Spatial and environmental components of freshwater zooplankton structure

Abstract:

Paradigms based upon physical and geochemical bottom-up processes or trophic cascade/top down theory have been developed to explain heterogeneity of freshwater zooplankton, but these paradigms taken alone seem unable to encompass the full range of zooplankton variability and have led to controversy. The goal of the study is to test the hypothesis that both abiotic and biotic environmental factors, and spatial structuring, explain simultaneously the large-scale spatial heterogeneity of freshwater zooplankton in Québec lakes. Partial Canonical Correspondence Analysis (Partial CCA) was used to partition the variance of zooplankton species abundances into independent components: a) non-spatial environmental factors (physics, chemistry, morphometry, phytoplankton and fish communities), b) spatial component of environmental influence, c) pure spatial factors (geographic coordinates), and d) undetermined. Our study shows that pure and spatially-structured abiotic and biotic environmental factors (a+b) explain 48% of the variation of zooplankton within Québec lakes. Our study supports the multiple driving forces hypothesis and shows that the control model of the zooplankton structure within Québec lakes includes both abiotic factors (mainly related to the water chemistry gradients) and biotic bottom-up (phytoplankton) and top-down (fish) factors. Across our large geographic scale, the abiotic factors, especially those related to water chemistry, are the main environmental processes explaining zooplankton community structure variability within Québec. Pure spatial factors (c) have small and nonsignificant contribution (8%) to zooplankton variation. The large amount of unexplained variation (d: 44%) suggests that other external factors, operating at local scales and not taken into account in this study, can exert influence on lake zooplankton structure.

Résumé:

Des paradigmes basés soit sur les processus physiques et géochimiques ascendants, soit sur les interactions trophiques en cascade et les processus descendants ont été développés pour expliquer l’hétérogénéité du zooplancton d’eau douce. Toutefois, ces paradigmes pris seul à seul n’expliquent pas toute la variabilité du zooplankton et ils ont fait l’objet de controverses. Le but de cette étude est de tester l’hypothèse selon laquelle les facteurs écologiques tant abiotiques que biotiques, ainsi que la structure spatiale, expliquent conjointement l’hétérogénéité spatiale à grande échelle du zooplancton dans les lacs du Québec. L’analyse canonique partielle des correspondances a permis de fractionner la variance dans la composition et l’abondance du zooplancton selon quatre composantes: a) la composante environnementale pure, nonspatialement structurée (physico-chimie, morphométrie, phytoplancton, communauté de poissons), b) la composante environnementale spatialement structurée, c) la composante spatiale pure (coordonnées géographiques), et d) la composante indéterminée. Notre étude démontre que les effets purs et spatiaux des facteurs environnementaux d’origine abiotique et biotique (composantes a + b) expliquent 48% de la variation du zooplankton dans les lacs du Québec. Notre étude vient appuyer l’hypothèse du contrôle multiple des communautés; le modèle de contrôle environnemental de la structure du zooplancton dans les lacs du Québec comprend à la fois des facteurs abiotiques reliés aux gradients physico-chimiques et des facteurs biotiques ascendants (phytoplancton) et descendants (communauté de poissons). A grande échelle géographique, les facteurs abiotiques reliés à la physico-chimie des eaux sont les principaux facteurs expliquant la variabilité dans la structure des communautés de zooplancton au Québec. La composante spatiale pure (c) n’a qu’une faible contribution non significative (8%) à la variabilité du zooplancton. La forte proportion de variance inexpliquée (d: 44%) suggère que d’autres facteurs externes, opérant à l’échelle locale et qui n’ont pas été pris en compte dans le cadre de cette étude, peuvent exercer une influence sur la structure du zooplancton lacustre.

Keywords::

• zooplankton
• Québec lakes
• spatial heterogeneity
• bottom-up factors
• top-down factors
• partial canonical correspondence analysis
• ecological modelling
• spatial analysis

Mots-clés::

• zooplancton
• lacs du Québec
• hétérogénéité spatiale
• facteurs ascendants
• facteurs descendants
• analyse canonique partielle des correspondances
• modélisation écologique
• analyse spatiale