Status and functioning bioindication of water bodies: Use of phytoplankton morpho-functional traits to define diagnostic metrics Final report
Bioindication d'état et de fonctionnement en plan d'eau : Utilisation des traits morpho-fonctionnels du phytoplancton pour définir des métriques de diagnostic Rapport final
Résumé
This work is in line with the development of a multi-metric index for the assessment of the ecological status of water bodies with respect to the phytoplankton compartment in water. Thus, it is linked to the IPLAC index. In the end, it aims to complete its evaluation with so-called diagnostic metrics to account for other pressures and elements of biodiversity. For this we used a large-scale morpho-functional approach (national territory) of phytoplankton communities, based on the definition and use of 84 morpho-functional traits of phytoplankton, covering all taxonomic groups, as a descriptor of communities. In aquatic ecosystems, relationships and interactions between phytoplankton communities and environmental variables are often quite complex. So, different statistical and numerical tools such as Random Forest (RF) in regression and classification mode, Partial Dependent Plots (PDPs) have been tested to take into account this complexity. RF methods have shown that depth of waterbody and altitude are important factors. This led to the creation, by the K-means method, of four typological groups, based on these criteria, to subtract the effect. Subsequently, various tests of direct correlations, on each of the typological groups, were carried out but results are rather disappointing. In a second step, RF models in regression mode then classification mode were used. However, their uses drive us away from the DCE compatibility because they have not allowed us to derive relationships and metrics relating to a trait or combination of exploitable traits. Lastly, an approach using PDPs has been implemented. Of the 84 constructed traits, 21 are highlighted by the result analyses with direct or indirect links to physico-chemical water parameters. These include traits: life form (solitary, filamentous), motility, presence of protuberances, pseudo-vacuoles or the presence of Chlorophyceae or Euglenophyceae. The dissolved organic carbon, the total suspended solids, the nitrates or the transparency measured by Secchi disk are the physicochemical parameters that have relations with morpho-functional traits. The use of PDPs allows knowing the variation direction of the existing relationship between the trait and the physicochemical parameters. On the other hand, threshold values do not depend on the created typological groups. This work should allow the definition of new trait-based diagnostic metrics for DOC and nitrate gradients. This will refine the understanding of the impact of anthropogenic pressures on lake ecosystems.
Le présent travail s'insère dans la continuité des développements d'un indice multi-métrique pour l'évaluation de l'état écologique des plans d'eau en ce qui concerne le compartiment phytoplancton en plan d'eau. Il est ainsi en lien avec l'indice IPLAC. Il vise à terme à compléter son évaluation par des métriques dites de diagnostic permettant de rendre compte d'autres pressions et des éléments de biodiversité. Pour cela nous avons employé une approche morpho-fonctionnelle à large échelle (territoire national) des communautés phytoplanctoniques, basée sur la définition et l'utilisation de 84 traits morpho-fonctionnels du phytoplancton, couvrant l'ensemble des groupes taxonomiques, comme descripteur des communautés. Dans les écosystèmes aquatiques, les relations et interactions entre les communautés phytoplanctoniques et les variables environnementales étant souvent assez complexes, différents outils statistiques et numériques tel que le Random Forest (RF) en mode régression et classification, les partial Dependent Plots (PDP) ont été testés pour appréhender cette complexité. Les méthodes de RF ont montré que la profondeur du plan d'eau et l'altitude étaient des facteurs importants. Cela a conduit à la création, par la méthode des K-means, de quatre groupes typologiques, fonction de ces critères, pour en soustraire l'effet. Par la suite, divers tests de corrélations directes, sur chacun des groupes typologiques, ont été exécutés mais il en ressort des résultats plutôt décevants. Dans un second temps, des modèles RF en mode régression puis classification ont été utilisés. Cependant leurs utilisations nous éloignent de la DCE compatibilité car elles n'ont pas permis de dériver des relations et des métriques portant sur un trait ou combinaison de traits exploitables. Dans un dernier temps, une approche exploitant les PDP a été mise en oeuvre. Sur les 84 traits construits, 21 ressortent des analyses avec des liens directs ou indirects avec des paramètres physico-chimiques des eaux. Il s'agit notamment des trais : forme de vie (solitaire, filamenteuse), motilité, présence de protubérances, de pseudo-vacuoles ou encore de la présence de Chlorophyceae ou d'Euglenophyceae. Le carbone organique dissous, les matières en suspensions, les nitrates ou encore la transparence mesurée au disque de Secchi sont les paramètres physico-chimiques qui présentent des relations avec des traits morpho-fonctionnels. L'utilisation des PDP permet de connaitre le sens de variation de la relation existante entre le trait et le paramètres physico-chimiques. En revanche, les valeurs de seuils ne dépendent pas des groupes typologiques créés. Ce travail devrait permettre la définition de nouvelles métriques de diagnostic basées sur certains traits pour les gradients de COD et de nitrates. Cela permettra d'affiner la compréhension de l'impact des pressions anthropiques sur les écosystèmes lacustres.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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