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Analyse de la variabilité spatio-temporelle des refuges thermiques à l'échelle du paysage lotique : Importance pour les populations de saumon atlantique (Salmo salar) / Riverscape analysis of the spatio-temporal variability of thermal refuges: Significance for Atlantic salmon (Salmo salar) populations.

Dugdale, Stephen J. (2014). Analyse de la variabilité spatio-temporelle des refuges thermiques à l'échelle du paysage lotique : Importance pour les populations de saumon atlantique (Salmo salar) / Riverscape analysis of the spatio-temporal variability of thermal refuges: Significance for Atlantic salmon (Salmo salar) populations. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de la terre, 260 p.

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Résumé

La température de l'eau est l'un des facteurs clé de l'habitat en rivière, contrôlant à la fois la distribution et le comportement des organismes aquatiques. Comme toutes les espèces ectothermes, les salmonidés sont incapables de contrôler eux-mêmes leur température corporelle et sont par conséquent particulièrement intolérants aux températures élevées. Afin de survivre aux épisodes de chaleurs extrêmes, ils doivent ainsi trouver et utiliser des zones où l'eau est plus froide que celle du chenal principal. Ces zones, appelées refuges thermiques, jouent un rôle important dans le maintien des populations de poissons dans des rivières qui seraient normalement trop chaudes pour une espèce donnée. En raison du réchauffement prévu de la température de l'eau causé par le changement climatique, il est probable que les refuges thermiques joueront un rôle de plus en plus important sur la survie des salmonidés en eau douce. Une meilleure compréhension de ces refuges est donc essentielle. Cependant, les facteurs contrôlant la variabilité spatio-temporelle des refuges thermiques ainsi que leurs impacts sur les salmonidés demeurent méconnus. Cette thèse a pour objectif d'améliorer les connaissances sur les refuges thermiques en mettant en lumière les facteurs responsables de leur variabilité temporelle et spatiale ainsi que leur utilisation par les salmonidés à l'échelle du paysage lotique («riverscape»), ceci en utilisant le saumon atlantique comme espèce modèle. Afin de caractériser la variabilité spatio-temporelle des refuges thermiques, nous avons développé un système héliporté d'imagerie optique et infrarouge thermique. Ce système, conçu pour acquérir des images optiques et thermiques d'une résolution de ~ 3 cm et ~ 20 cm respectivement à partir d'une altitude de 300 m AGL, a été utilisé afin d'obtenir des images de deux rivières à saumon du Québec, la rivière Ouelle et la rivière Restigouche. Les données provenant de six survols aériens de la Ouelle, effectués entre 2009 et 2011, ont été utilisés afin de caractériser la variabilité temporelle des refuges thermiques ainsi que les facteurs la contrôlant. Nous avons observé que la variabilité temporelle était différente selon le type de refuge. Ceux qui provenaient des processus d'eau souterraine étaient beaucoup plus variables dans le temps que ceux associés aux tributaires. De plus, la variabilité temporelle des suintements latéraux d'eau souterraine était fortement corrélée avec le débit moyen saisonnier, ce qui indique que la variabilité des refuges thermiques est générée par des tendances hydrométéorologiques à long terme. Ces résultats sont les premiers à relier la dynamique temporelle des refuges à des conditions hydrométéorologiques et offrent des informations précieuses sur la façon dont l'évolution des régimes climatiques pourrait influencer l'hétérogénéité de la température des rivières dans le futur. Les facteurs contrôlant la variabilité spatiale des refuges thermiques ont été examinés en utilisant les images thermique et optique de ~700 km de la rivière Restigouche. Cette base de données comprenant plus de 38 000 images est sans précédent dans le domaine de la télédétection fluviale, et offre une opportunité unique de comprendre les processus responsables de la présence et de l'abondance des refuges thermiques sur un bassin versant entier. Parmi les refuges thermiques identifiés à partir des images aériennes, ceux associés aux processus d'eau souterraine ont été identifiés comme étant à la fois les plus abondants et les plus variables dans l'espace. Une analyse SIG a indiqué que la présence ou l'absence de refuges thermiques d'eau souterraine est positivement reliée à la courbure du chenal et à la proximité de vallées tributaires. À plus grande échelle, les résultats montrent que la densité de refuges thermiques par km est fortement corrélée avec le degré de confinement du chenal dans sa vallée (mesurée comme le rapport entre la largeur de la vallée et la largeur du chenal). Cette étude est parmi les premières à démontrer comment la géomorphologie du paysage régit la distribution spatiale des refuges thermiques. Par ailleurs, les résultats présentent un potentiel considérable pour guider des stratégies de conservation ciblées permettant de préserver les habitats thermiques les plus importants dans les rivières touchées par le changement climatique. Le rôle des épisodes de température élevés sur les mouvements des saumons à l'échelle du tronçon a été examiné à l'aide d'une étude de marquage-recapture utilisant la télémétrie PIT («Passive Integrated Transponders»). Des antennes PIT placées autour de deux refuges thermiques et aux limites amont et aval du tronçon du cours d'eau principal dans lequel ils se déversent ont été utilisés pour enregistrer les mouvements des salmonidés en réponse à une température d'eau élevée. Il a été observé que le mouvement des poissons aux limites du tronçon se produisait en moyenne 135 minutes avant la taille maximale des agrégations dans les refuges thermiques. La régression logistique a montré que l'occurrence de mouvements à l'échelle du tronçon peut être prédite à partir des métriques de température simples avec un bon niveau de précision, ce qui suggère l'existence d'un seuil critique qui forcerait le saumon atlantique à se mettre à la recherche d'un refuge thermique. Ce mouvement n'a jamais été observé chez le saumon et jette un éclairage important sur la façon dont il se déplace pour trouver de l'eau fraîche pendant les canicules. Les résultats de cette thèse sont les premiers à mettre en évidence la variabilité spatiotemporelle des refuges thermiques à grande échelle, leurs mécanismes de formation et leurs impacts sur la mobilité des salmonidés à l'échelle du tronçon. Bien qu'il reste un travail considérable à faire afin de comprendre l'effet de la variation spatio-temporelle de la température de l'eau des rivières sur les populations de salmonidés, les résultats présentés dans cette thèse mettent en lumière l'importance des refuges thermiques et appuient les appels à intensifier les efforts déployés pour leur conservation, particulièrement dans les cours d'eau les plus menacés par le changement climatique.

Abstract

Water temperature is a key river habitat variable, governing the distribution and behaviour of ail fluvial organisms. Like ail ectothermic species, salmonids are unable to regulate their body temperature, and are th us particularly intolerant of high water temperatures. In order to survive heat waves, they thermoregulate by finding and using discrete zones of cool water. These zones, known as thermal refuges, play an important role in maintaining salmonid populations in rivers that would normally be too warm to support them. Due to predicted increases in water temperature caused by climate change, it is likely that thermal refuges will become increasingly important in ensuring the survival of salmon populations in freshwater. A better understanding of these critical cold water habitats is therefore vital. However, the factors controlling the spatio- temporal variability of these cold water habitats remain unknown. This thesis therefore aims to enhance our knowledge of thermal refuges by examining the drivers of their temporal and spatial variability and their use by salmonids at riverscape scales, taking the Atlantic salmon (Salmo salar) as an ecological model. In order to characterise the spatio-temporal variability of thermal refuges, we developed an optical and thermal infrared imaging system suitable for mounting on a helicopter. This system, capable of acquiring ~3 cm optical and ~20 cm thermal images from an altitude of 300 m AGL, was used to obtain imagery of two salmon rivers in Québec, Canada, the rivière Ouelle and the rivière Restigouche. Data from six aerial surveys of the rivière Ouelle carried out between 2009 to 2011 were used to examine the temporal variability of thermal refuges and their controlling mechanisms. We observed that the temporal variability of thermal refuges varied depending on the refuge type. Those driven by groundwater processes were significantly more temporally variable than those driven by the drainage network (eg. tributaries). Temporal variability of lateral groundwater seep refuges correlated significantly with seasonal mean discharge, indicating that the variability of thermal refuges is driven by long term hydrometerological trends. These results are the first to link refuge dynamics to hydrometeorological conditions and may offer valuable insights into how changing climatic regimes could influence these important cold water units in the future. Factors controlling the spatial variability of thermal refuges were examined using TIR and optical imagery of ~700 km of river in the Restigouche River watershed. This dataset, comprising over 38,000 images, is unprecedented in both the remote sensing and river sciences, and offers a unique opportunity to understand the processes responsible for thermal refuges across an entire watershed. Among the thermal refuges detected from aerial imagery, those driven by groundwater processes were both the most abundant and most spatially variable, with upland areas of the watershed showing particularly high densities of thermal refuges. GIS analysis indicated that the presence or absence of individual groundwater-driven thermal refuges was positively related to values of channel curvature and proximity of incoming tributary valleys. At larger scales, the density of thermal refuges per km was shown to correlate strongly with valley confinement (measured with a modified entrenchment ratio). This study is among the first to demonstrate how landscape geomorphology governs the spatial distribution of thermal refuges. Furthermore, the results demonstrate considerable potential for the adoption of targeted conservation strategies to preserve important thermal habitats in climate change affected rivers. The role of high temperature events in provoking reach-scale movement of salmon towards thermal refuges was examined using a mark-recapture study based on PIT telemetry. PIT antennas placed around the thermal refuges and at the upstream and downstream limits of the reach surrounding them (identified from thermal imagery of the rivière Ouelle) were used to record the movement of salmonids in response to high temperature. It was observed that movement at the upstream and downstream antennas occurred 135 minutes prior to the peak size of aggregations in the thermal refuges. Logistic regression showed that simple temperature metrics could predict the occurrence of reach-scale movement with a high degree of accuracy, highlighting the existence of a fundamental threshold causing Atlantic salmon to make reach-scale movements in search of thermal refuges. Such movement has never before been observed in salmon and sheds important light on how they move to find cool water during heatwaves. The results of this thesis are the first to document the spatio-temporal variability of thermal refuges at large scales and high resolutions, their driving mechanisms and their impacts on salmonid movement and behaviour at the reach scale. While there remains a considerable amount of research to be done with regards to understanding the effect of spatio-temporal variations in water temperature on salmonid populations, the results presented in this thesis highlight on the importance of thermal refuges and support their conservation, particularly in streams and rivers under threat of climate change.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Bergeron, Normand
Co-directeurs de mémoire/thèse: St-Hilaire, André
Mots-clés libres: température de l'eau; changement climatique; refuges thermiques; bassins versants nordiques; télédétection; paysage lotique; riverscape; saumon atlantique; Salmo salar; rivière Restigouche
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 17 août 2015 15:51
Dernière modification: 17 nov. 2015 20:52
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/2707

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