Biodiversité et intégrité écologique des écosystèmes aquatiquesrevue par les archives sédimentaires des lacs forestiers soumis aux

perturbations naturelles et anthropiques

Reinhard PIENITZ

Département de Géographie

Université LavalPhoto: Reinhard Pienitz

Laboratoire de

Paléoécologie Aquatique

Les écosystèmes et habitats aquatiques d’eau douce sont influencés parl'environnement qui les entoure et en dépendent. La forêt dans un bassin versantrefroidit un plan d’eau en lui donnant de l'ombre, lui apporte des quantités variablesde matières organiques et d'éléments nutritifs, et l’aide à filtrer l'eau. Parconséquent, si la forêt du bassin versant subit des changements majeurs,l'écosystème aquatique- y compris les plantes et les animaux- est également modifié.

Photo: Vosagus / licence CC BY-SA 3.0 Via Wikimedia Commons

• Infiltration?

• Ruissellement?

• Sédiments?

Les effets de la végétation sur le ruissellement, les eaux

souterraines et le transport des sédiments

Plus de ruissellement

Plus de transport des sédiments

Moins d’infiltration

Dépôt de sédiments

Plus d’infiltration

Photos: 3.bp.blogspot.com; Figure: https://www.meted.ucar.edu/training_module.php?id=207

Les activités forestières ont le potentiel de causer desperturbations et d’amplifier un nombre de conditions ayant uneffet négatif sur les habitats et biotes aquatiques:

• Érosion des sols (forte turbidité, taux de sédimentation élevé)

• Modification des courants dans la colonne d’eau

• Modification du régime thermique du lac

• Concentration en nutriments (eutrophisation)

• Matière organique (biomasse)

• Niveaux d’oxygène (désoxygénation)

• Produits chimiques (pollution)

• Etc.

perte de la biodiversité

perte de services écosystémiques

Begon et al. 2006, Ecology: from individuals to ecosystems

L’effet de la déforestation sur le ruissellement

et la composition chimique des cours d’eau

DéforestationConcentrations d'ions dans

l'eau provenant du bassin

versant expérimentalement

déboisé et du bassin versant

de « contrôle » du ruisseau

Hubbard, É.-U.

Le moment de la

déforestation est indiqué par

la ligne pointillée rouge

(d’après Likens & Borman, 1975).

Ca 2+

K +

NO3-

Bassin versant déboisé

Bassin versant de contrôle

Populations de poissons: perturbations par les activités forestières, Jamésie

Dallaire 2006, CTRI

Objectif:

Démontrer l’utilité des données à long-terme de la paléolimnologie pour connaîtrel’évolution de la biodiversité passée dans les lacs forestiers (algues, invertébrés, chaînetrophique) sous l’influence des perturbations forestières (naturelles et anthropiques), pourainsi mieux prévoir les mesures de protection et de gestion.

Paléolimnologie

Science multidisciplinaire qui étudie l’information biologique, chimique et physique préservée dans les sédiments qui s’accumulent au fond des lacs

L’approche paléolimnologique

Indicateurs des changements dans les archives sédimentaires

alguesinvertébrés

L’approche du « Top-Bottom » ou « Avant-Après »en paléolimnologie

Hausmann & Pienitz 2009, Hydrobiologia

Variations saisonnières de la chimie de l'eau et des communautés de diatomées dans six lacs boréaux des Laurentides (Québec, Canada): impacts de la récolte du bois et du climat

Lac Maxi = seul lac dont le bassin versant

avait été entièrement dégagé peu avant

l'échantillonnage en 2002, alors que les

sols manquaient de couverture végétale

Hausmann & Pienitz, Hydrobiologia 2009

Moyenne composition chimiquede l’eau, profondeur Secchi (=turbidité), et concentration dechlorophylle a dans six lacs desLaurentides, Charlevoix (C =Cyprès, J = Joachim, M = Moreau, S= Sommet, E = Elysée, M = Maxi).Les échantillons ont été prélevésde mai à octobre en 2002 à desintervalles de deux semaines. Lesbarres d'erreur représentent ladéviation standard.

Lac Maxi présentait des

concentrations de P, PRS, N,

chlorophylle a et COD

significativement plus élevées, et

une turbidité plus forte

(profondeur Secchi 3 fois moins

profonde)

P(µg L-1)

N(µg L-1)

Chla(µg L-1) COD(mg L-1)

PRS(µg L-1)

Secchi (m)

Variations saisonnières de la chimie de l'eau et des communautés de diatomées dans six lacs boréaux des Laurentides (Québec, Canada): impacts de la récolte du bois et du climat

Hausmann & Pienitz 2009, Hydrobiologia

Maxi

Asterionella formosa = typique des milieux eutrophes !

Walden Pond, Massachusetts, États-Unis

Köster et al. 2005, Aquatic Ecosystem Health & Management

Walden Pond, Massachusetts, États-Unis:

effets de l’exploitation forestière

Köster et al. 2005, Aquatic Ecosystem Health & Management

• 430 à 1750 AD : période de stabilité environnementale• 1750 AD à aujourd’hui : exploitation forestière dans le bassin

versant de Walden Pond

Pollens

Köster et al. 2005, Aquatic Ecosystem Health & Management

Walden Pond, Massachusetts, États-Unis:

effets de l’exploitation forestière

Diatomées

Apparition massive d’espèces d’algues indicatrices d’une productivité primaire élevée !

Biomasse totale moyenne annuelle de différents groupes d’algues dans des lacs du Bouclier Canadien, Québec. R = lacs de référence/contrôle; D = lacs déboisés; B = lacs brûlés.

R D B R D B R D B

Impact des effluents d’usines de pâtes et papiers sur les biotes aquatiques du lac Päijanne (Finlande)

Meriläinen et al. 2001, J. Paleolimnology

Concentration d'acides résiniques de l'industrie de transformation chimique du bois dans les sédiments du lac Päijanne

Impact des effluents d’usines de pâtes et papiers sur les diatomées et chironomidés à travers le temps dans les sédiments du lac Päijanne (Finlande)

Meriläinen et al. 2001, J. Paleolimnology

chironomidés

diatomées

Ordination ACP (analyse des composantes principales)pour les diatomées dans les sédiments du lac Päijanne, Finlande

Meriläinen et al. 2001, J. Paleolimnology

Exemple reconstitution biodiversité par méthodes ADN

en paléolimnologie

Domaizon et al. 2017, J. Paleolimnology

groupes ne produisant pas de restes morphologiques adéquats, mais dont l'ADN pourrait être utilisé en paléolimnologie

groupes produisant des restes morphologiques adéquats

Reconstitution de la paléo-biodiversité

Nombre d'espèces (indice de richesse) à n'importe quelle

période de temps dans le passé

(ex., indices de Shannon, Simpson)

Différences dans la composition en espèces

à travers le temps

(angl. compositional turnover = CT)

Diversité BetaDiversité Alpha

Reconstitution de la paléo-biodiversité

Engels, Medeiros et al., in prep.

lac T 02

expansion des arbustes

α-div. ß-div.

Conclusions et perspectives (1)

• Sédiments lacustres = documents polyvalents des impacts d’activités forestières sur la biodiversité et l'intégrité écologique des écosystèmes aquatiques en milieu boisé;

• Paléolimnologie fournit une perspective à long-terme et une référence de base (« background ») qui permet aux décideurs de développer des stratégies de protection adéquates (durables) dans le cadre de plans de gestion des écosystèmes;

• Analyse ADN contribue à l'élaboration de nouveaux scénarios de biodiversité (multiples dimensions de la diversité, nouveaux indicateurs) face aux pressions environnementales à travers le temps.

Général

Impacts des coupes forestières• L’exploitation forestière change la capacité de rétention des nutriments

par le bassin versant des lacs, et modifie leurs conditions physiques, chimiques et biologiques;

• Changements coïncident principalement à l’augmentation des apports externes en sédiments organiques et de produits de décomposition dissous des sols à partir du bassin versant;

• Pas d’effet significatif sur lacs en forêt localisés sur le Bouclier Canadien avec faible développement de sols;

• Situation différente pour les lacs du Bouclier Canadien avec sols épais dans leur bassin versant;

• Durée des impacts sur les lacs peut varier en fonction de plusieurs facteurs (ex, épaisseur et type de sol, temps de régénération de la végétation, ratio superficie déboisée/superficie lac, temps de séjour des eaux, etc.).

Conclusions et perspectives (2)

Remerciements

• Mme Marie-France Barrette, MFFP

• Membres du LPA, Université Laval

Laboratoire de Paléoécologie Aquatique