Évaluation des effets cumulatifs des changements globaux sur les écosystèmes : le cas de l'estuaire et du golfe du Saint-Laurent

RÉSUMÉ: Les écosystèmes sont de plus en plus soumis aux effets cumulatifs d'une variété de stresseurs environnementaux en réponse à la demande croissante en ressources naturelles et à l'intensification des changements climatiques. Ces observations stimulent une demande croissante pour les approches de gestion écosystémique et les évaluations régionales des effets cumulatifs. Pourtant, une gestion environnementale par silos centrée sur les évaluations par espèces et stresseurs individuels demeure la norme. Cette absence d'approches holistiques est particulièrement inquiétante pour la gestion d'espèces exploitées ou en péril puisque leur dynamique, comme celle de toutes espèces, est régie par le réseau d'interactions liant les espèces entre elles au sein d'une communauté écologique et à travers lequel les effets des stresseurs peuvent se propager indirectement. Cette disparité entre les besoin d'approches holistiques et la pratique est partiellement expliquée par un manque généralisé de connaissances théoriques des effets de multiples stresseurs sur les communautés écologiques et par des contraintes logistiques et méthodologiques. Dans ce contexte, l'objectif général de ma thèse est d'évaluer les effets cumulatifs des changements climatiques et des activités humaines sur les communautés écologiques du Système du Saint-Laurent au Canada. Les hypothèses générales de la thèse sont que les interactions influencent la propagation indirecte et non-additive des effets de multiples stressors à travers les communautés et que, en tant que tel, les interactions et les stresseurs devraient être considérés conjointement au sein d'analyse d'effets cumulatifs communauté-centrée.La thèse est divisée en trois parties. Dans la première partie (chapitre 1), je conceptualise la propagation des stresseurs environnementaux à travers les réseaux trophiques et j'explore théoriquement comment des stresseurs simulés affectent des motifs à trois espèces et des communautés du Système du Saint-Laurent. Nous trouvons que négliger les interactions écologiques sous-estime systématiquement les effets des stresseurs et que les effets synergiques et antagonistes sont fréquents à travers les interactions. À l'échelle des réseaux, nous trouvons que les prédateurs apicaux sont négativement affectés, alors que les méso-prédateurs bénéficient des effets des stresseurs dans le Système du Saint-Laurent. Par contre, la sensibilité des espèces dépend de la structure des réseaux trophiques. Le travail théorique proposé au chapitre 1 permet de valider les hypothèses générale de la thèse et offre un cadre accessible et appuyé par la théorie écologique pour inclure les interactions écologiques à l'évaluation des effets cumulatifs.La deuxième partie de ma thèse aborde des défis logistiques et méthodologiques pour l'évaluation des effets cumulatifs des changements climatiques et des activités humaines sur les communautés du Système du Saint-Laurent. Au chapitre 2, j'aborde le défi de caractériser les interactions écologiques au sein de systèmes où peu de données sont disponibles. Je présente une nouvelle méthode d'apprentissage non supervisée pour prédire les interactions binaires à partir de la proximité taxonomique entre espèces et d'une collection d'interactions empiriques connues entre espèces marines. Les résultats suggèrent que les interactions écologiques peuvent être prédites avec précision, ce qui pourrait promouvoir leur utilisation pour la gestion environnementale. Au chapitre 3, j'identifie des enjeux environnementaux et suggère des priorités de recherche et de gestion pour promouvoir les évaluations d'effets cumulatifs et la gestion écosystémique dans le Système du Saint-Laurent. Au chapitre 4, je caractérise la distribution et l'intensité de stresseurs environnementaux issus des activités humaines et des changements climatiques dans le Système du Saint-Laurent. À partir de collaborations, d'initiatives environnementales existantes et de portails de données ouvertes, 22 stresseurs d'origine côtière, du climat, de la pêche et du trafic maritime ont été car ctérisés. Les résultats du chapitre 4 démontrent que les stresseurs sont répandus partout dans le Système du Saint-Laurent et que l'estuaire, la gyre d'Anticosti, et les milieux côtiers sont particulièrement exposés aux stresseurs.Dans la troisième partie de la thèse (chapitre 5), je présente une évaluation des effets cumulatifs sur 193 espèces du Système du Saint-Laurent à partir d'une nouvelle approche communauté-centrée qui considère les interactions écologiques et les effets indirects. L'approche proposée s'appuie sur le cadre théorique présenté au chapitre 1 et utilise les résultats et méthodes des chapitres 2, 3 et 4. Je compare cette approche à une approche conventionnelle espèce-centrée pour exposer des propriétés émergentes provenant des interactions écologiques et des effets sur des espèces qui seraient normalement ignorés. Pour certaines espèces, considérer les interactions écologiques pourraient être l'unique moyen d'évaluer les effets des stresseurs environnementaux. Les poissons et les mammifères marins sont particulièrement susceptibles aux effets indirects de tous les types de stresseurs considérés; ceci est un contraste marqué avec le nombre limité de stresseurs qui les affectent directement.En alliant théorie, gestion environnementale et bio-informatique, ma thèse montre que les interactions écologiques sont un élément clé à considérer pour l'évaluation des effets de multiple stresseurs et propose une approche accessible pour les intégrer aux évaluations d'effets cumulatifs. Mes résultats sont particulièrement pertinents pour la gestion d'espèces exploitées et en péril, pour qui nous ignorons potentiellement des risques importants en négligeant les effets indirects provenant des interactions entre espèces. Développer ces capacités holistiques est essentiel en vue d'opérationnaliser un mode de gestion environnementale écosystémique. -- Mot(s) clé(s) en français : effets cumulatifs, stresseurs environnementaux, effets indirects, interactions biotiques, effets non-additifs, communautés écologiques, réseaux trophiques, Système du Saint-Laurent, activités humaines, changements climatiques. -- ABSTRACT: With demands for natural resources increasing alongside populations, and the effects of climate change intensifying, ecosystems worldwide are increasingly burdened with the cumulative effects of a vast array of environmental stressors. These observations stimulate a growing demand for ecosystem-based approaches and regional cumulative effects assessments. Yet environmental management still overwhelmingly operates in silos, focusing instead on single-stressor and single-species assessments. This is particularly concerning for exploited and endangered species whose dynamics, like that of all species, is driven by the network of interactions structuring ecological communities and through which the effects of stressors can propagate indirectly. A general lack of theoretical understanding of the effects of multiple stressors on ecological communities, and methodological and logistical constraints explain part of this discrepancy. In this context, the general objective of this thesis is to evaluate the cumulative effects of climate change and human activities on the ecological communities of the St. Lawrence System in eastern Canada. The general hypotheses guiding the thesis are that species interactions influence the indirect and non-additive spread of the effects of multiple stressors through communities and that, as such, species interactions and stressors should be considered together in network-scale cumulative effects assessments.The thesis is divided in three parts. In the first part (chapter 1), I conceptualize how stressors propagate through food webs and explore theoretically how they affect simulated 3-species motifs and food webs of the Canadian St. Lawrence System. We find that overlooking species interactions invariably underestimates the effects of stressors, and that synergistic and antagonistic effects through species interactions are prevalent. At the scale of food webs, we find that apex predators are generally negatively affected and mesopredators benefit from the effects of stressors in the St. Lawrence System, but that species sensitivity is dependent on food web structure. The theoretical simulations proposed in chapter 1 validate the general hypotheses of the thesis and provide an accessible and theory-grounded framework for the inclusion of species interactions in cumulative effects assessments.The second part of the thesis addresses logistical and methodological challenges for the cumulative effects assessment of climate change and human activities on communities of the St. Lawrence System. In chapter 2, I address the challenge of characterizing ecological interactions in data-deficient ecosystems. I present a new unsupervised machine learning method to predict interactions between any given set of species, given pairwise taxonomic proximity and a collection of known empirical interactions between marine species. Results from chapter 2 suggest that ecological interactions can be predicted with high accuracy, which could promote their use for environmental management. In chapter 3, I identify environmental issues and suggest research and management priorities to promote cumulative effects assessment and ecosystem-based management in the St. Lawrence System. In chapter 4, I characterize the distribution and intensity of environmental stressors arising from human activities and climate change in the St. Lawrence System. Through collaborations, existing environmental initiatives and open data portals, data-based indicators for 22 coastal, climate, fisheries, and marine traffic stressors were developed. Results from chapter 4 show that stressors are widespread and that coastal areas and the Estuary, Anticosti Gyre, and coastal areas are particularly exposed to cumulative

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