Un deuxième volet de la thèse, au travers d’une approche modélisatrice basée sur le concept de niche d'Hutchinson, permet d'identifier un changement de répartition spatiale, longitudinale, des populations de copépodes estuariennes en réponse au réchauffement des masses d'eau et à la marinisation de l'estuaire. Enfin un troisième volet de mes travaux s'est consacré à l'étude spécifique d'une espèce de copépode invasive : Acartia tonsa. Suivant une double approche modélisatrice permettant d'estimer à la fois les niches fondamentale et réalisée de l'espèce, ces travaux illustrent l'importance relative des changements climatiques qui ont facilité la colonisation et l'essor de cette espèce dans l'estuaire.Estuaries are among the most productive ecosystems on Earth. They constitute important areas for materials exchanges and play therefore a crucial part in biogeochemical cycles. Because of their location at the interface between marine and continental realms, they are also a migratory path for different fish species and in some cases, a nursery or a refuge area. These systems are submitted to many pressures, some of them being related to anthropogenic activities (e.g fisheries, maritime traffic, dredging, rising pollutions, etc.). These changes are superimposed to the intrinsic variability of these naturally complex ecosystems (characterized by a spatio-temporal variability of different environmental factors; i.e., temperature, salinity, turbidity, etc.). However, since recent years, an intensification of these alterations, being partly linked to the climatic component of Global Change, is observed. These changes, already documented, and their incidence on biological communities, constitute a challenge for the future management of estuarine ecosystems. However, due to a lack of long-term continuous time series, for now few studies on the long-term evolutions of estuarine systems have been reported. In this work, I used a unique set of data (35 years) provided by an ecological monitoring of the Gironde estuary (the model of estuary used in the study). The main objective of this thesis is to characterize the evolution of the whole system (physico-chemistry and biology) over the last three decades and to identify the forcings involved. The originality of this work comes from a global analysis of the main estuarine descriptors and from the evaluation of the relative contribution of global forcings. A study based on multivariate analyses, through an end-to-end approach, reveals two abrupt shifts in the state of the ecosystem of the Gironde estuary. These two changes appear to be linked to hydroclimatic fluctuations at a regional scale (North Atlantic basin) and also at a local scale. Some hypotheses on the possible mechanisms involved, linking the large-scale climatic alterations to the changes observed on the biological estuarine communities are discussed. A second study that uses a modeling approach based on the ecological niche concept of Hutchinson, identifies a change in the spatial (longitudinal) distribution of estuarine copepod populations in response to warming and marinisation processes. Finally, a third work focuses on an invasive copepod species: Acartia tonsa. A double modeling approach estimates both the fundamental and realized niches of the species. The results highlight the relative importance of climate changes that facilitated the colonization of the estuary by A. tonsa