Dynamique des populations de coraux scléractiniaires en milieu insulaire fragmenté (Polynésie française) : importance des traits d’histoire de vie, susceptibilité aux perturbations naturelles, et implications pour la trajectoire des populations et la résilience des récifs coralliens - IRD - Institut de recherche pour le développement Access content directly
Theses Year : 2011

Population dynamics of scleractinian corals in a fragmented insular system (French Polynesia): importance of species life history traits, susceptibility to natural disturbances, and implications for population trajectories and resilience of coral reefs

Dynamique des populations de coraux scléractiniaires en milieu insulaire fragmenté (Polynésie française) : importance des traits d’histoire de vie, susceptibilité aux perturbations naturelles, et implications pour la trajectoire des populations et la résilience des récifs coralliens

Abstract

Coral reefs are experiencing increased frequency, intensity, and diversity of disturbances that threaten not only the corals themselves, but many associated species as well. The reefs located in the Society archipelago, French Polynesia, recently underwent two major disturbances: an outbreak of the corallivorous sea star Acanthaster planci and a cyclone. This investigation focuses on the dynamics of coral populations and of the major associated communities of the outer reef slopes of the islands Moorea and Raiatea in the context of these two disturbances. Coral population dynamics, as well as reef community dynamics, are governed by a combination of intrinsic factors specific to species (e.g., recruitment, growth, and mortality rates, and susceptibilities to various regulations) and extrinsic factors characteristic of their environment (e.g., quality of habitats, levels of biotic and abiotic stress, frequency and intensity of disturbances). In French Polynesia, these dynamics are strongly influenced by natural disturbances that affect the size, the structure, and the composition of communities. The first section of this PhD estimates the impact of two successive disturbances, the aforementioned Acanthaster outbreak and cyclone, on the dynamics of reef communities, and evaluates their consequences for species diversity and abundance by detailing the progression of these disturbances and quantifying their effects, including their spatial and temporal scales. For the sea star outbreak, on both studied islands Acanthaster densities were first observed in relatively restricted locations situated at the bottom of the outer reef slopes, where these predators greatly depleted coral populations before moving successively to adjacent sites, progressively spreading the outbreak to the whole insular reef system. Aside from this mode of progression, Acanthaster displayed strong feeding preferences among coral taxa, with the genera Acropora, Montipora, other scleractinians, and Pocillopora hierarchically preyed upon before these predators significantly impacted the genus Porites. While the cyclone did not display a significant impact on the coral cover of these reefs, which had already been highly impacted by Acanthaster; however, the cyclone did strongly damage the physical structure of the reef habitats upon which many species rely. Overall, the decline of corals resulted in an increase in the cover of turf algae, enabled by the relaxed competition for space, and it indirectly affected the trophic chain leading to a collapse of corallivorous fish assemblages (family Chaetodontidae) and a relative increase of herbivore fish assemblages (family Scaridae). This response of the ecosystem, with respect to consumer pressures which favor algae regulation and coral recovery, seems to characterize an ecosystem with high resilience potential; however, the exceptional severity of recent disturbances and the progressive drift in the structure of coral communities facing recurrent perturbations are of concern for the maintenance of the ecological services and the diversity of reefs in French Polynesia. The second section of this thesis investigates the spatial and temporal variability of coral population dynamics and their link with species life history traits and environmental conditions. This second part qualifies the size structure and quantifies the recruitment, growth, and mortality rates of the dominant coral species in French Polynesia, and identifies the life strategies of these taxa. Pocillopora displays an opportunistic strategy, with high production and dispersion of larvae, and small, relatively short-lived colonies. In contrast, Porites engages in a strategy based on the persistence of colonies on the reef, with a low rate of habitat colonization counterbalanced by elevated longevity and high resistance to disturbances. Acropora engages in a different strategy from both Pocillopora and Porites, which is based on competition and which displays an intermediate recruitment rate and relatively fast growth, but also high susceptibility to disturbances. Considering their respective life strategies, these coral taxa must rely on different environmental scenarios for their maintenance and for dominating reef habitats. The third section of this doctoral investigation focuses on the elaboration of a mathematical model that allows predicting the trajectory of coral assemblages under various environmental scenarios. This third part simulates the population dynamics of the major scleractinian taxa in French Polynesia both (1) during the colonization of the reef habitat, and (2) in the face of a hypothetical increase in the frequency of Acanthaster outbreaks. In accordance with the life strategies identified in the second section of this thesis, Pocillopora appears as the best colonizer of reef habitats, Acropora dominates the assemblages in a relatively stable environment, and Porites is the less impacted by repeated disturbances. The recurrence of disturbances affects the structure and the perennity of coral assemblages. Thanks to the relatively low and spatially restricted anthropic pressures in French Polynesia, coral reefs in this region are among the most resilient on our planet. As on many reefs, however, long term monitoring programs show an increase in the frequency and intensity of disturbances that threaten the maintenance of corals, as well as their associated communities. Today, coral reefs are in decline globally, and they seem to be heralds of a dynamic shared by many natural ecosystems. In the present era of anthropic disturbances and global climate change, the investigation of community regulation and resilience processes appears crucial for the durable management of these valuable ecosystems.
Les récifs coralliens sont soumis à une augmentation de la fréquence, de l’intensité et de la diversité des perturbations qui menacent la persistance des populations de coraux, ainsi que celle des espèces qui y sont associées. Les récifs de l’archipel de la Société en Polynésie française ont récemment connu deux perturbations majeures, une explosion démographique de l’étoile de mer corallivore Acanthaster planci et un cyclone. Dans ce contexte, ce programme de recherche a porté sur l’étude de la dynamique des populations de coraux et des principales communautés qui y sont associées sur la pente externe des îles de Moorea et de Raiatea. Les dynamiques des populations coralliennes et des communautés récifales sont gouvernées par une combinaison de facteurs intrinsèques propres aux espèces (e.g., taux de recrutement, vitesse de croissance, taux de mortalité, et susceptibilité aux facteurs de régulation) et de facteurs extrinsèques caractéristiques de leur environnement (e.g., qualité de l’habitat, degré de stress biotique et abiotique, fréquence et intensité des perturbations). En Polynésie française, ces dynamiques sont fortement orientées par les perturbations naturelles de grandes ampleurs qui influencent fortement la taille, la structure et la composition des communautés. Le premier volet de ce doctorat évalue l’impact de deux perturbations successives, l’explosion démographique d’Acanthaster et le cyclone, sur la dynamique des communautés récifales, et les conséquences sur la diversité et l’abondance des espèces. Cette première partie permet notamment de qualifier les modalités d’action de ces perturbations, ainsi que de quantifier leurs effets à différentes échelles spatiales et temporelles. Sur chacune des îles étudiées, les densités d’Acanthaster ont d’abord été observées sur une localité relativement restreinte à la base du récif de la pente externe, où les prédateurs ont fortement extirpé les populations coralliennes avant de se propager successivement aux sites et profondeurs adjacents, propageant ainsi progressivement la prolifération à l’ensemble du système récifal insulaire. De même, les Acanthaster ont montré des préférences alimentaires marquées selon les taxa coralliens, avec les genres Acropora, Montipora, autres genres scléractiniaires et Pocillopora ont été préférentiellement dévorés avant que ces prédateurs n’impactent significativement le genre Porites. Le passage du cyclone a montré relativement peu d’impact sur le recouvrement corallien sur des récifs déjà fortement affectés par les Acanthaster, mais a cependant fortement dégradé la structure physique des habitats récifaux auxquels sont inféodées de nombreuses espèces. Dans l’ensemble, le déclin corallien a résulté en une augmentation de la couverture en turf algal suite à une libération de la pression de compétition sur le substrat, et s’est répercuté dans le réseau trophique avec un effondrement des assemblages de poissons corallivores (famille Chaetodontidae) et, à l’inverse, un certain essor des assemblages de poissons herbivores (famille Scaridae). Cette réponse de l’écosystème, en termes de remaniement des assemblages de consommateurs en faveur de la régulation algale et la récupération corallienne, semble caractériser un écosystème à fort potentiel de résilience. Cependant, l’ampleur exceptionnelle des deux récentes perturbations, et la dérive progressive de la structure des communautés coralliennes face à la récurrence des perturbations, s’avèrent préoccupantes quant au maintien des services écologiques et de la diversité des récifs de la Polynésie française. Le second volet de ce manuscrit examine plus spécifiquement la dynamique des populations de coraux, sa variabilité spatiale et temporelle, et son lien avec les traits d’histoire de vie des espèces et avec les conditions environnementales. Cette seconde partie permet notamment de qualifier la structure de taille et de quantifier les taux de recrutement, de croissance et de mortalité des espèces dominantes du paysage corallien en Polynésie française, et d’identifier les stratégies de vie de ces taxa. Pocillopora montre une stratégie de type opportuniste, avec un fort investissement dans la production et la dispersion larvaire, et une taille et une durée de vie relativement limitée des colonies. A l’inverse, Porites montre une stratégie basée sur la persistance des colonies sur le récif, avec un faible taux de colonisation des habitats, mais en contrepartie une longévité importante et une forte résistance face aux perturbations. Acropora montre une stratégie encore distincte et basée sur la compétition, avec un taux de recrutement intermédiaire et une forte vitesse de croissance, mais cependant une susceptibilité importante aux perturbations. Avec leurs traits d’histoire de vie respectifs, ces différents taxa coralliens montrent des habilités variées à se maintenir et à dominer l’habitat récifal selon différents scénarios environnementaux. Le troisième volet de ce programme de recherche doctoral se concentre sur l’élaboration d’un modèle mathématique qui permet de prédire la trajectoire des assemblages coralliens sous divers scénarios environnementaux. Cette troisième partie permet notamment de simuler la dynamique des populations des principaux taxa scléractiniaires de Polynésie française, (1) lors d’une phase de colonisation de l’habitat récifal, et (2) face à une augmentation hypothétique de la fréquence des proliférations du prédateur Acanthaster. En concordance avec les stratégies de vie des espèces telles qu’identifiées au second volet de ce manuscrit, Pocillopora s’avère être le meilleur colonisateur des habitats, Acropora domine les assemblages sous un environnement relativement stable, et Porites est le moins affecté par les perturbations répétitives. La récurrence des perturbations affecte la structure et la pérennité des assemblages coralliens. Grâce à une pression anthropique relativement faible et restreinte à quelques sites particuliers, les récifs coralliens de la Polynésie française figurent parmi les plus résilients de notre planète. Cependant, à l’image d’autres récifs, les suivis à long terme montrent une augmentation de la fréquence et de l’intensité des perturbations qui en viennent à menacer le maintien des coraux, ainsi que des communautés récifales qui y sont associées. Aujourd’hui, les récifs coralliens sont globalement en déclin, et semblent être les précurseurs d’une dynamique partagée par de nombreux écosystèmes naturels. Dans l’ère actuelle des perturbations anthropiques et des changements climatiques globaux, l’investigation des processus de régulation des communautés et des capacités de résilience s’avère primordiale pour une gestion durable de ces écosystèmes si précieux.
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Mohsen Kayal. Dynamique des populations de coraux scléractiniaires en milieu insulaire fragmenté (Polynésie française) : importance des traits d’histoire de vie, susceptibilité aux perturbations naturelles, et implications pour la trajectoire des populations et la résilience des récifs coralliens. Biodiversité et Ecologie. École Pratique des Hautes Études (USR 3278 CNRS – CRIOBE – EPHE, Moorea, Polynésie française); Université de Perpignan (Laboratoire d’Excellence ‘‘CORAIL’’, Perpignan, France), 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01251936⟩

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