N°64-2011 Année 2011 THESE DE L'UNIVERSITE DE LYON Délivrée par L'UNIVERSITE ...

209 Pages·2011·11.23 MB·French

N°64-2011 Année 2011

THESE DE L’UNIVERSITE DE LYON

Délivrée par

L'UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON I

ECOLE DOCTORALE Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation

DIPLOME DE DOCTORAT

(arrêté du 7 août 2006)

soutenue publiquement le 21 avril 2011

par

M ARTHAUD Florent

TITRE :
Fonctionnement des étangs en réponse aux stress et perturbations d’origine anthropique :
diversité, structure et dynamique des communautés végétales.

Directrice de thèse :
BORNETTE G. (Directrice de recherches CNRS, Université de Lyon I)
Co-directrice de thèse :
VALLOD D. (Enseignante-Chercheuse, ISARA-Lyon)

JURY :
DANGER M. (Maître de Conférences, Université de Metz)………………………………...Rapporteur
GRILLAS P. (Directeur scientifique, Tour du Valat) ……………………………….…….Examinateur
JOLY P. (Professeur, Université de Lyon I)…….…………………………………………Examinateur
LI W. (Professeur, Jardin Botanique de Wuhan, Chine) …………………………………….Rapporteur
WILLBY N.J. (Maître de Conférences, Université de Stirling, UK) ……………………….Rapporteur

Fonctionnement des étangs en réponse aux stress et perturbations d’origine
anthropique : diversité, structure et dynamique des communautés végétales.

Résumé:
Un des enjeux importants de l’écologie est de comprendre comment les pratiques
anthropiques affectent la biodiversité et quelles en sont les conséquences sur le
fonctionnement des écosystèmes. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension
des mécanismes régissant les communautés végétales aquatiques, et plus particulièrement
ceux liés aux perturbations anthropiques et aux phénomènes d’eutrophisation. Les méta-
écosystèmes constitués de réseaux d’étangs agro-piscicoles sont des modèles d’étude
adaptés à notre problématique car ils sont sous forte pression anthropique et présentent une
forte variabilité environnementale.
Dans un premier temps, nous avons étudié l’impact des modes de gestion des bassins
versants sur l’eutrophisation des étangs. Dans un second temps, nous avons mesuré l’effet
de l’eutrophisation sur la productivité et la diversité des communautés phytoplanctoniques.
Enfin, nous avons relié 3 types de contraintes générées par les pratiques anthropiques
(l’eutrophisation, l’assèchement et la connectivité entre les étangs) sur les communautés de
plantes aquatiques en termes de diversité spécifique et fonctionnelle. L’effet de
l’eutrophisation, le recrutement et l'établissement des communautés des plantes aquatiques
a été abordé au travers de la relation entre la banque de graines et la végétation établie.
L’eutrophisation est le facteur majeur responsable de la diminution de la biodiversité végétale
dans les étangs. Cependant les perturbations récurrentes constituées par les assecs,
engendrent une succession cyclique qui contribue à maintenir une forte biodiversité dans les
étangs.

Mots-clés : Ecologie des communautés, Végétation aquatique submergée, Phytoplancton,
Banque de propagules, Eutrophisation, Connectivité, Assechement, Pisciculture, Succession
cyclique, Diversité Fonctionnelle, Stratégies Adaptatives, Traits d’histoire de vie,
Functioning of shallow lakes in response to anthropogenic stress and disturbances :
diversity, organization and dynamic of vegetation

Abstract:
One important issue of research in Ecology is to understand how anthropogenic activities are
influencing biodiversity and what are the consequences on ecosystem functioning. The aim
of the study is to improve the knowledge of the mechanisms governing aquatic plant
communities, particularly those related to human disturbance and eutrophication. Meta-
ecosystems constituted by networks of fish-farming shallow lakes are study models adapted
to our problematic because they are submitted to a strong anthropogenic pressure and
because they show a high environmental variability.
First, we studied the impact of watershed management practices on shallow lakes
eutrophication. In a second step, we measured eutrophication effect on productivity and on
diversity of phytoplankton communities. Finally, we were able to link 3 types of constraints
generated by human practices (eutrophication, drying and connectivity between shallow
lakes) to aquatic plant communities in terms of specific and functional diversity. The impact of
eutrophication, recruitment and establishment of aquatic plant communities has been
approached through the relationship between the seed bank and established vegetation.
Eutrophication is the major factor responsible for the loss of plant biodiversity in shallow
lakes. However frequent disturbances due to drying events induce a cyclic succession that
helps maintain a high biodiversity.

Key-words: community ecology, submerged aquatic vegetation, phytoplankton, propagule
bank, eutrophication, connectivity, drought, fish farming, cyclic succession, functional
diversity, adaptive strategies, life history traits
__________________________________________________________________________
Université Claude Bernard Lyon 1– UMR CNRS 5023 LEHNA
Equipe Ecologie Végétatle et Zones Humides
Bât. Forel
F-69622 VILLEURBANNE Cedex
ISARA-LYON
Equipe Ecosystèmes et Ressources Aquatiques
23 rue Jean Baldassini,
69364 LYON Cedex 07
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6
REMERCIEMENTS

Je tiens tout d’abord à remercier Wei Li, Nigel Willby et Michael Danger d’avoir accepté d’être les
rapporteurs de ma thèse, et Pierre Joly et Patrick Grillas d’être examinateurs de ma soutenance.

Un immense merci à mes deux directrices de thèse pour m’avoir supporté, moi et mes fautes
d’orthographe, pendant trois ans. Un très grand merci à Gudrun Bornette pour m’avoir appris que les
herbes qui poussent dans l’eau ont des noms différents et s’avèrent être un modèle passionnant pour
tester des théories d’écologie. Une grande reconnaissance pour son savoir théorique et pratique, et
de m’en avoir fait bénéficier sans compter ses heures du jour et de la nuit. Un très grand merci à
Dominique Vallod pour m’avoir fait profiter de sa passion et de sa connaissance des étangs piscicoles
et de leur fonctionnement écologique, ainsi que pour m’avoir donné de nombreuses opportunités pour
améliorer mon expression orale.
Un très grand merci à Joël Robin pour m’avoir appris que les traces vertes qui flottent dans l’eau sont
des cellules avec des noms différents. Merci également pour avoir partagé des moments de sciences
et autres, auxquels se joignent les personnes ayant participé aux programmes DIVA : Alexander
Wezel, l’équipe Suisse composée de Beat Oertli, Véronique Rosset, Sandrine Angelibert et David
Leclerc ainsi que Jean Wuillot de IRIS consultant.

Je remercie les membres de mon comité de pilotage, Jean-Marcel Dorioz, Yvan Lagadeuc, François
Mesleard, et une nouvelle fois Beat Oertli, pour l’assistance et les conseils qu’ils m’ont prodigués en
fonction de leurs domaines de compétence respectifs. Je remercie également Serge Fenet du LIRIS
pour m’avoir initié et accompagné dans le monde des systèmes complexes.
Je voudrais aussi exprimer ma gratitude à mes anciens directeurs de stage Marie-Claude Bel-Venner,
Thiery Lengagne, Frédéric Menu et Samuel Venner qui m’ont transmis leur passion pour la recherche
et l’écologie, et donné un sens à mes études.
Merci aux personnes qui nous ont permis l’accès à leurs étangs, ceci comprenant l’ensemble des
gestionnaires et propriétaires, notamment la fondation Vérots et le parc des oiseaux de Villard-Les-
Dombes.

Je voudrais également remercier tous les chercheurs de l’équipe EVZH du LEHNA, ainsi que du
département AGEP de l’ISARA que j’ai pu côtoyer durant ces trois ans et avec qui j’ai eu plaisir à
discuter science, enseignement et surtout de tout et de rien.
Merci aussi à Mathieu Guerin, Thomas Lhuillery, Sylvie Prestoz, Félix Vallier et Marie-Rose Viricel,
pour leur aide technique, indispensable au bon déroulement de ma thèse, accompagnée de plus ou
moins longues discussions.
Merci aussi à tous les stagiaires que j’ai pu encadrer plus ou moins longtemps, votre aide m’a été très
précieuse, merci donc à Brice Ezzouaouy, Emanuelle Girard, Mathilde Mousset , Deborah Nadal et
Julien Lavoie.

Et comme après le boulot, il y a encore le boulot, je tiens à remercier tous mes collègues doctorants
avec qui j’ai passé de très bon moment, pour le LEHNA, les filles d’à coté et les vieux du M2 et pour
l’ISARA les Globulos du C316 et l’ensemble de l’AS PingPongTeam. Surtout un très, très, très grand
merci à David Pobel et Soraya Rouifed, mes 2 voisins de mes 2 bureaux respectifs, qui en
commençant leur thèse en même temps que moi, ont dû me supporter pendant 3 ans, notamment
mes conversations avec fin brutale.

Et comme avant la thèse, il y avait moins de boulot, je voudrais remercier pour leur soutien et leurs
encouragements, les copains du El’Perturbator, les musiciens de Mions et des environs.
Merci à ma famille, mes grands parents qui m’ont toujours poussé dans mes études, mes grands
frères qui m’ont toujours poussé tout court et mes parents sans qui je n’aurais pas eu cet
engouement et cette curiosité pour la nature.
Pour m’avoir supporté depuis le début de la thèse, et surtout dans les derniers moments où même
moi je ne me supportais plus, un remerciement sans fin à Clarisse

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INTRODUCTION..........................................................................................................................................11

1.1
 Paramètres régissant les communautés végétales des écosystèmes lentiques.........................13

1.1.1
Compétition dans les communautés végétales....................................................................................14

1.1.1.1
 Compétition pour la lumière.......................................................................................................................................16

1.1.1.2
 Compétition pour les nutriments...............................................................................................................................20

1.1.1.3
 Allélopathie....................................................................................................................................................................24

1.1.2
Effet des contraintes abiotiques et biotiques sur la compétition dans les communautés
végétales.....................................................................................................................................................26

1.1.2.1
 Assèchement...............................................................................................................................................................27

1.1.2.2
 Vagues et remise en suspension du sédiment.....................................................................................................28

1.1.2.3
 Le rôle du zooplancton...............................................................................................................................................30

1.1.2.4
 Communautés piscicoles...........................................................................................................................................30

1.1.2.5
 Communautés aviaires..............................................................................................................................................32

1.1.3
Stratégies adaptatives...............................................................................................................................32

1.1.3.1
 Stratégies adaptatives du phytoplancton................................................................................................................33

1.1.3.2
 Stratégies adaptatives des plantes aquatiques.....................................................................................................35

1.2
 Dynamique temporelle et structure spatiale des communautés végétales..................................36

1.2.1
Les successions saisonnières.................................................................................................................36

1.2.1.1
 Dynamique saisonnière des espèces phytoplanctoniques................................................................................36

1.2.1.2
 Dynamique saisonnière au sein des plantes aquatiques....................................................................................38

1.2.2
Dynamique spatiale des metacommunautés.........................................................................................39

1.2.2.1
 Application du concept de métacommunauté au phytoplancton......................................................................42

1.2.2.2
 Application du concept de métacommunauté aux plantes aquatiques...........................................................43

1.3
 États stables alternatifs.....................................................................................................................46

1.3.1
Principe théorique des états stables alternatifs...................................................................................46

1.3.1.1
 Principe d’hystérésis...................................................................................................................................................46

1.3.1.2
 Mécanismes stabilisants et nutriments...................................................................................................................47

1.3.2
Les différents états stables alternatifs...................................................................................................48

1.3.3
Dynamique temporelle et distribution spatiale des états stables alternatifs..................................50

1.3.3.2
 Distribution spatiale des états stables alternatifs...................................................................................................51

1.3
 Etats stables alternatifs et gestion agro-piscicole...........................................................................53

Problématique de la thèse...........................................................................................................................58

MATERIELS ET METHODES.....................................................................................................................61

2.1
 Site d’étude..................................................................................................................................................61

2.2
 Analyse critique des méthodes...............................................................................................................61

2.2.1
Activités agricoles et poissons............................................................................................................................................63

2.2.2
Mesure de la stabilité de la colonne d’eau........................................................................................................................63

2.2.3
Résistance à l’assec des communautés phytoplanctoniques.....................................................................................64

RESULTATS................................................................................................................................................67

3.1
 Gestion des bassins versants et eutrophisation.............................................................................67

3.2
 Eutrophisation, structure et diversité des communautés phytoplanctoniques............................101

3.3
 Eutrophisation, perturbations anthropiques et communautés des plantes aquatiques.............119

3.3.1
Eutrophisation, perturbations anthropiques et richesse spécifique..............................................119

3.3.2
Eutrophisation, perturbations anthropiques et diversité fonctionnelle.........................................137

3.3.3
Eutrophisation et relation plantes aquatiques et banque de propagules......................................159

3.3.4
Relation richesse spécifique et richesse fonctionnelle.....................................................................177

DISCUSSION ET PERSPECTIVES.........................................................................................................179

4.1
 Fonctionnement des étangs...........................................................................................................179

4.2
 Dynamique spatiale et temporelle : une question de référentiel.................................................183

4.2.1
Dynamique temporelle : approche diachronique versus synchronique........................................183

4.2.2
Dynamique spatiale : approche à l’échelle de la région ou du réseau...........................................185

4.3
 Implications en termes de gestion et conservation.......................................................................186

Conclusion..................................................................................................................................................195

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