Impacts of land use on Ugandan rainforest streams: From fish physiology to ecosystem functioning

The main objective of this PhD thesis is to document impacts of deforestation and agricultural land use on afrotropical streams at the organismal, community, and ecosystem levels. Using a meta-analysis and systematic literature review comparing global distributions of current deforestation, freshwater fish diversity, consumption and trade of freshwater fishes by human populations, and research effort on deforestation impacts on inland waters, I first demonstrate that tropical Africa is the only region of the world that has rapid deforestation, high biodiversity, and a high reliance of human populations on inland waters for income and food security, and yet a low research effort. In the remainder of the dissertation, I present an empirical case study comparing rainforest and agricultural streams in and around Kibale National Park, Uganda. I first quantified alpha and beta diversity of invertebrates in 34 farm and forest stream sites in and around Kibale, and showed that deforestation reduces alpha diversity but increases beta diversity of Kibale streams. I then focused in on one forest-farm stream pair in each of two watersheds in the Kibale region to measure various ecosystem stocks and functions. Farm streams, compared to forested streams, had lower standing stock biomass of invertebrates despite abundant basal resources, as well as higher primary production, slower invertebrate-mediated litter decomposition, and lower secondary production of invertebrates. Finally, I adopted an evolutionary and eco-physiological perspective to examine adaptive divergence in various populations of a cyprinid fish occurring in both forest and farm streams. I asked whether deforestation-associated stream warming influences the metabolism, growth, and top-down trophic interactions of fish populations in farm streams, which was tested using a combination of acclimation experiments, respirometry, a mark-recapture study, and bioenergetics modeling. I showed that the metabolic costs of warming had little impact on either fish growth or trophic interactions, and that other effects of land use such as changes in predator and prey density have a much stronger impact on energy flow in these food webs. Overall, this thesis demonstrates strong effects of deforestation and agricultural land use on afrotropical streams at different levels of biological organization (organism, community, and ecosystem), but also identifies important knowledge gaps currently limiting the development of a fully global picture of the impacts of deforestation on the structure and function of stream ecosystems.L'objectif principal de cette thèse est de documenter les impacts de la déforestation et de l'utilisation agricole des terres sur les ruisseaux d'Afrique tropicale, aux niveaux de l'individu, de la communauté et de l'écosystème. Dans un premier temps, j'ai effectué une méta-analyse et une revue de littérature systématique comparant les distributions globales de la déforestation actuelle, la diversité de poissons, le commerce et la consommation de poissons d'eau douce par les populations humaines, de même que l'effort de recherche sur les impacts de la déforestation sur les eaux continentales. J'ai ainsi pu démontrer que l'Afrique tropicale est la seule région au monde qui présente une déforestation rapide, une forte biodiversité et où les populations humaines dépendent grandement des eaux continentales en termes de revenu monétaire et de sécurité alimentaire, avec pourtant un faible effort de recherche. Dans les autres chapitres de cette thèse, je présente une étude de cas comparant les ruisseaux de milieux agricoles et de forêts tropicales humides situés au sein, ou près, du parc national de Kibale, Ouganda. J'ai d'abord quantifié la diversité alpha et bêta des invertébrés dans 34 ruisseaux de fermes et forêts à l'intérieur ou aux alentours de Kibale, ce qui m'a permis de montrer que la déforestation réduit la diversité alpha, mais augmente la diversité bêta des ruisseaux de Kibale. Par la suite, j'ai focalisé sur une paire de ruisseaux forêt-ferme dans deux bassins versants de la région de Kibale afin de mesurer divers lots ('stocks') et fonctions écosystémiques. Comparativement aux ruisseaux de forêt, les ruisseaux agricoles avaient une biomasse d'invertébrés plus faible, malgré les ressources de base abondantes, ainsi qu'une plus grande production primaire, une décomposition plus lente par les invertébrés et une plus faible production secondaire d'invertébrés. Finalement, j'ai adopté une perspective évolutive et écophysiologique pour examiner la divergence adaptative de plusieurs populations de poissons cyprin présents dans les ruisseaux de ferme et de forêt. J'ai cherché à savoir si le réchauffement des ruisseaux induit par la déforestation influençait le métabolisme, la croissance et/ou les interactions trophiques de type "top-down" des populations de poissons des ruisseaux de ferme, ce qui a été testé par le biais d'une combinaison d'expériences d'acclimatation, de respirométrie, une étude de marquage-recapture ainsi que de la modélisation bioénergétique. J'ai montré que les coûts métaboliques du réchauffement avaient un faible impact sur la croissance des poissons et sur les interactions trophiques, mais que les autres effets liés à l'utilisation des terres, tel un changement dans la densité de prédateurs et de proies, ont un impact bien plus fort sur le flux d'énergie dans ces réseaux trophiques. Dans son ensemble, cette thèse démontre que la déforestation et l'utilisation agricole des terres affectent fortement les ruisseaux afro-tropicaux à différents niveaux d'organisation biologique (organisme, communauté et écosystème), tout en identifiant d'importantes lacunes dans nos connaissances limitant actuellement notre possibilité d'atteindre une compréhension réelement globale des impacts de la déforestation sur la structure et le fonctionnement des écosytèmes de ruisseaux