The effects of landscape structure and biodiversity on ecosystem services.

Ecosystem services, the benefits that people receive from ecosystems, depend on the movement of organisms and matter across landscapes, as well as the biodiversity and ecosystem functions that are present. Human activities around the world are rapidly and significantly changing ecosystems, landscapes, biodiversity, and, ultimately, ecosystem services. This is particularly true in agricultural systems, where human activities to maximize the ecosystem service of food production often lead to the decline of other important ecosystem services. While we understand that ecosystem services are critical to human well-being, our current knowledge of the provision of ecosystem services across landscapes contains a number of significant gaps that limit our ability to manage for services and human well-being. In particular, we don't fully understand how changes in landscape structure – the composition and configuration of land use types – affect the provision of multiple ecosystem services.In this thesis, I explore the theoretical and empirical relationships between landscape structure, biodiversity, and ecosystem service provision. I first reviewed our current understanding of these links, finding that while we commonly assume that loss of connectivity between habitat patches in a landscape will have negative effects on ecosystem service provision, we have little empirical evidence that this is the case. In particular, we know little about how this landscape connectivity might simultaneously affect multiple ecosystem services, especially for services other than food, pollination, and pest regulation. I then empirically measured the effects of agricultural landscape structure, including forest fragment connectivity, on six ecosystem services in 34 soybean fields in the Montérégie of southern Québec, Canada. Both the isolation of forest fragments on the landscape, and distances within soybean fields from adjacent forest fragments, had significant effects on the provision of ecosystem services. Importantly, each ecosystem service showed distinct differences in its pattern of provision as these components of landscape structure varied. Therefore, landscape heterogeneity, the variety of forest and field types present in the landscape, was critical to ensure the provision of multiple ecosystem services. Investigating pest regulation in this landscape in more detail, I determined that field width and forest fragments are driving patterns of diversity and abundance for both beneficial and pest arthropods in this system. However, these patterns are contradictory between these two arthropod functional groups, resulting in inconsistent effects of landscape structure on pest regulation. Finally, using a simple modeling framework, I explored how changing the pattern of habitat loss across a landscape affects ecosystem service provision at different scales. My model reveals that the form of the relationship between habitat fragments and ecosystem services is critical in determining landscape patterns of ecosystem service provision. In addition, there are inherent tradeoffs between service provision in the agricultural matrix and habitat preservation, as well as mismatches between ecosystem service provision at different scales. However, altering the amount and pattern of habitat loss across the landscape can help mitigate these issues.Overall, my thesis indicates that understanding the connections between landscape structure, biodiversity, and ecosystem service provision will be a critical avenue of research, one that will improve our ability to design multi-functional human-dominated landscapes. Only by understanding how human activities and land use change affect ecosystem services can we generate management tools to maximize multiple ecosystem services at landscape scales. As human demand for ecosystem services and our impacts on natural systems continue to rise, this will be an increasingly important knowledge gap to fill.Les services écologiques, les bénéfices que les gens tirent des écosystèmes, dépendent du mouvement des organismes et de la matière à travers le paysage, ainsi que de la biodiversité et des fonctions écosystémiques qui y sont présent. Les activités humaines sont en train de changer rapidement les paysages, la biodiversité et les services écologiques. Ceci est particulièrement vrai dans les systèmes agricoles, où les activités humaines afin de maximiser la production alimentaire conduisent souvent à la diminution d'autres services. Bien que nous comprenions que les services écologiques sont essentiels au bien-être humain, notre connaissance actuelle de la fourniture des services contient encore certaines lacunes qui limitent notre capacité à gérer ces services. En particulier, nous ne comprenons pas entièrement comment les changements dans la structure du paysage affectent la fourniture de multiples services.Dans cette thèse, j'explore les relations entre la structure du paysage, la biodiversité, et l'approvisionnement des services écologiques. J'ai d'abord fait une revue de la littérature pour comprendre nos connaissances actuelles de ces liens, et en constatant que généralement la littérature supporte le fait que la perte de la connectivité dans un paysage aura des effets négatifs sur les services, mais que nous avons peu de preuves empiriques. En particulier, nous savons peu sur la façon dont cette connectivité peut affecter simultanément de multiples services, en particulier pour les services autres que la production de nourriture, la pollinisation, et la régulation des ravageurs. J'ai ensuite mesuré les effets de la structure du paysage agricole, y compris la connectivité des fragments de forêt, sur 6 services écologiques dans 34 champs de soya de la Montérégie au sud du Québec, Canada. L'isolement des fragments, et la distance à partir de fragments adjacents dans les champs ont eu des effets significatifs sur les services. Chaque service a été caractérisé par un motif de provision différent avec les configurations variées de ces deux composantes de la structure du paysage. Par conséquent, l'hétérogénéité du paysage, la variété des types de forêt présents et les types de champs agricoles, sont essentielles pour assurer la fourniture de multiples services. En regardant en plus de détail la régulation des ravageurs, j'ai déterminé que la largeur de champ et la présence des fragments de forêt sont des facteurs déterminants pour la diversité et l'abondance des arthropodes bénéfiques et nuisibles. Cependant, le motif des arthropodes bénéfiques est contradictoires avec celui des arthropodes nuisibles, entraînant des effets de la structure du paysage sur la régulation des ravageurs qui sont inconsistants. Dernièrement, à l'aide d'un cadre de modélisation, j'ai exploré comment changer les motifs de perte d'habitat dans un paysage affecte la fourniture de services écologique à différentes échelles. Mon modèle révèle que la forme de la relation entre les fragments d'habitat et des services est essentielle à la determination de l'approvisionnement de services sur le paysage. De plus, il y a des dissonances entre la prestation de services à différentes échelles. Cependant, la modification du motif de la perte d'habitat peut contribuer à atténuer ces problèmes.Dans l'ensemble, ma thèse indique que la compréhension des liens entre la structure du paysage, la biodiversité, et les services écologiques sera un élément critique de la recherché qui permettra d'améliorer notre capacité à concevoir des paysages multifonctionnels. C'est seulement en comprenant comment les activités humaines et l'utilisation des terres affectent les services écologiques que nous pouvons générer des outils de gestion qui maximise les multiples services à l'échelle du paysage. Comme la demande pour les services écologiques et nos impacts sur les systèmes naturels continuent d'augmenter, ce sera un manque de connaissances de plus en plus important de remplir