153
Patrick Gagnon Dynamique de répartition et mécanismes de défense des macrophytes de la zone infralittorale rocheuse dominée par l’oursin vert, Strongylocentrotus droebachiensis Thèse présentée à la Faculté des études supérieures de lʹUniversité Laval pour l’obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.) Département de biologie FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC DÉCEMBRE 2003 © Patrick Gagnon, 2003

Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

 Patrick Gagnon 

     

 Dynamique de répartition et mécanismes de défense des macrophytes de la zone infralittorale rocheuse dominée par 

l’oursin vert, Strongylocentrotus droebachiensis      

Thèse  présentée  

à la Faculté des études supérieures de lʹUniversité Laval pour l’obtention  

du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.)     

Département de biologie FACULTÉ DES SCIENCES ET DE GÉNIE 

UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC 

 DÉCEMBRE 2003 

     © Patrick Gagnon, 2003 

Page 2: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

À mes très chers parents, Patricia Bourget et Richard Gagnon, 

ainsi qu’à Nellie…

Page 3: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

I

Sommaire 

Le  but  de  mon  étude  était  de  caractériser  la  dynamique  de  répartition  des 

macrophytes de  la zone  infralittorale rocheuse de  l’archipel de Mingan, au nord du 

golfe  du  Saint‐Laurent,  puis  d’examiner  les mécanismes  de  défense  permettant  à 

certains  macrophytes  dominants  de  résister  au  broutage  de  l’oursin  vert, 

Strongylocentrotus  droebachiensis. La position de  la  limite  inférieure des  ceintures de 

laminaires  variait  grandement  dans  le  temps  et  d’un  site  à  l’autre  et  était 

principalement contrôlée par  le broutage de  l’oursin. En zone dénudée, une grande 

stabilité  temporelle  caractérisait  la  distribution  et  l’abondance  de  la  phaéophycée 

pérenne  Agarum  cribrosum  dont  l’agrégation  en  plaques  résilientes  à  de  faibles 

perturbations favorisait le recrutement algal. L’évitement du broutage de l’oursin par 

les juvéniles d’A. cribrosum reposait sur leur association avec la phaéophycée annuelle 

Desmarestia  viridis.  La  répulsion  de  l’oursin  par  D. viridis  était  principalement 

attribuable au mouvement de balayage de  l’algue,  résultat de  l’effet  combiné de  sa 

délicate morphologie et de l’action des vagues. 

 

 

  Auteur: Patrick Gagnon 

 Directeur: John H. Himmelman 

 

 

Page 4: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

II

Résumé 

Dans le nord du golfe du Saint‐Laurent, lʹoursin vert, Strongylocentrotus droebachiensis, 

est lʹherbivore dominant en zone infralittorale rocheuse. Son impact sur la structure et 

la dynamique des communautés de macrophytes est toutefois peu connu. Le but de 

mon étude était de  caractériser  la dynamique de  répartition des macrophytes de  la 

zone infralittorale rocheuse de l’archipel de Mingan, puis d’examiner les mécanismes 

de défense permettant à certains macrophytes dominants de résister au broutage de 

l’oursin.  Des  observations  et  expériences  sur  huit sites  sur  des  périodes  couvrant 

jusqu’à deux ans ont  indiqué que  la position de  la  limite  inférieure des ceintures de 

laminaires variait grandement dans le temps et entre les sites et était principalement 

contrôlée  par  le  broutage  de  l’oursin.  Lʹabrasion  par  les  glaces  et  la  formation  de 

barrières algales  limitant  le déplacement des oursins ont vraisemblablement affecté 

cette  variation.  En  zone  dénudée,  une  grande  stabilité  temporelle  caractérisait  la 

distribution  et  l’abondance  de  la  phaéophycée  pérenne  Agarum  cribrosum. 

L’agrégation d’A. cribrosum en plaques résilientes à de faibles perturbations favorisait 

le recrutement algal, dont la rhodophycée Ptilota serrata. L’évitement du broutage de 

l’oursin  par  les  juvéniles  d’A. cribrosum  reposait  sur  leur  association  avec  la 

phaéophycée annuelle Desmarestia  viridis. Pour les juvéniles évoluant sous un couvert 

de  D. viridis,  le  coût  d’une  perte  de  croissance  était  nettement  compensé  par  le 

bénéfice d’une réduction du broutage. Des expériences en laboratoire ont établi que la 

répulsion  de  l’oursin  par  D. viridis  était  principalement  due  au  mouvement  de 

balayage  de  l’algue,  résultat  de  l’effet  combiné  de  sa  délicate morphologie  et  de 

l’action des vagues puis, dans une  faible mesure, de  sa  composition  chimique. Les 

attaques  de  l’oursin  sur  D. viridis  augmentaient  avec  la  densité  de  l’oursin  mais 

diminuaient avec l’augmentation du mouvement de l’eau. 

 

 

  Auteur: Patrick Gagnon 

 Directeur: John H. Himmelman 

Page 5: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

III

Abstract 

In  the  northern  Gulf  of  St.  Lawrence,  the  green  sea  urchin,  Strongylocentrotus 

droebachiensis, is the dominant herbivore in the rocky subtidal zone. Its impact on the 

structure  and  dynamics  of  algal  communities  is,  however,  poorly  known.  The 

objective  of  my  study  was  to  characterize  the  dynamics  in  the  distribution  and 

abundance of macrophytes in the rocky subtidal zone in the Mingan Islands, and to 

examine the mechanisms of defense that allow dominant macrophytes to resist urchin 

grazing. Observations and experiments at eight sites over periods of up to two years 

indicated  that  the  position  of  the  lower  limit  of  the  kelp  beds  varied  markedly 

through  time  and  among  sites  and was  largely  controlled  by  urchin  grazing.  Ice 

souring and  the  formation of algal barriers  that  reduced urchin displacement  likely 

affected this variation. In the barrens zone, there was a high temporal stability in the 

distribution  and  abundance  of  the  perennial  phaeophyte  Agarum  cribrosum.  The 

aggregation of A. cribrosum into patches resilient to small disturbances enhanced algal 

recruitment, notably  that of  the  rhodophyte Ptilota  serrata. The avoidance of urchin 

grazing by  juveniles of A. cribrosum was related  to  their association with  the annual 

phaeophyte Desmarestia viridis. For  juveniles,  the  cost of  a  reduced growth under a 

D. viridis  canopy was  clearly outweighed by  the benefit of  reduced urchin grazing. 

Laboratory  experiments  established  that  the  repulsion  of  urchins  by D. viridis was 

primarily  due  to  the  sweeping motion  of  the  alga  resulting  from  the  interaction 

between its delicately‐branched morphology and wave action and, to a lesser extent, 

by  its chemical make‐up. Urchin attacks on D. viridis  increased with urchin density, 

but decreased with increased water motion. 

 

  Auteur: Patrick Gagnon 

 Directeur: John H. Himmelman 

Page 6: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

IV

Avant‐propos 

Cette  thèse  comporte  six  chapitres.  Les  chapitres  I  et  VI  correspondent 

respectivement aux introduction et conclusion générales. Les chapitres  II, III, IV et V 

(corps de la thèse) font état de mes travaux de recherche dans l’archipel de Mingan et 

ont été rédigés en anglais, sous forme d’articles scientifiques dont voici les références: 

Chapitre II:  Gagnon P., Himmelman J.H. & Johnson L.E. (sous presse). Temporal 

variation  in  community  interfaces:  kelp  bed  boundary  dynamics 

adjacent to persistent urchin barrens. Mar. Biol. 

Chapitre III:  Gagnon  P., Himmelman  J.H. &  Johnson  L.E.  Spatial  and  temporal 

stability in algal assemblages on urchin barrens in the northern Gulf of 

St. Lawrence. 

Chapitre IV:  Gagnon P., Himmelman J.H. & Johnson L.E. (2003). Algal colonization 

in  urchin  barrens:  defense  by  association  during  recruitment  of  the 

brown alga Agarum cribrosum. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 290: 179‐196. 

Chapitre V:  Gagnon P.,  St‐Hilaire‐Gravel L.V., Himmelman  J.H. &  Johnson L.E. 

Multiple plant defenses against herbivores: the  interplay of chemical, 

morphological, and hydrodynamic factors. 

J’ai  conçu  et  réalisé  toutes  les  expériences  et  observations  de  terrain  et  de 

laboratoire, effectué  la  totalité des analyses statistiques  (avec  l’appui de statisticiens 

pour les analyses plus complexes), puis rédigé les différents chapitres avec l’aide de 

mes codirecteurs John Himmelman et Ladd Johnson. Les résultats apparaissant dans 

cette thèse ont été présentés lors des congrès et ateliers suivants: 

Gagnon P., Himmelman  J.H. &  Johnson L.E.  (2003).  Sweeping  or using  acid:  how 

does Desmarestia viridis deter urchin attacks? 32nd Benthic Ecology Meeting, 

Groton, Connecticut, USA. 

Page 7: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

V

Gagnon  P.,  Himmelman  J.H.  &  Johnson  L.E.  (2000).  Seaweed  survival  in  barren 

zones:  a  case  of  associational  refuge  for  juvenile  Agarum  cribrosum. 

29th Benthic Ecology Meeting, Wilmington, North Carolina, USA. 

Gagnon  P.,  Himmelman  J.H.  &  Johnson  L.E.  (2000).  Utilisation  du  couvert  de 

Desmarestia viridis par  les  juvéniles d’Agarum cribrosum pour une protection 

contre  l’herbivorie.  68ème  Congrès  International  de  l’ACFAS  (Association 

Canadienne Française pour  l’Avancement des Sciences), Montréal, Québec, 

Canada. 

Gagnon  P.,  Himmelman  J.H.  &  Johnson  L.E.  (2000).  Utilisation  du  couvert  de 

Desmarestia viridis par  les  juvéniles d’Agarum cribrosum pour une protection 

contre  l’herbivorie.  25ème  Congrès  annuel  de  la  Société  Québécoise  pour 

l’Étude Biologique du Comportement, Rimouski, Québec, Canada. 

Gagnon,  P.  (1999).  Importance  du  refuge  d’association  pour  l’établissement  des 

macrophytes de la communauté infralittorale. Forum Québécois en Sciences 

de la Mer, Mont‐Joli, Québec, Canada. 

La  description  du  générateur  de  vagues  que  j’ai  conçu  et  fabriqué  pour  réaliser 

certaines de mes  expériences  apparaît  en  annexe du  chapitre V, puis dans  l’article 

suivant rédigé simultanément à mes travaux de thèse: 

Gagnon P., Wagner G. & Himmelman  J.H.  (2003). Use of a wave  tank  to study  the 

effects of water motion and algal movement on the displacement of the sea 

star Asterias vulgaris towards its prey. Mar. Ecol. Prog. Ser. 258: 125‐132. 

Je  remercie  mon  directeur,  John  Himmelman,  ainsi  que  mon  codirecteur, 

Ladd Johnson, pour  la confiance  témoignée et  la  latitude accordée depuis mes  tous 

premiers pas à  l’initiation à  la  recherche,  jusqu’à  la  fin de cette aventure doctorale. 

Leur disponibilité,  leur support et  leurs nombreuses  recommandations scientifiques 

pendant la rédaction de ma thèse ont été particulièrement appréciés et la rigueur de 

leur encadrement très formatrice. Merci également à Gilles Houle, Jeremy McNeil et 

Page 8: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

VI

Edwin Bourget pour leur grande ouverture et pour toutes ces discussions profitables, 

puis au Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et Génie du Canada  (CRSNG), 

au  Fonds  pour  la  formation  de  Chercheurs  et  l’Aide  à  la  Recherche  du  Québec 

(FCAR),  au Ministère  des  Pêches  et  Océans  du  Canada  (MPO),  à  Québec‐Océan 

(GIROQ)  et  au Département de biologie de  l’Université Laval pour  leur généreuse 

contribution monétaire. 

J’exprime  toute ma gratitude aux personnes qui ont participé, de près ou de 

loin, à la réalisation de mon étude. Merci à mes précieux assistants de recherche pour 

toutes ces heures passées au laboratoire et pour ces interminables plongées dans des 

eaux  glaciales  et  agitées:  Philippe  Gauthier,  Valérie  Messier,  Brigitte  Laberge, 

François  Durocher,  Simon‐Pierre  Gingras,  David  Drolet,  Damien  Aiello, 

Miles Thompson,  Erasto  Marcano,  Isabelle  Deschênes,  Marc‐Olivier  Nadon  et 

Catherine Vallières. Un merci  tout particulier  à Oliver D’Amours, Giselle Wagner, 

Louis Vincent St‐Hilaire‐Gravel  et Mark Dionne pour  leur  énergie  sans borne,  leur 

enthousiasme  contagieux  et  la  qualité  du  travail  accompli,  à  mes  collègues  de 

laboratoire Jean‐François Raymond, Julien Gaudette, Carlos Gaymer, Martin Guay et 

Thierry Gosselin pour  les étés de  terrains exceptionnels passés en  leur compagnie à 

Havre‐Saint‐Pierre,  puis  à  Benoît  Roberge  et Nancy  Dénommée  de  Parcs  Canada 

pour  le  temps  consacré  à  partager  avec moi  le  fruit  de  leurs  observations  sur  la 

formation hivernale des glaces dans l’archipel de Mingan.  

   Un  gros  merci  à  Jean‐Marc  Daigle,  ainsi  qu’à  son  frère  Gaétan,  puis  à 

Eva Bessac pour  leur  exceptionnelle patience  à m’aider dans mes  analyses  et  à me 

transmettre, pendant d’innombrables heures, une partie de leur grande connaissance 

de ce monde fascinant que constituent les statistiques. 

Jamais  je n’exprimerai assez de reconnaissance envers ma mère Patricia, mon 

père Richard, mon frère Gabriel, puis ma sœur Sophie qui ont été de tous les instants 

présents. Votre sensibilité, vos encouragements, votre support et votre aide à tous les 

niveaux ont nettement dépassé  tout  ce que  je ne pouvais même oser  espérer. Pour 

leur  accueil  si  chaleureux  à  Havre‐Saint‐Pierre,  je  remercie  grandement Michelle 

Page 9: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

VII

Maloney et Clément Cormier dont  la gentillesse n’a d’égal que  la grandeur de  leur 

cœur. Merci aussi à mes bons amis Louis‐Philippe, Geneviève, Gaétan, Olivier, Paul, 

Jean‐Claude, Roger, Stéphane, Mélanie, Hugo, Catherine et Annie‐Claude pour leurs 

encouragements  soutenus  et  leur  compréhension.  Vous  étiez  bien  présents  à mes 

côtés malgré la distance… 

  Mais  par‐dessus  tout,  j’offre mes  plus  chaleureux  remerciements  à ma  très 

chère Nellie,  l’étoile de ma  vie  et ma  confidente, pour  avoir  brillamment dirigé  la 

barque  lors  des  moments  de  brouillard  et  de  grandes  vagues  et  pour  son 

extraordinaire  patience,  sa douceur,  son  entrain,  sa  compréhension  et  son  support 

moral et affectif inconditionnels… une femme tout à fait exceptionnelle que j’admire 

profondément. 

Merci à toutes et à tous!

Page 10: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

VIII

 

Table des matières 

Sommaire  ..............................................................................................................................I 

Résumé  ............................................................................................................................ II 

Abstract  .......................................................................................................................... III 

Avant‐propos  .......................................................................................................................... IV 

Table des matières ................................................................................................................. VIII 

 

Chapitre I.  Introduction générale...................................................................................... 1 

 

Chapitre II   Temporal variation in community interfaces: kelp bed boundary dynamics adjacent to persistent urchin barrens ...................................... 11 

Résumé ..................................................................................................................................... 12 Abstract .................................................................................................................................... 13 Introduction ............................................................................................................................. 14 Materials and methods........................................................................................................... 18 

Study sites ...................................................................................................................... 18 Temporal variability in A. esculenta beds and urchin populations........................ 18 Effect of urchins on algal recruitment in the barrens .............................................. 21 Limitation of upward movements of urchins by A. cribrosum ............................... 22 Statistical analysis ......................................................................................................... 23 

Results....................................................................................................................................... 24 Temporal variability in the lower limit of kelp beds............................................... 24 Structure of kelp beds................................................................................................... 27 Structure of urchin populations.................................................................................. 30 Effect of urchins on algal recruitment in the barrens .............................................. 34 Limitation of upward movements of urchins by A. cribrosum ............................... 36 

Discussion ................................................................................................................................ 36 

 

Page 11: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

IX

Chapitre III.     Spatial and temporal stability in algal assemblages on urchin     

barrens in the northern Gulf of St. Lawrence .......................................... 44 

Résumé ..................................................................................................................................... 45 Abstract .................................................................................................................................... 46 Introduction ............................................................................................................................. 47 Materials and methods........................................................................................................... 49 

Temporal variability in abundance and distribution of A. cribrosum.................... 49 Temporal variability in the size of A. cribrosum stands........................................... 50 Distribution of algae and urchins near A. cribrosum ................................................ 50 Effect of A. cribrosum canopy on recruitment and abundance of algae ................ 51 Statistical analysis ......................................................................................................... 51 

Results....................................................................................................................................... 53 Temporal variability in abundance and distribution of A. cribrosum.................... 53 Temporal variability in the size of A. cribrosum stands........................................... 56 Distribution of algae and urchins near A. cribrosum ................................................ 56 Effect of A. cribrosum canopy on recruitment and abundance of algae ................ 56 

Discussion ................................................................................................................................ 63 

 

Chapitre IV.   Algal colonization in urchin barrens: defense by association        during recruitment of the brown alga Agarum cribrosum ..................... 67 

Résumé ..................................................................................................................................... 68 Abstract .................................................................................................................................... 69 Introduction ............................................................................................................................. 70 Materials and methods........................................................................................................... 72 

Study sites ...................................................................................................................... 72 Distribution of juvenile A. cribrosum and urchins near D. viridis........................... 73 Protection provided by D. viridis ................................................................................ 74 Growth of juvenile A. cribrosum.................................................................................. 75 Seasonal cycle of D. viridis ........................................................................................... 76 Statistical analysis ......................................................................................................... 76 

Results....................................................................................................................................... 78 Distribution of juvenile A. cribrosum and urchins near D. viridis........................... 78 Protection provided by D. viridis ................................................................................ 81 Growth of juvenile A. cribrosum.................................................................................. 85 Seasonal cycle of D. viridis ........................................................................................... 85 

Discussion ................................................................................................................................ 88 

 

Page 12: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

X

Chapitre V.       Multiple plant defenses against herbivores: the interplay of   

chemical, morphological, and hydrodynamic factors............................. 93 

Résumé ..................................................................................................................................... 94 Abstract .................................................................................................................................... 95 Introduction ............................................................................................................................. 96 Materials and methods........................................................................................................... 99 

Response of urchins to odors of Desmarestia viridis ............................................... 100 Mechanical repulsion of urchins by Desmarestia viridis......................................... 101 Effect of urchin density on attack success on Desmarestia viridis ......................... 103 Field observations ....................................................................................................... 103 Statistical analysis ....................................................................................................... 103 

Results..................................................................................................................................... 105 Response of urchins to odors of Desmarestia viridis ............................................... 105 Mechanical repulsion of urchins by Desmarestia viridis......................................... 108 Effect of urchin density on attack success on Desmarestia viridis ......................... 111 Field observations ....................................................................................................... 111 

Discussion .............................................................................................................................. 111 Appendix 5.1.......................................................................................................................... 118 

 

Chapitre VI.      Conclusion générale ................................................................................... 119 

Dynamique de répartition des macrophytes .......................................................... 120 Mécanismes de défense des macrophytes............................................................... 121 Portée de l’étude ......................................................................................................... 122 Nouvelles questions et hypothèses .......................................................................... 124 

 

Bibliographie  ......................................................................................................................... 127 

Page 13: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

      

Chapitre I     

Introduction générale 

Page 14: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

2

Toute  communauté  écologique  est  fondamentalement dynamique  (hétérogène dans 

le temps et l’espace) car les organismes qui la composent sont en constante interaction 

(entre  eux  et  avec  les  propriétés  changeantes  de  leur  environnement  physico‐

chimique) et  s’affectent dans  leur distribution et  leur abondance  relatives  (Connell, 

1961; Paine, 1966; Holling, 1973; Schoener, 1974; Branch,  1975; Menge, 1976; Sousa, 

1984;  Sih  et  al.,  1985).  La  stabilité  d’une  communauté  réfère  à  sa  capacité  de 

conservation de son état (composition) malgré  la force exercée par une perturbation 

(Holling, 1973; Krebs, 2001). Les perturbations (aléatoires ou cycliques) sous forme de 

variations  dans  les  conditions  physiques  (e.g., feu,  vent,  vagues),  d’invasions 

d’espèces  compétitrices  et  d’ennemis  naturels  peuvent  déplacer  l’état  d’équilibre 

(avant  perturbation)  d’une  communauté  vers  un  état  stable  alternatif 

(Connell & Slatyer, 1977; White, 1979; Ebeling et al., 1985; Chapman & Johnson, 1990; 

Vadas  et  al.,  1990;  Dayton  et  al.,  1992;  Trowbridge,  1995;  Ruiz  et  al.,  1997; 

Underwood, 1999). Cet état d’équilibre  (climax) est  l’aboutissement d’un patron de 

colonisation  et d’extinction des  espèces  (succession) non  saisonnier, directionnel  et 

continu  (Odum,  1969;  Begon  et  al.,  1996)  dirigé  par  un  complexe  de  processus 

interactifs  (e.g., prédation,  compétition,  immigration  et  émigration)  parmi  lesquels 

certains  en  neutralisent  d’autres  (Odum,  1969;  Underwood  &  Jernakoff,  1981; 

Witman,  1987;  Hendrix  et  al.,  1988;  Davidson,  1993;  Benedetti‐Cecchi,  2000; 

Duffy & Hay, 2000). Une communauté n’est donc jamais à un point d’équilibre exact 

car  l’état de celle‐ci se retrouve dans un flux constant (Lewontin, 1969; Odum, 1969; 

Holling, 1973; Sutherland, 1974; Gray, 1977). 

L’herbivorie  peut  exercer  un  impact  considérable  sur  la  structure  et  la 

dynamique  des  communautés  végétales  (Ogden  &  Lobel,  1978;  Witman,  1987; 

Lindroth,  1989;  Weis  &  Berenbaum,  1989;  Brawley,  1992;  Vadas  &  Elner,  1992; 

Vasquez  &  Buschmann,  1997;  Zamora  et  al.,  1999;  Duffy  &  Hay,  2001)  tel  que 

démontré par  l’effet dramatique d’herbivores  sur  la distribution et  l’abondance des 

organismes végétaux  (Jones & Kain, 1967; Breen & Mann, 1976b; Dean  et al., 1984; 

Carpenter,  1986; Lewis,  1986; Morrison,  1988; Lindroth,  1989; Duffy & Hay,  2000). 

Dans une communauté où  le recrutement et  la survie des végétaux sont  limités par 

Page 15: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

3

l’herbivorie,  la  réduction  de  l’abondance  des  herbivores  par  une  perturbation 

(e.g., tempêtes,  maladies  et  prédation)  peut  provoquer  le  déclenchement  d’une 

succession végétale secondaire menant à  l’établissement d’une communauté dont  la 

richesse et la biomasse spécifiques diffèrent grandement de celles de la communauté 

maintenue  par  les  herbivores  (Paine & Vadas,  1969;  Pearse & Hines,  1979; Miller, 

1985;  Lindroth,  1989;  Brown  &  Gange,  1992;  Sousa  &  Connell,  1992; 

Leinaas & Christie,  1996;  Scheibling  et  al.,  1999).  L’impact  d’un  herbivore  sur  une 

communauté végétale est non seulement fonction de son abondance, mais également 

de  sa  taille  par  rapport  aux  organismes  végétaux,  de  ses  interactions  avec  les 

compétiteurs  et  les  prédateurs,  ainsi  que  de  l’abondance,  de  la  productivité 

(recrutement  ou  croissance)  et  de  la  richesse  spécifique  des  organismes  végétaux 

(Brown &  Ewel,  1987;  Sousa & Connell,  1992).  L’état  d’une  communauté  végétale 

repose donc en partie sur un complexe d’interactions plantes‐herbivores à l’intérieur 

desquelles  l’exploitation  des  ressources  végétales  par  un  herbivore  particulier  est 

déterminée par les conditions environnementales (e.g., température, vents, courants), 

la  disponibilité  de  la  ressource,  puis  les  attributs  individuels  des  plantes 

(e.g., digestibilité  et  valeur  énergétique)  et  de  l’herbivore  (e.g., degré  de mobilité, 

préférences  alimentaires)  (Emlen,  1966; MacArthur  &  Pianka,  1966; Menge,  1972; 

Charnov, 1976).  

On distingue par ailleurs deux  composantes dans  le  comportement de quête 

alimentaire d’un animal  (herbivore):  (1)  le comportement qui  lui permet d’entrer en 

contact avec sa proie  (une plante) et  (2) sa réponse à cette source de nourriture une 

fois le contact établi (Chapman & Underwood, 1992). Comme les plantes ne peuvent 

se déplacer et fuir en cas de besoin, leur vulnérabilité aux attaques d’un herbivore est 

particulièrement élevée et le contact entre l’herbivore et la plante est donc facilité par 

rapport  à  une proie mobile. À  ce  titre,  les  herbivores  sont d’importants  agents de 

sélection  contre  lesquels  les  plantes  ont  développé  des  adaptations  structurales  et 

métaboliques remarquables qui diminuent cette vulnérabilité en modulant la réponse 

alimentaire de l’herbivore (Lindroth, 1989; Weis & Berenbaum, 1989; Hay & Fenical, 

1992; Coley & Barone, 1996; Duffy & Hay, 2001). Les plantes utilisent l’un ou l’autre 

Page 16: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

4

de  deux  mécanismes  de  résistance  à  l’herbivorie:  la  tolérance  et  l’évitement 

(Duffy & Hay, 1990; Rosenthal & Kotanen, 1994). Une plante peut tolérer la présence 

d’un herbivore grâce à un taux de croissance supérieur (surcompensatoire) au taux de 

broutage  de  l’herbivore,  à  une  activité  photosynthétique  accrue,  à  l’utilisation  de 

produits de réserves et au retard de certaines étapes de sa phénologie (McNaughton, 

1983;  Lindroth,  1989; Davidson,  1993;  Tiffin,  2000).  Pour  éviter  un  herbivore,  une 

plante  peut  (1) produire  des  défenses  structurales  (e.g.,  aiguilles,  épines,  tissus 

calcifiés,  Steneck,  1985;  Myers  &  Bazely,  1991)  et  chimiques  (e.g.,  métabolites 

secondaires  comprenant  terpènes,  alkaloïdes  et  phénols,  Hay  &  Fenical,  1988; 

Karban & Myers, 1989; Schappert & Shore, 1999; Cetrulo & Hay, 2000; Pavia & Toth, 

2000; Becerra et al., 2001; Schnitzler et al., 2001) permettant de repousser  l’herbivore 

ou  de  réduire  son  taux  d’alimentation  ou  (2)  utiliser  un  refuge  temporel 

et/ou bénéficier  d’un  refuge  spatial  réduisant  les  probabilités  de  contact  avec 

l’herbivore (Weis & Berenbaum, 1989). 

Un  cas  particulier  de  refuge  spatio‐temporel,  connu  sous  le  nom  de  refuge 

(ou défense)  par  association,  survient  lorsqu’une  plante  échappe  à  l’herbivorie  en 

s’associant à d’autres plantes (ou animaux) plus ou moins attirantes pour l’herbivore 

(Tahvanainen & Root,  1972; Littler  et  al.,  1987; Pfister & Hay,  1988; Duffy & Hay, 

1990;  Kerr  &  Paul,  1995).  L’association  peut  accroître  la  compétition  pour  les 

ressources  (e.g.,  espace,  lumière,  nutriments)  et  engendrer une perte de  croissance 

pour  l’une ou  l’autre des espèces végétales  impliquées  (Hay, 1986; McAuliffe, 1986; 

Pfister  &  Hay,  1988;  Forseth  et  al.,  2001).  Pour  l’espèce  protégée,  cette  perte  est 

cependant compensée par le gain de protection permettant la survie. La majorité des 

études sur les mécanismes de défense des plantes impliquent des  individus adultes. 

Or, les juvéniles sont particulièrement vulnérables aux attaques des herbivores car, en 

général, leurs attributs structurels et chimiques répulsifs ne sont pas assez développés 

pour  procurer  une  défense  efficace  contre  les  herbivores  (Davidson,  1993; 

Van Alstyne et al., 1999) et ils ne disposent pas d’une taille refuge (sensu Paine, 1976; 

Lubchenco  &  Gaines,  1981)  pouvant  gêner  le  broutage  ou minimiser  l’impact  de 

Page 17: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

5

pertes tissulaires. La défense par association peut donc s’avérer déterminante pour la 

survie des juvéniles et l’évitement de l’extinction locale d’une espèce. 

L’oursin  vert,  Strongylocentrotus  droebachiensis,  peuple  les  fonds  des  régions 

arctiques‐boréales des océans Atlantique et Pacifique (Mortensen, 1943; Jensen, 1974; 

Bazhin, 1998). Bien qu’on le retrouve de la limite des marées basses jusqu’à 300 m de 

profondeur,  il  est  plus  commun  en  zone  peu  profonde,  à  moins  de  50  m  de 

profondeur (Jensen, 1974; Scheibling & Hatcher, 2001) et généralement associé à des 

substrats  de  type  rocheux  (e.g.,  roche‐mère,  blocs,  cailloux,  Himmelman,  1986; 

Scheibling  &  Raymond,  1990).  L’oursin  vert  est  principalement  herbivore  mais 

consomme  également  des  carcasses  animales  ainsi  que  d’autres  invertébrés  et  des 

proies  bactériennes  (Himmelman  &  Steele,  1971;  Lawrence,  1975;  Duggins,  1981; 

Johnson & Mann, 1982; Briscoe & Sebens, 1988; Nestler & Harris, 1994). Il tolère, sans 

mal  apparent, des périodes de  jeûne prolongé  (jusqu’à un mois, Garnick,  1978).  Il 

utilise  la  chémodétection  à distance pour détecter  sa  nourriture  et  affiche un  haut 

degré de sélectivité (préférence) alimentaire (Vadas, 1977; Garnick, 1978; Larson et al., 

1980; Sloan & Campbell, 1982; Mann et al., 1984; Himmelman & Nédélec, 1990; Prince 

& LeBlanc, 1992). Cette sélectivité est cependant fortement influencée par des facteurs 

environnementaux tels que la disponibilité des ressources, l’action du courant et des 

vagues, la température, la compétition et la prédation (Lawrence, 1975; Vadas, 1977; 

Himmelman, 1984; Vadas, 1990; Scheibling, 1996). Le taux d’alimentation  individuel 

de  S. droebachiensis  fluctue  de  façon  saisonnière,  habituellement  avec  un  pic  en 

période  estivale  et un  creux  en période hivernale  (Vadas, 1977; Larson  et al.,  1980; 

Himmelman,  1984; Meidel & Scheibling,  1998). La production  et  la maturation des 

tissus  gonadiques  débutent  généralement  à  l’automne  et  l’expulsion  des  gamètes 

survient  en  début  de  printemps,  vraisemblablement  en  conjonction  avec 

l’augmentation  rapide  de  la  production  phytoplanctonique  (Himmelman,  1975; 

Falk‐Petersen & Lonning, 1983; Starr et al., 1990; Meidel & Scheibling, 1998). 

Dans le nord‐ouest de l’Atlantique, S. droebachiensis exerce une forte influence 

sur  la  distribution  et  l’abondance  des  macrophytes  (Vadas  &  Elner,  1992).  Le 

Page 18: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

6

développement rapide (quelques mois) d’assemblages végétaux luxuriants à la suite 

d’exclusions manuelles et naturelles de l’oursin témoigne de son impact négatif sur le 

recrutement et la survie algale (Himmelman et al., 1983; Scheibling, 1986; Keats et al., 

1990).  Néanmoins,  les  portions  côtières  rocheuses  peu  profondes  exposées  aux 

vagues supportent habituellement de vastes et compactes bandes végétales dominées 

par  les  laminaires, communément appelées ceintures de  laminaires  (Vadas & Elner, 

1992; Lobban & Harrison,  1994; Graham & Wilcox,  2000; Tegner & Dayton,  2000). 

L’importance écologique de ces ceintures est énorme car en plus de figurer parmi les 

systèmes  les  plus  productifs  au monde  (Mann,  1973),  elles  procurent  un  habitat  à 

plusieurs  espèces  pour  le  recrutement,  l’alimentation  et  la  reproduction,  de même 

qu’un  refuge  contre  les  prédateurs  et  l’action  des  vagues  et  des  courants 

(Himmelman  et  al.,  1983;  Himmelman  &  Lavergne,  1985;  Vadas  &  Elner,  1992; 

Bologna  &  Steneck,  1993;  Vasquez,  1993;  Bégin,  2002;  Gagnon  et  al.,  2003a).  Des 

fluctuations substantielles au sein des populations d’oursins pourraient donc avoir de 

profondes  répercussions  (positives  ou  négatives)  sur  les  communautés  végétales 

(e.g., ceintures  de  laminaires)  et,  en  bout  de  ligne,  sur  la  structure  du  reste  de  la 

communauté infralittorale. Tel est le cas sur la côte atlantique de la Nouvelle‐Écosse: 

la recrudescence épisodique d’un pathogène (amibe) provoque l’effondrement massif 

des populations d’oursins et résulte en l’expansion rapide des ceintures de laminaires 

(Miller  &  Colodey,  1983;  Scheibling  &  Stephenson,  1984;  Scheibling,  1986; 

Scheibling & Hennigar, 1997). 

Dans l’archipel de Mingan, au nord du golfe du Saint‐Laurent, S. droebachiensis 

domine la zone infralittorale rocheuse peu profonde où sa densité est, en général, très 

élevée  (plus  de  300  individus  m‐2,  Himmelman  &  Nédélec,  1990).  Cette  zone  se 

caractérise par un paysage  subdivisé en deux  communautés végétales qui diffèrent 

nettement en terme de biomasse et de richesse spécifiques. L’une d’elles, la zone des 

laminaires, occupe les premiers mètres d’eau et est composée d’un dense assemblage 

végétal  dominé  par  Alaria  esculenta  et,  de  façon  moins  importante,  par  d’autres 

espèces  du  groupe  des  laminaires  (e.g.,  Laminaria  spp.,  Sacchoriza  dermatodea). 

À l’inverse, la zone dénudée, attenante à la zone des laminaires, est composée d’une 

Page 19: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

7

mosaïque  de  plaques  végétales  parsemant  de  vastes  tapis  d’algues  calcaires 

(e.g., Lithothamnion  sp.,  Clathromorphum sp.)  résistantes  au  broutage  (Steneck,  1983; 

Steneck, 1985; Steneck, 1986). L’abondance de l’oursin y est nettement plus élevée que 

dans la zone des laminaires. La transition entre les deux communautés végétales est 

habituellement abrupte et coïncide avec la présence de fronts d’oursins compacts à la 

limite inférieure des ceintures de laminaires.  

Les  phaéophycées  Agarum  cribrosum  et  Desmarestia  viridis  sont  les  seules 

macroalgues  charnues  communément  rencontrées en zone dénudée,  ce qui  soulève 

d’intéressantes  questions  quant  aux  attributs  et  mécanismes  leur  permettant  de 

croître  dans  cet  environnement  que  l’herbivorie  par  l’oursin  rend  si  hostile  à  la 

végétation. La  laminaire pérenne, A. cribrosum, possède un  large  crampon, un  stipe 

semi‐rigide  et  une  large  fronde  ondulée. On  la  retrouve  principalement  en  petits 

agrégats  (1‐10 m2),  bien  qu’elle  forme  à  l’occasion  de  larges  bandes  (>500  m2), 

particulièrement  en  bordure  de  la  limite  inférieure  des  ceintures  de  laminaires. 

Sa croissance  est  lente  comparativement  aux  autres  espèces  de  laminaires 

(Vadas, 1968).  La  présence  de  composés  chimiques  répulsifs  dans  les  tissus 

d’A. cribrosum  (e.g,  phénols)  expliquerait  sa  faible  consommation  par  l’oursin  vert 

(Vadas,  1977;  Larson  et  al.,  1980;  Himmelman  &  Nédélec,  1990).  Si  les  adultes 

d’A. cribrosum  apparaissent  peu  vulnérables  à  la  prédation  par  l’oursin,  des 

observations exploratoires de la distribution des juvéniles suggèrent que ces derniers 

le sont grandement. Peu de juvéniles sont localisés aux endroits facilement accessibles 

par  l’oursin  (e.g., aires ouvertes).  Ils  semblent pour  la plupart confinés à  l’intérieur 

d’agrégats de conspécifiques adultes et sous le couvert de D. viridis. Le recrutement et 

la  survie des  juvéniles d’A. cribrosum pourrait donc dépendre d’associations algales 

intra‐ et interspécifiques contre le broutage de l’oursin (e.g., refuge par association). 

À  l’inverse, D. viridis est une espèce annuelle dotée d’un petit crampon, d’un 

stipe hautement flexible et d’une large fronde extrêmement ramifiée. La production et 

l’accumulation par D. viridis d’acide sulfurique à  l’intérieur de vacuoles spécialisées 

la  rend  très  acide  (pH 0.5‐0.9, McClintock  et  al.,  1982;  Sasaki  et  al.,  1999).  L’utilité 

Page 20: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

8

défensive d’une  telle acidité contre  l’herbivorie  (défense chimique) a été suggérée à 

maintes  reprises  chez  plusieurs  espèces  de  Desmarestiales  (dont  D.  viridis),  sans 

toutefois avoir fait l’objet d’investigations rigoureuses (Anderson & Velimirov, 1982; 

Dayton, 1985a; Thompson, 1988; Himmelman & Nédélec, 1990; Lobban & Harrison, 

1994). Par ailleurs, des observations  in situ ont  indiqué que  l’oursin semble éviter  le 

contact  avec  des  frondes  de  D.  viridis  agitées  par  les  vagues mais  qu’il  s’agrège 

rapidement,  en  eau  calme,  sur des  frondes  immobiles  (Himmelman & Steele, 1971; 

Himmelman,  1984; Konar,  2000).  Le mouvement  de  balayage  de  l’algue  causé  par 

l’action  des  vagues  pourrait  donc  également  contribuer  à  maintenir  l’oursin  à 

distance  (défense mécanique). Une  investigation de  la  réponse comportementale de 

S. droebachiensis  face  à  D.  viridis  permettrait  de  déterminer  la  contribution  d’une 

défense chimique et/ou mécanique à la capacité répulsive de l’algue contre l’oursin. 

Aucune étude n’a encore quantifié l’impact de l’oursin vert sur la structure et 

la dynamique de répartition naturelle des assemblages algaux dans le nord du golfe 

du Saint‐Laurent. Certes, les quelques études réalisées dans (ou près de) cette région 

appuient  le  concept  de  sélectivité  alimentaire  chez  l’oursin  et  soulignent  son  effet 

négatif sur  le recrutement et  la survie algale  (Himmelman, 1969; Himmelman et al., 

1983; Himmelman, 1984; Himmelman & Nédélec, 1990; Keats et al., 1990). Cependant, 

(1) la nature ponctuelle de ces études, (2) l’étroitesse des échelles spatiales impliquées, 

(3)  les  approches  expérimentales  utilisées  (perturbations  anthropiques)  et  (4)  le 

manque de relativisation de l’impact de l’oursin sur la structure et la dynamique des 

communautés de macrophytes par rapport à l’impact d’autres facteurs (e.g., abrasion 

par les glaces, force des courants, compétition intra‐ et interspécifique) ne permettent 

pas de dresser de portrait  rigoureux des mécanismes écologiques qui alimentent  la 

dynamique communautaire naturelle et, encore moins, de quantifier cette dernière. 

Plusieurs  interrogations  fondamentales  ont  motivé  la  tenue  de  la  présente 

étude  sur  les  interactions  algues‐oursins  dans  le  nord  du  golfe  du  Saint‐Laurent. 

Notamment,  quels  patrons  de  variation  temporelle  caractérisent  la  structure  et  la 

distribution  des  communautés  de  macrophytes  et  des  populations  d’oursins? 

Page 21: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

9

Ces patrons  s’appliquent‐ils  uniformément  à  l’ensemble  des  localités  ou  varient‐ils 

plutôt d’un endroit à l’autre? Dans quelle mesure le broutage de l’oursin affecte‐il la 

stabilité  des  communautés  végétales  et  quelle  est  son  importance  par  rapport  à 

d’autres  facteurs? Finalement, quels  sont  les mécanismes qui permettent  à  certains 

macrophytes  de  résister  au  broutage  de  l’oursin?  En  l’absence  de  réponses  à  ces 

questions, notre connaissance des facteurs et processus écologiques qui façonnent cet 

écosystème  est  limitée,  d’où  la  nécessité  d’entreprendre  l’examen  attentif  des 

interactions  qu’entretiennent  l’oursin  vert  et  les  communautés  de  producteurs 

primaires. 

L’objectif de mon étude est double: (1) caractériser la dynamique de répartition 

des  macrophytes  de  la  zone  infralittorale  et  identifier  les  principaux  facteurs  à 

l’origine  de  cette  dynamique  dans  l’archipel  de  Mingan,  puis  (2)  examiner  les 

mécanismes défensifs utilisés par certains macrophytes dominants contre le broutage 

de  l’oursin  vert.  Deux  chapitres  caractérisent  la  dynamique  de  répartition  des 

assemblages algaux, l’un au voisinage de l’interface entre la zone des laminaires et la 

zone dénudée, l’autre dans la zone dénudée, puis deux autres chapitres examinent les 

interactions  entre  l’oursin  vert  et  les  phaéophycées  D. viridis  et  A. cribroum. 

Mes travaux  résultent d’une combinaison d’observations et d’expériences effectuées 

en milieu naturel en utilisant le scaphandre autonome (SCUBA), puis en laboratoire, à 

l’aide  de  dispositifs  et  d’appareils  décrits  dans  la  littérature  scientifique 

(e.g., labyrinthe  en  Y)  ou  que  j’ai  conçus  afin  de  contrôler  adéquatement  les 

paramètres de certaines expériences qui ne pouvaient être réalisées en milieu naturel 

(e.g., générateur de vagues oscillatoires). Le chapitre II examine les facteurs affectant 

la stabilité temporelle de la limite inférieure des ceintures de laminaires en accordant 

une  attention  toute  particulière  aux  impacts  du  broutage  de  l’oursin  vert.  Le 

chapitre III  évalue  la  stabilité  temporelle  de  la  distribution  et  de  l’abondance  des 

assemblages algaux de la zone dénudée dominés par A. cribrosum. Le chapitre IV teste 

l’hypothèse  d’une  défense  par  association  permettant  aux  juvéniles  d’A.  cribrosum 

d’éviter  le  broutage  de  l’oursin  vert.  Finalement,  le  chapitre  V  examine  les 

Page 22: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

10

mécanismes  par  lesquels  D.  viridis  résiste  aux  attaques  de  l’oursin  en  évaluant 

l’importance relative d’une défense chimique et mécanique. 

 

Page 23: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

      

Chapitre II 

    

Temporal variation in community interfaces: kelp bed boundary dynamics adjacent to persistent urchin barrens 

Page 24: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

12

Résumé 

Nous  avons  examiné,  pendant  deux  ans,  les  facteurs  qui  affectent  la  stabilité 

temporelle  de  la  limite  inférieure  des  ceintures  de  laminaires  (Alaria  esculenta)  sur 

cinq  sites  infralittoraux  dans  l’archipel  de  Mingan,  dans  le  nord  du  golfe  du 

Saint‐Laurent. La position de la limite inférieure des ceintures variait beaucoup entre 

les  sites  et  dans  le  temps  et  était  principalement  contrôlée  par  l’oursin  vert, 

Strongylocentrotus  droebachiensis,  qui  s’agrégeait  en  de  denses  (jusqu’à 

500 individus m‐2)  fronts de broutage  en marge  inférieure des  ceintures. Ces  fronts 

avançaient sur les laminaires le plus rapidement pendant l’été (à des taux aussi élevés 

que  2.5 m mois‐1),  et  il  semblait  y  avoir  une  biomasse  seuil  d’oursins  d’environ 

5 kg m‐2 en‐dessous de  laquelle  les  fronts ne pouvaient  réduire  substantiellement  la 

limite des  ceintures. Les  fronts étaient principalement  composés de gros  individus, 

tandis  que  les  plus  petits  oursins  dominaient  en  zone  dénudée,  au‐dessous  des 

ceintures. À l’un des sites, nous avons noté de grands changements saisonniers dans 

les  densités  globales  d’oursins  avec  des  augmentations  et  des  baisses  importantes 

pendant  l’été  et  l’hiver,  respectivement.  Une  expérience  comportant  l’exclusion 

d’oursins a  indiqué que  le recrutement algal en zone dénudée était de plus de cent 

fois  supérieur  en  absence qu’en présence d’oursins. La  laminaire Agarum  cribrosum 

limitait grandement  les mouvements de  l’oursin  et  la  stabilité  la plus  élevée d’une 

ceinture sur l’un des sites semblait liée au remplacement graduel d’A. esculenta, dans 

la  partie  inférieure  de  la  ceinture,  par  une  large  bande  d’A.  cribrosum.  Nous 

proposons que des perturbations causées par des  facteurs abiotiques  (e.g., abrasion 

par les glaces et mouvement de l’eau) déclenchent d’importants changements locaux 

dans les densités d’oursins qui, à leur tour, déterminent principalement les limites de 

distribution des ceintures de laminaires dans cette région de l’Atlantique où la zone 

dénudée est un état communautaire dominant. 

Page 25: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

13

Abstract 

We examined, over 2 years, factors affecting the temporal stability of the lower limit 

of kelp beds  (Alaria  esculenta) at  five  subtidal  sites  in  the Mingan  Islands, northern 

Gulf  of  St. Lawrence. The position  of  the  lower  limit  of  the beds varied markedly 

among  sites  and  over  time  and  was  largely  controlled  by  the  green  sea  urchin, 

Strongylocentrotus droebachiensis, that formed dense (up to 500 individuals m‐2) feeding 

fronts at the lower edge of the beds. These aggregations advanced over the kelp most 

rapidly during the summer (at rates as high as 2.5 m month‐1), and there appeared to 

be  a  threshold  urchin  biomass  of  ~5 kg m‐2  below  which  the  fronts  could  not 

substantially  reduce  the  limit  of  the  beds.  The  fronts  consisted  mainly  of  large 

individuals, whereas  smaller  urchins  predominated  in  the  barrens  zone  below  the 

kelp beds. At one site, we recorded  large seasonal shifts  in overall urchin densities, 

with  large  increases  and  decreases  during  the  summer  and  winter,  respectively. 

An urchin exclusion experiment  indicated  that algal  recruitment  in  the barrens was 

two  orders  of magnitude  greater  in  the  absence  than  in  the  presence  of  urchins. 

The kelp  Agarum  cribrosum  greatly  restricted  urchin  movements,  and  the  greater 

temporal  stability  of  the  kelp  bed  at  one  site  appeared  related  to  the  gradual 

replacement  of A. esculenta  in  the  lower  kelp  bed  by  a  large  stand  of A.  cribrosum. 

We propose that perturbations by abiotic factors (e.g., ice scouring and water motion) 

trigger  important  but  localized  changes  in  urchin  densities which,  in  turn,  largely 

determine  the  limits  of  kelp  bed  distribution  in  this  region  of  the Atlantic where 

urchin barrens are a persistent community state. 

 

Page 26: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

14

Introduction 

Kelp beds are highly diverse  shallow  coastal  communities  found  in  temperate and 

polar  zones  worldwide.  They  are  organized  around  the  physical  structure  and 

primary  productivity  provided  by  large  brown  algae  of  the  order  Laminariales 

(Tegner & Dayton, 2000). In addition to being among the most productive systems on 

earth  (Mann,  1973),  kelp  beds  provide  habitat  to  many  species  for  recruitment, 

feeding,  reproduction,  and  refuge  from  predators  and  from  strong water motion 

(e.g., Bernstein et al., 1981; Himmelman et al., 1983; Himmelman & Lavergne, 1985; 

Duggins et al., 1990; Vadas & Elner, 1992; Vasquez, 1993; Balch & Scheibling, 2000; 

Gagnon  et  al.,  2003a).  Although  the  light  environment  and  substratum  type  are 

primary  factors determining where kelp beds develop, many other  factors,  such as 

sedimentation,  nutrients,  salinity,  water  motion,  and  ice  scour  can  modify  local 

patterns  of  occurrence  (see  review  in  Dayton,  1985b;  but  also  Hooper,  1981; 

Cowen et al.,  1982;  Ebeling  et  al.,  1985;  Keats  et  al.,  1985;  Seymour  et  al.,  1989; 

Sivertsen,  1997;  Kawamata,  2001).  The most  important  factor  in many  regions  is 

grazing by sea urchins (see review in Lawrence, 1975; but also Paine & Vadas, 1969; 

Pearse & Hines,  1979; Hagen,  1983; Dean  et  al.,  1984; Himmelman,  1984; Dayton, 

1985a;  Witman,  1987;  Leinaas  &  Christie,  1996;  Sivertsen,  1997; 

Vasquez & Buschmann,  1997).  Although  urchins  and  kelp  can  co‐occur  at  small 

spatial scales (i.e., within the foraging distance of urchins), high densities of urchins 

usually completely denude areas of  fleshy macrophytes,  including kelp. Such areas, 

referred  to  as  urchin  barrens  (Lawrence,  1975),  have  both  low  diversity  (but  see 

Bégin, 2002) and low productivity, although the abundance and diversity of coralline 

algae  can  be  quite  high  (Steneck,  1983;  1986;  Chapman  &  Johnson,  1990; 

Scheibling & Hatcher,  2001).  Urchin  barrens  can  be  both  extensive  and  persistent 

(Breen & Mann, 1976b; Chapman, 1981; Hagen, 1983; Himmelman et al., 1983; Miller, 

1985;  Scheibling,  1986;  Leinaas & Christie,  1996;  Sivertsen,  1997),  and  natural  and 

experimental removals of urchins demonstrate that kelp can rapidly colonize barrens 

when  urchins  are  absent  (e.g.,  Pearse  &  Hines,  1979;  Himmelman  et  al.,  1983; 

Scheibling, 1986; Witman, 1987; Keats et al., 1990; Scheibling et al., 1999).  

Page 27: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

15

In  the  northwestern North Atlantic,  the  green  sea  urchin,  Strongylocentrotus 

droebachiensis, severely limits the distribution of kelp in rocky subtidal environments 

and  often  forms  dense  feeding  aggregations  at  the  lower  edge  of  kelp  beds.  This 

phenomenon  is  reported  in  the Gulf  of Maine  (Sebens,  1985; Witman,  1985;  1987), 

Newfoundland  (Himmelman,  1984;  Keats  et  al.,  1985;  Keats  et  al.,  1990),  and  the 

St. Lawrence  Estuary  (Himmelman  et  al.,  1983;  Himmelman  &  Lavergne,  1985). 

In Nova Scotia (the most extensively studied region), urchin fronts can destroy kelp 

beds  (primarily Laminaria  longicruris) at rates as high as 4 m month‐1, and as  long as 

the  urchins  remain  sufficiently  abundant,  fleshy  macroalgae  cannot  recolonize 

(Breen & Mann, 1976a; b; Chapman, 1981; Miller, 1985; Scheibling, 1986; Scheibling et 

al.,  1999).  As  outlined  by  Scheibling  et  al.  (1986;  1999),  mass  mortality  of 

S. droebachiensis caused by a pathogenic amoeba (see review in Scheibling, 1988) is the 

only  known  natural mechanism  for  the  large‐scale  shift  in  community  state  from 

urchin barrens to kelp beds. Such mortalities have been reported a number of times 

over  the  last  decades  and  were  always  followed  by  rapid  kelp  colonization 

(Miller & Colodey,  1983;  Scheibling  &  Stephenson,  1984;  Miller,  1985;  Scheibling, 

1986; Scheibling & Hennigar, 1997; Scheibling et al., 1999). Although  lobsters, crabs, 

sea stars, wolffish, sea gulls and eider ducks are all predators of S. droebachiensis in the 

northwestern  North  Atlantic  (Himmelman  &  Steele,  1971),  they  have  never  been 

shown to regulate urchin populations (see review in Scheibling, 1996).  

Two  such  community  states  are  found  on  shallow  bedrock  platforms  in 

wave‐exposed areas  in  the Mingan  Islands, northern Gulf of St. Lawrence:  (1) kelp 

beds  dominated  by  Alaria  esculenta  (but  also  including  Laminaria  spp.,  Saccorhiza 

dermatodea,  and  Agarum  cribrosum)  in  shallow  water,  and  (2)  urchin  barrens 

dominated  by  S. droebachiensis. Within  the  kelp  bed,  urchin  densities  are  low,  and 

algal  and  invertebrate  biomass  is  high  (Bégin,  2002).  In  the  barrens,  urchins  often 

attain densities of  300 m‐2 (Himmelman & Nédélec, 1990; Gagnon et al., 2003b), and 

the main algae are crustose coralline red algae (Lithothamnion sp. and Clathromorphum 

sp.). The only common fleshy macroalgae in the barrens are the brown algae Agarum 

cribrosum  and Desmarestia  viridis  and  the  red  alga  Ptilota  serrata.  In most  locations 

Page 28: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

16

A. cribrosum  is  found near  the  lower  limit  of  the kelp  zone where  it usually  forms 

small patches (1‐10 m2), but it occasionally covers larger areas (>500 m2). Desmarestia 

viridis, a filamentous annual, also forms patches in urchin barrens, but the patches are 

typically small (1‐5 m2) and are only present from winter to early fall (Gagnon et al., 

2003b). Both A. cribrosum and D. viridis are  thought  to be chemically defended  from 

urchin  grazing  (Vadas,  1977;  Larson  et  al.,  1980;  Himmelman  & Nédélec,  1990; 

Lobban & Harrison,  1994)  although more  recent work  suggests  that  tactile  contact 

induced by water movement  is more  important, particularly for the finely‐branched 

D. viridis  (Gagnon  et  al.,  2003b).  Ptilota  serrata  often  grows  under  patches  of 

A. cribrosum but can also form extensive turfs at greater depths.  

Mass mortalities of urchins, as occur  in Nova Scotia, has never been reported 

in  the northern Gulf. Thus,  the urchin barrens appear  to be a persistent community 

state. The  transition between kelp beds and barrens  is distinct as  the kelp generally 

abruptly disappear where fronts of urchins begin (Fig. 2.1). The factors controlling the 

stability of this conspicuous interface are poorly understood. Qualitative observations 

over 20 years  (Himmelman and  coworkers)  suggest  that  its position  (i.e.,  its depth 

and distance from shore) varies over time from site to site (with wave exposure and 

slope). Although the kelp‐barrens interface represents an equilibrium in an important 

herbivore‐plant  interaction,  there are no  long‐term observations of how  it  fluctuates 

over  time,  or  an  understanding  of  how  such  changes  are  affected  by  other 

environmental  factors  (e.g.,  ice  scour,  dislodgment  by  waves  and  currents, 

competition).  A  necessary  first  step  is  a  detailed  examination  of  the  spatial  and 

temporal dynamics of this  interface relative to the demographic changes  in both the 

kelp bed and the urchin population. 

Here, we examine factors affecting the temporal stability of the lower limit of 

kelp beds in the Mingan Islands. Specifically, we (1) record temporal variations in the 

position of the lower limit of kelp beds, (2) measure temporal changes in the structure 

(density and size‐distribution) of kelp beds and urchin fronts  in the transition zone, 

 

Page 29: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

17

 

 

 

Fig.  2.1.  A  grazing  front  of  the  green  sea  urchin,  Strongylocentrotus  droebachiensis (2 to 3 layers thick),  at  a  depth  of  3‐4  m  at  the  lower  edge  of  a  subtidal  kelp (Alaria esculenta)  bed  in  the Mingan  Islands  in  June  2000.  The  urchins  are  actively consuming kelp blades and leaving only the bases of stipes in their path. 

Page 30: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

18

(3) examine  the  relationship between urchin biomass  in grazing  fronts and  the  rate 

of change  in  the position of  the  lower  limit of kelp beds,  (4) determine  the  impact 

of urchins  on  the  recruitment  of  kelp  in  the  barrens  zone,  and  (5)  assess  the 

effectiveness of A. cribrosum stands in limiting upward movements of urchins into the 

shallower kelp zone dominated by A. esculenta. 

Materials and methods 

Study sites 

Our  study was  conducted  during  the  summer  and  fall  of  2000,  2001,  and  2002  at 

five subtidal  sites  on  four  of  the Mingan  Islands,  northern  Gulf  of  St.  Lawrence 

(Fig. 2.2).  All  sites  were  gently‐sloping  bedrock  platforms  and  had  kelp  beds  in 

shallow water (to a maximal depth of 6 m) and urchin barrens in deeper water. At the 

beginning  of  the  study,  the  kelp  beds  at  the  sites  were  composed  primarily  of 

Alaria esculenta  and  the  transition  from  kelp  beds  to  barrens was  abrupt. The  sites 

varied  markedly  in  exposure  to  waves  and  tidal  currents  due  to  differences  in 

orientation and  topography. After  initial qualitative  surveys,  two  sites,  Île à Firmin 

East and Île du Havre, were selected for intensive study due to striking differences in 

algal  density  within  the  kelp  beds  (kelp  were  more  dense  at  the  former  site). 

The Île à Firmin  East  site  was  exposed  to  strong  wave  action  and  tidal  currents, 

whereas  the  Île du Havre  site had  less  exposure  to waves  and had moderate  tidal 

currents.  The three  other  sites,  Île Niapiskau,  Île  à  Firmin West,  and  Petite  île  au 

Marteau, were  studied  less  intensively  and  served  to  provide  information  on  the 

generality  of  the  temporal  patterns  observed  at  the  two  intensively  studied  sites. 

We did not make measurements during other seasons due  to  the remote  location of 

the field sites, unpredictable weather conditions, and ice cover in winter. 

Temporal variability in A. esculenta beds and urchin populations 

We  evaluated  community  shifts  by  monitoring  changes  over  2  years  in  (1)  the  

 

Page 31: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

19

 

 

Fig. 2.2. Location of study sites at Île Niapiskau, Île à Firmin (West and East), Île du Havre,  and  Petite  île  au  Marteau,  in  the  Mingan  Islands,  northern  Gulf  of St. Lawrence, eastern Canada. 

Page 32: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

20

absolute  position  of  the  lower  limit  of  the  kelp  bed,  and  (2)  the  density  and 

size‐distribution  of  kelp  and  urchins  in  the  kelp‐barrens  transition  zone.  For  each 

of the two intensively studied sites, we delineated 12 permanent 16‐m‐long transects 

that  ran  perpendicular  to  the  kelp‐barrens  transition  and  parallel  to  one  another. 

The transects  were  spaced  at  3‐m  intervals  and  thus  covered  33  m  of  shoreline. 

The ends of each transect were tied to two 33‐m‐long benchmark lines (one located in 

the  kelp  bed  and  the  other  in  the  barrens)  running  parallel  to  the  shoreline  and 

anchored  by  bolts  (3  on  each  line)  permanently  set  into  holes  drilled  into  the 

substratum. The transect lines were removed between sampling periods. 

The  absolute  position  of  the  kelp‐barrens  interface  was  determined  by 

measuring the distance (to the nearest 1 cm) from the deep end of each transect up to 

the  interface.  To measure  the  abundance  and  size  of  urchins  and  kelp, we  placed 

quadrats along each transect line in both seaward and landward directions from the 

kelp‐barrens  interface. Quadrats were positioned by placing  the  edge  of  a quadrat 

(25 x 25 cm) at distances of 0.0 (i.e., at the interface), 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0 and 

5.0  m  in  each  direction  (this  arrangement  placed  the  two  quadrats  at  0.0 m 

immediately  adjacent  to  one  another).  In  each  quadrat we  counted  the  number  of 

urchins  in  three  size  classes  (<2  cm,  2‐4  cm,  and  >4  cm  in  test diameter). We  also 

categorized  each  quadrat  according  to  the  density  of  kelp  (0‐10,  10‐30,  30‐50, 

and >50 individuals per quadrat) and their length (<50 cm, 50‐100 cm, and >100 cm). 

Sampling was done six times over a 2‐year period: June, August, and October 2000, 

June and August 2001, and June 2002. We could not, however, take all measurements 

each  time.  Bad  weather  precluded  the  measurement  of  the  density  and 

size‐distribution of kelp and urchins in October 2000, and time considerations limited 

the quadrat samplings in 2001 and 2002 to 5 distances (0.0, 0.5, 1.0, 3.0, and 5.0 m) in 

each direction from the kelp‐barrens interface.  

At  the  other  three  sites,  we  simply measured  the  absolute  position  of  the 

kelp‐barrens interface along 20 m of shoreline. At each site, a transect line was placed 

along  the  lower  limit  of  the  kelp  bed  (two  positions  were  permanently  marked 

Page 33: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

21

by bolts  set  into  the  substratum),  and  on  each  observation  date  (August  2000, 

June and August 2001, and June 2002), we recorded the perpendicular distance to the 

lower  limit  of  the  kelp  bed  at  5‐m  intervals  along  the  transect  line.  The  line was 

removed between sampling dates. 

  Should grazing by urchins cause  the  reduction of kelp beds,  the  rate of kelp 

bed  regression  should  be positively  correlated with urchin  biomass  in  the  grazing 

fronts. To test this hypothesis, we examined the data on the position of the lower limit 

of kelp beds and urchin densities acquired from the 2‐year monitoring at Île à Firmin 

East  and  Île  du Havre  sites.  For  each  site, we  first  determined  the monthly  rate 

of change (advance or regression) in the mean position of the lower limit of the kelp 

bed  (the average over  the  twelve  transect  lines) by  comparing  their position at  the 

beginning and at the end of each of four time periods (between June and August 2000 

and 2001, and between August and June 2000‐2001 and 2001‐2002). For each period, 

we  then  calculated  the  urchin  biomass  within  the  first meter  of  the  edge  of  the 

barrens  (i.e.,  the  front). We used  the average of  the quadrats placed at 0.0, 0.5, and 

1.0 m  from  the  edge  and  converted  densities  to  biomass  using  a  regression 

(Wet weight (g) = 0.000908 x Diameter (mm)2.804; r2 = 0.99) obtained from a sample of 

144 urchins (ranging in test diameter from 0.8 to 6.1 cm) collected at the Île du Havre 

site. Test diameters used for each size class (<2 cm, 2‐4 cm, and >4 cm) were 1, 3, and 

5 cm,  respectively,  and  densities were  the  average  of  the  urchins  sampled  at  the 

beginning  and  end  of  each  period. We  then  examined  the  relationship  between 

urchin  biomass  in  the  grazing  fronts  and monthly  rate  of  changes  in  the  position 

of the lower limit of kelp beds at each site. 

Effect of urchins on algal recruitment in the barrens 

To  quantify  the  impact  of  urchins  on  algal  recruitment  in  the  barrens, 

we experimentally manipulated urchins using exclosures. The experiment consisted 

of three treatments: 1. Grazed (no manipulation) to quantify algal recruitment under 

natural  urchin  densities;  2. Ungrazed  (exclosure  and  urchins  manually  removed) 

to quantify  algal  recruitment  in  the  absence  of  urchins;  and  3. Fence  control 

Page 34: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

22

(exclosure,  but  urchins  not manually  removed)  to  test  for  effects  of  the  exclosure 

beyond those associated with the presence of grazers.  

For the Ungrazed and Fence control treatments, we constructed exclosures that 

consisted of a 0.75 x 0.75‐m fence of 60‐cm‐wide strips of hardware cloth (1‐cm mesh 

size) supported by a PVC  frame. The  fences were anchored  to  the substratum with 

nylon  ropes  connecting  the  top  of  each  corner  to  eye‐bolts  set  into  the  bedrock. 

Urchins were  able  to  climb  the  fences  but with  visits  every  2‐3 d  to hand  remove 

them, we were able to limit greatly their penetration inside the fences. Fence controls 

were identical except that urchins were never removed after starting the experiment. 

We  selected  12  experimental  areas  (each  marked  with  a  bolt  in  the  center)  in 

June 2000, spaced at 3.8‐m intervals 3 to 4 m below the lower limit of the kelp bed at 

Île du Havre  (near  the  transects at  this  location). The areas were grouped  into  four 

blocks of three adjacent areas that were then randomly assigned the three treatments. 

The  experiment  began  on  3  July  2000, when we  removed  the urchins  from  all  the 

areas  (releasing  them  at  least  3 m  from  the  areas)  and  then wire‐brushed  the  rock 

surface  to remove any  fleshy macroalgae present  (e.g., rare recruits of Laminaria sp. 

and A. cribrosum), thereby increasing the homogeneity of the initial conditions of the 

experimental units. The experiment ended 44 d later at which time we quantified the 

density of kelp recruits  in each area using  two quadrats  (25 x 25 cm) placed on  the 

north and south sides of the center bolt in each area. We averaged the data from the 

two  quadrats  in  each  area  before  statistically  comparing  densities  of  kelp  recruits 

among treatments. 

Limitation of upward movements of urchins by A. cribrosum 

During  the  first year of  the study, changes were seen  in  the kelp‐barrens  transition 

that were related to an observed increase in the abundance of Agarum cribrosum at the 

Île  du Havre  site.  To  assess  the  effectiveness  of mature  stands  of A.  cribrosum  in 

limiting the upward movement of urchin fronts  into the kelp (Alaria esculenta) zone, 

we  conducted  an  experiment  to  compare  the  rate  of  penetration  of  urchins  in  the 

absence  and  presence  of  adult  A.  cribrosum.  The  two  treatments  consisted  of 

Page 35: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

23

A. cribrosum removal (stipes cut off at the holdfasts) and a control (no manipulation). 

Experimental units consisted of eight 4‐m2 areas spaced at 3.8‐m  intervals along  the 

lower  edge  of  a  large  (over  500 m2) mature  stand  of A.  cribrosum  located near  the 

transect lines at the Île du Havre site. Each area, 1‐m wide and extending 4 m up into 

the A. cribrosum zone, was marked with bolts at the lower and upper edge. The areas 

were  grouped  into  four  blocks  of  two  adjacent  areas  to which  the  two  treatments 

were randomly assigned. The experiment began on 27 June 2001 with the removal of 

all adult and  juvenile A. cribrosum  for  the removal  treatment and  the removal of all 

urchins (released >25 m away) from all experimental units. The movement of urchins 

into the experimental units was then recorded on 6 dates over the next 20 d (June 28, 

29 and 30 and July 4, 10 and 17). On each date we counted the number of urchins in 

three size classes (<2 cm, 2‐4 cm, and >4 cm) in quadrats (40 x 40 cm) placed at 0, 1, 2, 

and 3 m from the edge of the original A. cribrosum zone in each area. To provide an 

indication of  the overall urchin densities, we  then averaged  the densities of urchins 

from  the  1‐,  2‐  and  3‐m  distances  in  each  area  on  each  date  before  comparing 

treatments.  

Statistical analysis 

Temporal changes  in  the density of sea urchins  in  the kelp‐barrens  transition zones 

of Île  à  Firmin  East  and  Île  du Havre were  analyzed  using  a  repeated measures 

ANOVA  (Hand  &  Taylor,  1987;  Crowder  &  Hand,  1990)  with  the  factors,  Time 

(June 2000, July 2000, June 2001, July 2001, and June 2002) and Site (Île à Firmin East 

and  Île du Havre) with one nested element  (transect  replicate within  island). Since 

variances did not vary over  time within  the  islands, and  the correlation  in  the data 

over time was similar between the islands, we used a pooled covariance structure in 

the  ANOVA  (Proc Mixed,  Type  =  CS,  SAS  Institute  Inc.,  1999). We  applied  the 

analysis to the raw data as the data for each time were normally distributed.  

  We examined  the  relationship between urchin biomass  in grazing  fronts and 

rate of change in the position of the lower limit of kelp beds at Île à Firmin East and 

Île du Havre using regression analysis (Draper & Smith, 1981; Proc Reg, SAS Institute 

Page 36: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

24

Inc.,  1999). We  applied  the  analysis  to  the  raw data  as  the data  for  each  site were 

homoscedastic and normally distributed. We evaluated the effect of urchins on algal 

recruitment  in  the  barrens  using  a  two‐way ANOVA  (Zar,  1999) with  the  factors, 

Block (four) and Treatment (Grazed, Ungrazed, Exclosure control) applied to the raw 

data  as  they  were  homoscedastic  and  normally  distributed.  To  test  whether 

Agarum cribrosum impeded the upward movement of urchin fronts, we carried out a 

repeated measures ANOVA with  the  factors, Block  (four), Treatment  (with/without 

canopy), and Time (after 1, 2, 3, 7, 13, and 20 d) with one nested element (treatment 

within block). Since we detected fluctuations in the variances over time, we modeled 

the  covariance  structure  with  a  heterogeneous  compound  symmetry  structure 

(Proc Mixed, Type = CSH, SAS Institute Inc., 1999). We analyzed the raw data as the 

data for each time were normally distributed. 

In  the  above  analyses,  normality was  verified  using  Shapiro‐Wilk’s  statistic 

(SAS  Institute  Inc.,  1999)  and  homoscedasticity  by  examining  the  graphical 

distribution of the residuals and by applying Levene test (Snedecor & Cochran, 1989). 

To  detect  differences  among  levels  within  a  factor,  we  used  least‐square  means 

multiple comparisons  tests  (LS means, SAS  Institute  Inc., 1999). A significance  level 

of 0.05 was used for all statistical tests. 

Results 

Temporal variability in the lower limit of kelp beds  

During  the  2‐year  study,  the  lower  limit  of  kelp  beds  showed  greater  temporal 

variability at Île à Firmin East than at Île du Havre (Fig. 2.3). At Île à Firmin East, the 

kelp bed retreated steadily during the first year and by August 2001 had been pushed 

back by 11.9 ± 5.0 (SD) m (equivalent to a loss of 0.9 m month‐1). Nearly 40 % of this 

loss  occurred  between  June  and August  2001  (2.5 m month‐1).  There was  a  strong 

recruitment  event  during  the  winter  of  2001‐2002,  and  the  kelp  bed  reinvaded 

a distance of 13.7 ± 4.8 m, exceeding by 1.8 ± 2.0 m the initial lower limit. In contrast, 

 

Page 37: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

25

0

10

20

30

40Jun 2000 Aug 2000

Aug 2001 Jun 2002

Île à Firmin EastOct 2000

0

10

20

30

40

Île du HavreJun 2000 Aug 2000 Oct 2000

0 6 12 18 24 30

Aug 2001

0 6 12 18 24 30

Jun 2002

Alongshore distance (m)

0

10

20

30

40Jun 2001

0 6 12 18 24 300

10

20

30

40Jun 2001

Barrens

Kelp bed

(8.1±1.9) (11.6±1.9) (13.7±1.6)

(15.6±4.6) (20.5±4.2) (6.7±1.7)

(8.7±1.5) (9.4±1.9)

(9.6±1.9) (9.1±2.2)

(12.1±1.2)

(8.2±2.7)

0

0

0

0

 

Fig. 2.3. Changes in the position of the kelp‐barrens interface at Île à Firmin East and Île  du  Havre  between  June  2000  and  June  2002.  The  depth  across  the  grid (from 40 to 0 m along the y‐axis) was from 3 to 5 m at Île à Firmin East, and from 4 to 6 m at Île du Havre. Values in parenthesis represent the mean distance (± SD) of the kelp  interface  relative  to  the  benchmark  transect  in  the  urchin  barrens  (0 m). Horizontal  dashed  lines  indicate  the  mean  distance  of  the  kelp  bed  on  the  first sampling date (June 2000). 

Page 38: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

26

the kelp‐barrens interface at Île du Havre was relatively stable over the 2‐year period: 

the  greatest  regression  was  just  3.5  ±  1.3  m,  with  a  maximal  rate  of  loss 

(1.3 m month‐1)  between  August  and  October  2000.  Some  recolonization  occurred 

during the first winter so that the lower limit in June 2001 was only 0.9 ± 1.7 m above 

the lower limit of the bed in the previous June. The bed extended deeper during the 

second year, and, as for the Île à Firmin East site, slightly exceeded the initial lower 

limit by the end of the study. Thus, although monthly changes in the position of the 

lower  limit  of  the  kelp  bed were much  greater  at  Île  à  Firmin East  than  at  Île du 

Havre,  the  net  displacement  of  the  lower  limit  of  the  kelp  bed  over  2  years was 

similar at the two sites. 

Measurements of  the  lower  limit of  the kelp beds  at  the  three  less‐intensely 

studied sites also showed a high degree of variability among sites and over time. At 

two sites, Île Niapiskau and Petite île au Marteau, there was a substantial regression 

of the kelp bed (over a distance of 3.8 ± 1.1 m and 5.9 ± 1.4 m, respectively) during the 

first 12 months, as observed at Île à Firmin East. In the second year, there was  little 

change at Petite  île au Marteau as  the  lower  limit of  the bed  in  June 2002 was only 

1.0 ± 1.3 m below  the  lower  limit  in August 2001. However, as  seen at  Île à Firmin 

East, substantial recolonization appeared to occur at Île Niapiskau during the winter 

of 2001‐2002. We were unable to locate reference points at this site in June 2002 due to 

the kelp cover, but noted that the lower limit of the kelp bed was well below that of 

the previous summer.  In contrast  to all other sites,  the  third site,  Île à Firmin West, 

showed a major extension of  the kelp bed during  the  first winter  (7.1 ± 1.2 m) and 

then retreated during the summer season (4.4 ± 1.9 m). We were also unable to find 

the reference points at this site in 2002, but again observed another major extension of 

the  kelp  bed  during  the  second  winter.  There  appeared  to  have  been  a  major 

disturbance over  the winter  2001‐2002  as  cobbles  and boulders  covered with  small 

kelp were  scattered over  the bottom. Also,  there were denuded  areas  at  shallower 

depths in the kelp bed that were likely due to ice scour. None of these sites showed 

the stability in the kelp‐barrens interface seen at the Île du Havre site. 

Page 39: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

27

Structure of kelp beds 

The 2‐year monitoring of the density and size of kelp in the transition zone indicated 

that kelp  in  the  lower  5 m of  the bed were  always more  abundant  (Table 2.1)  and 

larger (Table 2.2) at Île à Firmin East than at Île du Havre. At Île à Firmin East, there 

were  >50 kelp plants  in  almost half  of  the quadrats  at  the beginning  of  the  study. 

However, densities decreased  sharply during  the  summers of 2000 and 2001 as  the 

kelp bed  retreated  to a  shallower depth  (Fig. 2.3). The major  increase  in  June  2002 

relative  to August  2001 was  due  to  the  newly  recruited  kelp  that  caused  a major 

extension of the kelp bed (Fig. 2.3). The occurrence of >100‐cm plants was relatively 

high at all  times  (13‐32 %). Alaria  esculenta always dominated, but Laminaria digitata 

and  Saccorhiza  dermatodea  were  also  common  and  patches  of  the  green  alga 

Spongomorpha  arcta,  ulvoid  algae,  and  the  brown  alga  Scytosiphon  lomentaria were 

present on surfaces between kelp holdfasts, especially in June of each year.  

In contrast, at Île du Havre, there were <10 kelp plants in most quadrats at the 

beginning  of  the  study. Densities decreased  further  over  time  and were  extremely 

low  by  June  2002.  This  decrease  in  kelp  density  was  accompanied  by  a  general 

decrease  in  kelp  size.  For  example,  the  occurrence  of  plants  >50 cm  in  length was 

initially only 29 % but decreased to 5 % by the end of the study. The decline in both 

kelp density and length was due to a shift from A. esculenta to Agarum cribrosum in the 

lower  kelp  bed  (in mature  stands, A.  cribrosum  rarely  exceeds  1 m  in  length,  and 

individuals  are more  dispersed  than  in  a  bed  of A. esculenta;  P. Gagnon,  personal 

observation).  By  June  2002,  the  lowest  portion  of  the  bed  was  a  mature  stand 

of A. cribrosum that extended up to 8 m from the lower limit of the A. esculenta zone. 

Above the A. cribrosum stand, a luxuriant kelp bed of large A. esculenta still flourished. 

There were also a few large Laminaria longicruris (often >2 m in length), but L. digitata 

and S. dermatodea were virtually absent, and S. arcta, ulvoid algae, and S.  lomentaria 

were scarce. We never observed any major recruitment events at this site. 

Page 40: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

28

 

 

 

Table 2.1. Proportion of quadrats  (out of 48) containing different density classes of kelp  (0‐10,  10‐30,  30‐50,  and  >50  individuals  per  25  x  25‐cm  quadrat)  on  different dates from June 2000 to June 2002 for the  lower 5 m of the kelp bed zone (quadrats placed at 0.0, 1.0, 3.0 and 5.0 m) at Île à Firmin East and Île du Havre. 

 

  Île à Firmin East    Île du Havre 

  0‐10  10‐30  30‐50  >50    0‐10  10‐30  30‐50  >50 

                   

Jun 2000  27  12  15  46    61  35  0  4 

Aug 2000  54  27  8  11    90  10  0  0 

Jun 2001  50  17  21  12    92  4  2  2 

Aug 2001  94  6  0  0    98  2  0  0 

Jun 2002  21  19  27  33    100  0  0  0 

                   

 

Page 41: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

29

 

 

 

Table 2.2. Proportion of quadrats (out of 48 25 x 25‐cm quadrats) containing different size  classes  of  kelp  (<50,  50‐100,  and  >100  cm  in  length)  on  different  dates  from June 2000 to June 2002 for the lower 5 m of the kelp bed zone (quadrats placed at 0.0, 1.0, 3.0 and 5.0 m) at Île à Firmin East and Île du Havre. 

 

  Île à Firmin East  Île du Havre 

  <50 cm  50‐100 cm >100 cm  <50 cm  50‐100 cm  >100 cm 

             

Jun 2000  73  13  14  71  21  8 

Aug 2000  73  12  15  82  10  8 

Jun 2001  74  4  22  97  1  2 

Aug 2001  58  10  32  91  5  4 

Jun 2002  51  36  13  95  5  0 

             

 

Page 42: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

30

Structure of urchin populations 

The 2‐year monitoring of the density and size‐structure of urchin populations in the 

transition zone showed substantial changes at each site as well as major differences 

between  sites. There was an overall decline  in urchin abundance by approximately 

50 % during the course of the study at both sites (Fig. 2.4). At Île à Firmin East, this 

trend  was  seasonally  reversed  with  dramatic  increases  during  the  summer.  In 

contrast, no  seasonal variation was  seen  at  Île du Havre,  and  a massive decline  in 

densities  (47 %)  between  August  2000  and  June  2001  accounted  for  most  of  the 

change during the study.  

The  sampling  at different distances  from  the kelp‐barrens  interface  (into  the 

barrens and  into  the kelp bed)  showed  that urchin densities consistently peaked  in 

the  first meter below  the  edge of  the bed at both  sites  (Fig. 2.5). There was almost 

always  a distinct  front of urchins, often  2‐3  layers  thick. Urchin  abundance  fell off 

much more rapidly within the kelp bed than in the urchin barrens although at times, 

there were substantial densities (>100 m‐2) within the first 2 m, and occasionally even 

far  into  the kelp bed  (e.g.,  Île du Havre  in  June 2001). The bell‐shaped distribution 

around the kelp‐barrens interface flattened with time, particularly at Île à Firmin East, 

associated with the overall decrease in urchin numbers (see above).  

The analysis of the size‐structure of urchins in the transition zone showed that 

mean size generally increased over time at both sites, but urchins were always larger 

at  Île  à  Firmin  East  (Fig.  2.6).  In  the  kelp  bed  above  the  interface,  urchins were 

generally  larger with  the  largest  size  class often  comprising more  than 50 % of  the 

sample and the smallest size class usually accounting for <25 %. Most urchins in the 

front  and  in  the kelp bed were medium  (2‐4  cm)  to  large  (>4  cm)  in  size  (Fig. 2.6) 

whereas  small  urchins  (<2  cm)  were  far  more  common  in  the  urchin  barrens, 

particularly at Île du Havre. At Île à Firmin East, the proportion of small urchins  in 

the overall area decreased during the first year (to nearly nil in the summer of 2001) 

and  then  increased  by  June  2002. Urchin  biomass  in  the  grazing  front  (in  the  first  

 

Page 43: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

31

 

 

0

50

100

150

200

250 Île à Firmin East

Île du Havre

Jun 00 Aug 00 Jun 01 Aug 01 Jun 02

abaa

bc

cdde

dede e

f

 

Fig. 2.4. Changes in the mean density (+ SE) of the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, within  5 m  of  the  lower  limit  of  kelp  beds  at  Île  à  Firmin  East  and Île du Havre between June 2000 and June 2002. Values not sharing the same letter are different (LS means, P < 0.05). 

Page 44: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

32

0100200300400500600

Île à Firmin East Île du Havre

Distance to the kelp bed edge (m)

0100200300400500600

0100200300400500600

0100200300400500600

0100200300400500600

Jun 2000

Aug 2000

Jun 2001

Aug 2001

Jun 2002

Jun 2000

Aug 2000

Jun 2001

Aug 2001

Jun 2002

Kelp bed Barrens Kelp bed Barrens

Edge Edge

2 222 4 66 644 6 4

 

Fig.  2.5.  Changes  in  the  densities  of  the  green  sea  urchin,  Strongylocentrotus droebachiensis, within  5 m  of  the  lower  limit  of  kelp  beds  at  Île  à  Firmin  East  and Île du Havre between  June 2000 and  June 2002. Data are means  (+ SE)  for quadrats (n = 12) placed at different distances  inside and outside of the kelp‐barrens  interface (0.0, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0 and 5.0 m  in June and August 2000, and at 0.0, 0.5, 1.0, 3.0, and 5.0 m in June and August 2001, and June 2002). 

Page 45: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

33

Medium

Large

Jun 2000

Aug 2000

Île à Firmin East

Jun 2001

Aug 2001

Jun 2002

Île du Havre

Distance to the kelp bed edge (m)

Small

Kelp bed Barrens0-1 3 535

Jun 2000

Aug 2000

Jun 2001

Aug 2001

Jun 2002

1-0

5.5 2.0 2.5

7.7 3.6 2.7

7.6 2.7 5.1

10.2 5.5 6.3

3.2 3.3 2.4

5.6 2.8 1.7

3.7 3.6 1.4

4.5 2.3 2.6

4.6 3.1 2.2

4.8 2.9 2.5

0.6 0.5 3.6

1.1 3.5 5.9

0.7 0.1 2.7

0.7 3.2 5.2

0.2 0.4 0.5

1.8 1.0 2.6

2.5 3.4 2.8

6.2 3.5 1.8

3.2 2.4 2.3

0.8 3.3 1.2

Edge

 

Fig.  2.6. Changes  in  the proportions  of  small  (<2  cm  test diameter), medium‐sized (2‐4 cm) and large (>4 cm) urchins, Strongylocentrotus droebachiensis, within 5 m of the lower limit of kelp beds at Île à Firmin East and Île du Havre between June 2000 and June 2002. Data are means for quadrats (n = 12) placed at 0.0, 0.5, and 1.0 m (averaged and designated  as  0‐1 m  interval),  and  at  3.0  and  5.0 m  inside  and  outside  of  the kelp‐barrens interface. Values above the circle plots represent urchin biomass (kg m‐2) estimated from a regression equation relating fresh weight to test diameter (n = 144) collected at Île du Havre. 

Page 46: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

34

meter below the kelp edge) was initially similar (∼5.5 kg m‐2) at the two sites (Fig. 2.6). 

Although  the  biomass  increased  almost  twofold  over  the  following  14 months  at 

Île à Firmin  East  (to  August  2001),  it  always  remained  less  than  the  initial  value 

at Île du Havre. Thus, during most of the study, the grazing potential was higher at 

Île à Firmin East than at Île du Havre.  

Our data did not support the hypothesis that the rate of kelp bed regression is 

positively  correlated  with  urchin  biomass  in  the  grazing  fronts.  We  found  no 

significant relationship between the biomass of urchins in the grazing fronts and the 

rate of change  in  the position of  the  lower  limit of kelp beds at  the  two  intensively 

studied  sites,  either when  averaged  for  the  entire  site  (Fig. 2.7)  or when  examined 

within a site using transects as replicates (data not shown). Nevertheless, we noted a 

tendency  towards  increased  kelp  regression  with  increased  urchin  biomass  at 

Île à Firmin  East  (r2 = 0.33,  P = 0.42).  There  appeared  to  be  a  threshold  biomass  of 

urchins of ~5 kg m‐2  (estimated  from a  regression equation of  the pooled data  from 

both sites;  i.e, when kelp edge displacement  (m) = 0 = 1.79  ‐ 0.37 x Urchin biomass 

(kg m‐2),  r2 = 0.29,  P = 0.17)  above which  the  beds  receded. As  urchin  biomass was 

usually  just below 5 kg m‐2 (June 2000 being the only exception) at Île du Havre, this 

might  explain why  changes  in  the  position  of  the  kelp  bed  interface  varied  little 

during the study (but see below). Overall, these results indicate that the variability in 

the  position  of  the  kelp‐barrens  interface  is  a more  complex  function  than  simply 

being related to the urchin biomass in the grazing front (e.g., related to kelp density, 

wave exposure, tendency of urchins to feed). 

Effect of urchins on algal recruitment in the barrens 

The  44‐d  exclusion  of  urchins  from  experimental  areas  in  the  urchin  barrens 

demonstrated  that  urchins  strongly  limited  kelp  recruitment  as  recruitment  was 

>100 times  greater  in  the Ungrazed  treatment  (232.0 ± 66.5 [SE] recruits m‐2)  than  in 

the  Grazed  treatment  (2.0 ± 2.0;  LS  means,  P = 0.0053).  Early  colonists,  such  as 

diatoms,  ulvoid  algae,  and  Spongomorpha  arcta,  also  flourished  in  the  absence  of 

 

Page 47: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

35

 

 

-3

-2

-1

0

1

2

0 2 4 6 8

Urchin biomass (kg m-2)

10

 

Fig. 2.7. Relationship between the rate of change in the position of the lower limit of kelp beds and urchin biomass in the grazing fronts at Île à Firmin East (filled circles) and  Île  du Havre  (open  circles)  between  June  2000  and  June  2002.  Positive  rates indicate kelp bed expansion and negative rates kelp bed regression. 

Page 48: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

36

 urchins. The similarity between  the Fence control  (4.0 ± 2.3) and Grazed  treatments 

(LS means, P = 0.97) demonstrated  that  the manipulation did not affect  recruitment 

beyond the effect of grazing by urchins. 

Limitation of upward movements of urchins by A. cribrosum 

The experimental removal of mature Agarum cribrosum showed that dense stands of 

kelp  can  greatly  reduce  shoreward  movement  of  urchins.  In  the  areas  where 

A. cribrosum was not removed, the density of urchins  in the  lower A. cribrosum zone 

increased gradually over the first 3 d of the experiment but then remained low for the 

duration  of  the  experiment  (<34 m‐2,  Fig.  2.8).  In  contrast,  in  the  areas where  the 

A. cribrosum  canopy  was  removed,  the  density  of  urchins  increased  (particularly 

between 3 and 7 d), and after 20 d was more than four times greater than the first day. 

The final urchin density (after 20 d) was three times greater in the removal than in the 

non‐removal areas. During the experiment, we observed dense urchin aggregations at 

the  outer  edge  of  the  intact  A.  cribrosum  areas  (up  to  356 urchins m‐2,  SE = 177.1) 

during periods of calm wave conditions. Conditions were especially calm during the 

last  3  d  of  the  study,  and we  observed  groups  of  urchins  at  the  edge  of  the  bed 

anchoring  the  blades  of  A. cribrosum  to  the  bottom.  These  aggregations  likely 

accounted  for  the  large  increase  in  the density of urchins  in  the  intact A.  cribrosum 

areas as recorded on Day 20. 

Discussion 

Although large seaweeds generally dominate shallow rocky subtidal communities on 

northwestern North Atlantic coasts (Chapman & Johnson, 1990) grazing by the green 

sea  urchin,  Strongylocentrotus  droebachiensis,  nevertheless  severely  limits  the 

distribution  of  kelp  (Himmelman  &  Steele,  1971;  Breen  &  Mann,  1976a;  b; 

Chapman, 1981; Himmelman et al., 1983; Himmelman, 1984; Miller, 1985; Scheibling, 

1986; Witman, 1987; Keats et al., 1990; Scheibling et al., 1999). Our urchin exclusion 

experiments showing  that urchins dramatically  limited  the recruitment of both kelp 

 

Page 49: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

37

 

 

a

a

a

bbbc

ccdcd

d

de

e

0

20

40

60

80

100

120

140

Intact A. cribrosum

A. cribrosum removed

Time (d)

1 2 3 7 13 20

 

Fig.  2.8.  Changes,  over  a  20‐d  period,  in  the  mean  density  (+ SE)  of  the  green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis,  in 1 x 4‐m areas along  the  lower edge of a mature  stand  of  the  kelp Agarum  cribrosum where  the  kelp was  removed  and  in 1 x 4‐m areas where A. cribrosum was left intact. Values not sharing the same letter are different (LS means, P < 0.05). 

Page 50: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

38

and ephemeral algae in the barrens is consistent with this body of knowledge. Thus, 

as seen elsewhere, urchin grazing is a primary factor controlling algal distribution in 

the shallow rocky subtidal zone of the Mingan Islands. 

            Most previous  studies have  focused on  the negative  impact of  the green  sea 

urchin on primary productivity, but these one‐time observations have only provided 

limited  information  about  interactions  controlling  changes  in  kelp  bed  boundaries 

(but see Scheibling et al., 1999). Here we have shown that the kelp‐barrens interface is 

dynamic and can shift over weeks to months. Moreover, we have demonstrated that 

these changes in the lower limit of kelp beds are site‐specific. For example, between 

August 2000 and  June 2001,  three sites experienced a regression  in  the kelp‐barrens 

interface of 4 to 7 m, one site experienced no change, and one site showed an advance 

of 7 m. This variation was not clinal as the two most extreme sites (Île à Firmin East 

and West) were  the  closest  together.  Substantial  temporal  variation was  also  seen, 

especially  at  Île  à  Firmin  East  where  there  was  a  continuous  regression  of  the 

kelp bed from 2000 to 2001, followed by massive kelp recolonization in 2002.  

We had hypothesized that changes in the interface would be related to changes 

in  the  urchin  population. Whereas  the  massive  recruitment  at  Île  à  Firmin  East 

occurred when urchin densities were at their lowest (August 2001 to June 2002), the 

movement of the  interface did not track variations  in urchin densities. For example, 

in spite of a 44 % decrease in urchin density during the winter of 2000‐2001, the kelp 

bed continued  to  regress. However,  rates of  regression were always highest during 

the  summer  (up  to  2.5 m month‐1), when urchin numbers were  increasing. Because 

urchins  feeding  rates  typically  peak  in  summer  (Vadas,  1977;  Larson  et  al.,  1980; 

Himmelman, 1984; Himmelman & Nédélec, 1990; Meidel & Scheibling, 1998),  their 

increased  voraciousness  likely  enhanced  the  effect  of  their  increased  density. 

The rates of kelp bed regression that we observed were similar to those seen along the 

coast  of  Nova  Scotia  (up  to  4.0 m month‐1,  Breen  &  Mann,  1976b;  Mann,  1977; 

Scheibling  et  al.,  1999).  Overall,  our  data  suggest  that  the  effect  of  urchins  was 

non‐linear  at  Île  à  Firmin East  and  that  kelp  could  only  colonize when  the urchin 

Page 51: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

39

density was  below  ~100 urchins m‐2.  Possibly,  the  low  number  of  urchins  reduced 

their ability to weigh down and graze on the kelp. Biomass offers another measure of 

grazing pressure, and Breen and Mann (1976a; b; and later supported  by Scheibling 

et  al.  1999)  postulated  that  a  threshold  urchin  biomass  of  ~2 kg m‐2  causes  kelp 

regression  in Nova Scotia, a value less than half the threshold that we estimated for 

the Mingan Islands (~5 kg m‐2). The difference might be attributable to the higher kelp 

density  in  the Mingan  Islands, or  to  the morphology or  chemistry of  the dominant 

kelps  in the two systems, Laminaria  longicruris  in Nova Scotia and Alaria esculenta  in 

the Mingan Islands. Another possibility is that our sites were more exposed to wave 

action or tidal currents than the sites in Nova Scotia, as increased wave action likely 

decreases  the  rate  at  which  urchins  move  and  attack  algae  (Kawamata,  1998; 

Chapter 5). The greater exposure of the site at Île à Firmin East to waves and currents, 

compared  to  the  site  at  Île  du  Havre,  could  have  contributed  to  the  increased 

variability in the lower limit of the kelp bed at this site. If urchins at Île à Firmin East 

experienced  less predictable  flow  forces,  they may have been able  to move  rapidly 

upwards during periods of  low wave action. Likewise, unexpected periods of high 

wave  action  could  have  dislodged  urchins  and  permitted  a massive  expansion  of 

the kelp bed. Finally, perhaps neither density nor biomass are  individually  the best 

measure of grazing pressure, and the best may be some combination of the two. 

The  large  decrease  in  urchin  density  at  Île  à  Firmin  East  during  the winter 

of 2001‐2002 was accompanied by an increased proportion of small urchins. Because 

of  the much  lower  ingestion  rate  of  small  compared  to  large  urchins  (the  rate  for 

<15‐mm  urchins  is  10‐fold  less  than  for  50‐mm  urchins,  Larson  et  al.,  1980; 

Himmelman,  1984;  Minor  &  Scheibling,  1997;  Meidel  &  Scheibling,  1999; 

Scheibling & Hatcher, 2001),  the overall grazing pressure may have been  too  low  to 

prevent  colonization  by  kelp.  Several  observations  from  Île du Havre  support  this 

idea.  First, urchin densities were  always  >100 m‐2  yet  no massive  colonization was 

observed (nevertheless, the greatest extension of the kelp bed did occur when urchin 

densities declined by 47 % in the winter of 2000‐2001). On the other hand, in spite of 

the  constant  high urchin densities,  there was  never  a  substantial  regression  of  the 

Page 52: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

40

kelp bed, even  though kelp density was always  lower and  the plants smaller  in  the 

lower  kelp  bed  compared  to  Île  à  Firmin  East, which  should  have  facilitated  the 

advance of  the  front  (Scheibling  et al., 1999). Our data  support  the hypothesis of a 

threshold  urchin  biomass  as  the  grazing  front  at  Île  du  Havre  remained  below 

5 kg m‐2  throughout  most  of  the  study  and  was  apparently  insufficient  to  cause 

a substantial regression of the interface there. 

Another major difference between the two sites was the difference in kelps that 

formed the beds. Alaria esculenta was the dominant kelp at Île à Firmin East, whereas 

we observed a shift from A. esculenta to Agarum cribrosum at the lower edge of the bed 

at Île du Havre during the study as reflected by the gradual decline in mean density 

and height of  the kelp. Agarum cribrosum  is probably more resistant  to grazing  than 

A. esculenta  given  the  low  preference  of  the  urchin  for  this  alga  in  both  field  and 

laboratory  feeding  studies  (Himmelman &  Steele,  1971; Vadas,  1977; Larson  et  al., 

1980; Himmelman, 1984; Himmelman & Nédélec, 1990). This low preference may be 

partially due to chemical defenses, such as phenolics (Vadas, 1977; Larson et al., 1980; 

Himmelman & Nédélec, 1990). The  tough stipe of A. cribrosum, which  is  fairly rigid 

and holds the blade above the bottom, may also contribute to its resistance to grazing. 

The greater resistance of A. cribrosum compared to A. esculenta is further shown by its 

ability  to  form  patches  within  the  barrens  (Vadas,  1968;  1977;  Keats  et  al.,  1982; 

Himmelman,  1984). Moreover,  as  shown  by  our  A.  cribrosum  removal  trials,  the 

presence of A. cribrosum can greatly reduce the upward movement of urchins. Thus, 

in certain situations, A. cribrosum appears  to  form a border at  the  lower edge of  the 

kelp zone that limits incursions by urchins and in turn protects the more vulnerable 

A. esculenta growing at shallower depths from urchins. This effect on urchins may be 

unique  to  A. cribrosum  because  of  its  distinct  grazing  resistant  characteristics  but 

could also be a general characteristic of any alga capable of forming a dense stand. 

The mechanism by which A. cribrosum reduces movements of urchins remains 

to  be  determined.  The  alga might  ”block”  the movement  of  urchins,  by  forming 

a barrier  or  repulsing  the  urchins,  as  seen  for  some  other  macroalgae 

Page 53: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

41

(Velimirov & Griffiths, 1979; Himmelman, 1984; Dayton, 1985a; Vasquez & McPeak, 

1998; Konar,  2000; Gagnon  et  al.,  2003b),  or  urchins might  simply  stop  once  they 

encounter  a  potential  food  source.  A  slowing  of  the  advance  of  urchins  by 

A. cribrosum was suggested by our observations at Île du Havre. Although the urchin 

front was clearly defined  in  June 2000  (high numbers at  the  lower edge of  the kelp 

bed), the front became less pronounced over time as A. cribrosum gradually replaced 

A.  esculenta.  Because  most  of  the  urchins  aggregated  at  the  lower  edge  of  the 

A. cribrosum,  fewer  urchins  penetrated  to  the  A. esculenta  in  shallower water.  The 

greater  temporal  variability  in  the  position  of  the  lower  limit  of  the  kelp  bed  at 

Île à Firmin  East,  compared  to  Île  du  Havre,  may  thus  have  been  related  to  the 

absence of A. cribrosum at this site. 

We observed substantial declines in urchin abundance over time at both Île du 

Havre  and  Île  à  Firmin  East,  but  events  varied  between  sites.  At  Île  du  Havre, 

densities declined abruptly between August 2000 and  June 2001, coincident with an 

increase in the average size, suggesting a demographic change (such as mortality or 

emigration).  In contrast, at  Île à Firmin East, we observed a more gradual  temporal 

decline  along with  a  seasonal  pattern.  The  seasonal  pattern was  likely  due  to  the 

migration of urchins into deeper water during the winter, perhaps to avoid ice scour 

(see  below)  or  increased wave  action  as  suggested  for  urchins  populations  in  the 

St. Lawrence Estuary (Himmelman & Lavergne, 1985), and their return the following 

spring. The gradual decline in density by >50 % between June 2000 and June 2002 is 

more difficult to explain. The decrease in the first year coincided with an increase in 

average size, as also seen at Île du Havre. A number of studies show that the growth 

rate  of  S.  droebachiensis  increases  with  size  (Swan,  1961;  Thompson,  1984; 

Raymond & Scheibling,  1987;  Russell  et  al.,  1998).  Possibly,  the  small  urchins  at 

Île à Firmin East benefited  from  the drop  in  large urchins  that were either killed or 

moved away due  to  ice  scour. The  reduced  intraspecific competition and  increased 

food availability  (with the new growth of kelp  in  the barrens)  should have  favored 

increased growth and thus increases in the average size. However, the change during 

Page 54: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

42

the second year did not suggest a density‐dependent response to resources as a shift 

to smaller urchins accompanied the decrease in numbers. 

We documented striking differences between the two intensively studied sites, 

the most  striking being  the dynamics of  the kelp‐barrens  interface  and  the general 

decline  in  urchin  abundance.  Unfortunately,  we  did  not  expect  such  extreme 

variation (e.g., the establishment of A. cribrosum at the Île du Havre site) and thus did 

not  sufficiently  replicate  sampling  for making  definitive  statements  regarding  the 

causes of these differences. Still, we postulate that A. cribrosum can play a pivotal role 

in  determining  the  dynamics  of  the  kelp‐barrens  interface  by  providing  a 

herbivore‐resistant  fringe  at  the  lower  edge  of  the  kelp  bed.  The  distribution  of 

A. cribrosum in shallow waters may, in turn, be controlled by ice scour, which occurs 

frequently during winter  and  early  spring  along  rocky  shores  in  the  St. Lawrence 

Estuary  and  the  Gulf  of  St. Lawrence  (Archambault  &  Bourget,  1983; 

Bergeron & Bourget, 1984; Bourget et al., 1985), and along the coast of Newfoundland 

(Hooper, 1981; Keats et al., 1985). We saw evidence of  ice scour at  Île à Firmin East 

during the winter of 2000‐2001, as five of the six 10‐cm steel bolts set into the bedrock 

as markers for the benchmark transects were found bent in June 2001. There was also 

evidence  of  ice  scour  (although  less  severe)  in  the  winter  of  2001‐2002,  as  two 

out of six bolts were bent (the damaged bolts found in June 2001 had been replaced). 

These  observations  are  consistent  with  those  of  Parks  Canada  personnel 

(Benoît Roberge  and  Nancy  Dénommée,  personal  communications)  who  recorded 

a solid  ice  sheet  between  the  islands  for  only  two weeks  in  2001  (20 February  to 

6 March), whereas  there was  a  solid  cover  for  two months  in  2002  (18 January  to 

17 March)  (there  is  less  ice  scouring when  the  cover  is  solid).  In  contrast,  ice  scour 

appeared  to have been  less at Île du Havre, as only  three out of six bolts were bent 

during  the winter of 2000‐2001  (all  three  in  the shallower part of  the kelp bed) and 

only a single bolt during the 2001‐2002 winter. If the condition of the bolts did reflect 

less  ice  scouring  at  Île  du Havre,  decreased  disturbance may  explain  the  greater 

survival  of  A.  cribrosum  at  this  site.  The  drop  in  urchin  density  observed  at 

Île à Firmin  East  during winter  of  2000‐2001  is  harder  to  explain  but may  reflect 

Page 55: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

43

migration to greater depths due to winter conditions. Severe ice scouring appears to 

have occurred at  the  Île à Firmin West  site during  the winter of 2001‐2002 as  there 

were  numerous  denuded  areas  in  the  kelp  community  at  shallower  depths. More 

detailed  observations  are  needed,  however,  to  relate  ice  conditions  to  urchin 

aggregation and dispersion below the kelp bed. 

Our study is the first to examine factors affecting the temporal stability in the 

lower  limit of kelp beds  in  the northern Gulf of St. Lawrence. We provide evidence 

that  sea urchin grazing plays a pivotal  role  in determining  the  lower  limit of kelp. 

However, our results also show that the  intensity of urchin‐kelp  interactions  is both 

site  and  time  specific.  For  example,  the  tendency  of  an  increased  rate  of  kelp  bed 

regression with  increased  urchin  biomass was  only  seen  at  one  of  the  intensively 

studied  site  (Île  à  Firmin  East). We  propose  that  perturbations  by  abiotic  factors 

(e.g., ice  scouring  and water motion)  triggering  important but  localized  changes  in 

urchin abundance are of primary importance for controlling kelp beds in the northern 

Gulf, rather than the  large‐scale effects of biotic factors as observed  in other regions 

(e.g., predation and disease, Estes et al., 1978; Simenstad et al., 1978; Pearse & Hines, 

1979;  Duggins,  1980; Miller,  1985;  Scheibling,  1986;  Scheibling  &  Hennigar,  1997; 

Scheibling  et  al.,  1999).  These  perturbations would  allow  kelp  beds  to  re‐establish 

over  the  barrens  during  periods  of  reduced  grazing.  To  increase  our  global 

understanding of the dynamics of such subtidal macroalgal communities, additional 

long‐term studies are needed to examine the temporal stability of algal assemblages 

in the barrens zone, as well as to  investigate the mechanisms by which a few fleshy 

macroalgae (e.g., A. cribrosum and Desmarestia viridis) withstand intensive grazing by 

urchins. 

 

 

Page 56: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

      

Chapitre III 

    

Spatial and temporal stability in algal assemblages on urchin barrens in the northern Gulf of St. Lawrence 

 

Page 57: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

45

Résumé 

L’algue  brune  Agarum  cribrosum  est  la  seule  grande macrophyte  pérenne  charnue 

communément retrouvée en zone dénudée dans le nord‐ouest de l’Atlantique. Nous 

avons examiné la stabilité spatiale et temporelle des agrégats d’A. cribrosum ainsi que 

leur impact sur le recrutement algal dans l’archipel de Mingan, dans le nord du golfe 

du Saint‐Laurent. Les agrégats étaient très stables dans l’espace et dans le temps avec 

que  de  faibles  variations  entre  les  sites  étudiés.  L’abondance  (pourcentage  de 

recouvrement) d’A. cribrosum dans deux aires de 144 m2 s’est accrue de 6.5‐11.4 % en 

2 ans  et  la  plupart  des  changements  d’abondance  sont  survenus  en  marge  des 

agrégats. L’aire de la surface de petits (<13 m2) agrégats d’A. cribrosum augmentait de 

~1.8 % mois‐1  bien  que  des  augmentations  hivernales  marquées  (>95 %)  sont 

survenues, principalement dues à  la  fusion d’agrégats adjacents  en de plus grands 

agrégats. Les  agrégats d’A.  cribrosum  favorisent  le  recrutement  algal  tel qu’indiqué 

par l’abondance des juvéniles d’A. cribrosum et de l’algue rouge Ptilota serrata, plus de 

cent  fois  supérieure  à  l’intérieur  qu’à  l’extérieur  des  agrégats.  L’élimination 

expérimentale de la canopée d’A. cribrosum (portions de 1 m2) en bordure d’agrégats 

n’a eu aucun effet à  long  terme  sur  l’abondance d’A.  cribrosum: en 14 mois,  l’algue 

avait  à  nouveau  colonisé  la  plupart  des  aires  initialement  fauchées  malgré  le 

recrutement  de  la  laminaire  Alaria  esculenta.  Les  agrégats  d’A.  cribrosum  semblent 

donc  résilients  à  de  petites  perturbations mais  pourraient  dépendre  des  brouteurs 

pour  supprimer  les  espèces  compétitrices. À  l’inverse  des  juvéniles  d’A. cribrosum, 

l’abondance  de  P. serrata  a  diminué  rapidement  après  l’élimination  de  la  canopée 

pour n’être, à la fin de l’étude, qu’à 17 % de la valeur observée dans le traitement avec 

canopée.  Nos  résultats  démontrent  que  les  agrégats  d’A.  cribrosum  sont  une 

importante  composante  temporelle  et  spatiale  en  zone  dénudée,    en  dépit  du 

broutage  intensif  typique  de  l’oursin.  Le  maintien  et  l’expansion  des  agrégats 

d’A. cribrosum  et  de  la  flore  associée  semblent  dépendre  d’interactions  positives 

(facilitation)  avec  les  adultes  d’A.  cribrosum,  eux‐mêmes  capables  de  repousser 

l’oursin. 

Page 58: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

46

Abstract 

The  brown  alga  Agarum cribrosum  is  the  only  large,  perennial,  fleshy macrophyte 

commonly  found on urchin‐dominated barrens  in  the northwestern North Atlantic. 

We  examined  the  spatial  and  temporal  stability  of  A. cribrosum  stands  and  their 

impact on  algal  recruitment  in  the Mingan  Islands, northern Gulf of  St. Lawrence. 

The stands were highly stable in space and time, with only small variations between 

the study sites. The abundance (percentage cover) of A. cribrosum in two 144‐m2 areas 

increased  by  6.5‐11.4 %  over  a  2‐year  period,  and  most  changes  in  abundance 

occurred at the edge of the stands. The surface area of small (<13 m2) single stands of 

A. cribrosum typically increased by ∼1.8 % month‐1, although marked increases (>95 %) 

occurred during winter,  largely  because  adjacent  stands merged  into  larger,  single 

stands. Mature stands of A. cribrosum appear to enhance algal recruitment, as juvenile 

A. cribrosum  and  the  understory  red  alga  Ptilota  serrata were  orders  of magnitude 

more  abundant  inside  than  outside  the  stands.  The  experimental  removal  of  the 

A. cribrosum canopy (1‐m2 portions) at the border of stands had no long‐term effect on 

the  abundance of A.  cribrosum  as within  14 months,  the  alga had  recolonized most 

of the  cleared  areas  in  spite  of  recruitment  of  the  kelp  Alaria  esculenta.  Thus, 

A. cribrosum  stands  appear  resilient  to  small‐scale  perturbations  but  may  require 

grazers  to suppress competitors.  In contrast  to  juvenile A. cribrosum,  the abundance 

of P. serrata rapidly decreased after canopy removal and by the end of the study had 

fallen to just 17 % of the value seen in control areas with an intact canopy. Our results 

demonstrate  that  A. cribrosum  stands  are  a  temporally  and  spatially  important 

component of urchin barrens in spite of the heavy grazing that typically occurs there. 

Maintenance  and  expansion  of  A. cribrosum  stands  and  associated  flora  appear 

to depend  on  positive  interactions  (facilitation)  with  self‐defended  adults 

of A. cribrosum. 

 

Page 59: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

47

Introduction 

Herbivory and competition often reduce the recruitment and survival of marine algae 

and  both  these  types  of  negative  interactions  are  thought  to  play  key  roles  in 

structuring  marine  communities  (Randall,  1961;  Lawrence,  1975;  Lubchenco  & 

Gaines, 1981; Harrold & Reed, 1985; Carpenter, 1986; Lewis, 1986; Morrison, 1988). 

Less attention has been paid to the potential positive effects of grazing‐resistant algae 

on  other  algal  species  that  are  vulnerable  to  grazing  (e.g., by  interfering with  the 

foraging  of  herbivores  and  providing microhabitats  of  increased  algal  recruitment 

and survival)  (but see Hay, 1986; Pfister & Hay, 1988; Gagnon et al., 2003b)  in spite 

of the increasing recognition of the importance of positive interactions (facilitation) in 

structuring  communities  (Bertness  &  Callaway,  1994;  Callaway,  1995; 

Bruno & Bertness, 2001). 

This  bias  is  evident  in  polar  and  temperate  regions,  where  herbivory 

(Pearse & Hines,  1979;  Dayton  et  al.,  1984;  Keats  et  al.,  1990;  Sivertsen,  1997; 

Scheibling et al., 1999; Gagnon et al.,  in press) and competition  (Dayton et al., 1984; 

Johnson & Mann, 1988; Paine, 1990; Reed, 1990; Leinaas & Christie, 1996) can strongly 

affect  the abundance and distribution of macrophytes, although abiotic  factors such 

as light availability, water motion, nutrients, sedimentation, salinity and ice scour are 

clearly  important  as  well  (see  review  in  Dayton,  1985b;  but  also  Hooper,  1981; 

Dean & Jacobsen, 1984; Gerard, 1984; Ebeling et al., 1985; Keats et al., 1985). Intensive 

hebivory has been well documented  in the subtidal zone  in the northwestern North 

Atlantic where  the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, severely  limits 

the distribution of kelp beds (Breen & Mann, 1976a; b; Chapman, 1981; Miller, 1985; 

Scheibling,  1986;  Scheibling  et  al.,  1999;  Gagnon  et  al.,  in  press).  Kelps  are  often 

restricted to shallow water refuges but rapidly extend to deeper water when urchins 

are naturally or experimentally removed  (Himmelman et al., 1983; Scheibling, 1986; 

Keats et al., 1990; Gagnon et al., in press). 

As elsewhere, the intensive grazing of S. droebachiensis has led to the formation 

of  extensive urchin  barrens  in  the Mingan  Islands  (northern Gulf  of  St. Lawrence, 

Page 60: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

48

Canada)  that  generally  lack  fleshy  macrophytes  and  are  instead  dominated  by 

calcified red algae (Gagnon et al., in press). The perennial kelp, Agarum cribrosum, and 

the  annual  filamentous  alga  Desmarestia  viridis,  are  the  only  two  brown  algae 

regularly found on these barrens. Agarum cribrosum has a large holdfast, a fairly rigid 

stipe, and a large crinkled frond that becomes thicker and tougher with age. Urchins 

have a low preference for this alga which is thought to be due to chemical deterrents 

(e.g.,  phenolics,  Vadas,  1968;  1977;  Larson  et  al.,  1980;  Himmelman,  1984; 

Himmelman & Nédélec, 1990). Agarum cribrosum  is most common on  topographical 

high points  and  in  areas with  strong  currents, which  suggest  that  these  situations 

provide  advantages.  Although  A. cribrosum  is  most  often  found  in  small  stands 

(1‐10 m2) on urchin barrens,  it  sometimes  forms  large  stands  (>500 m2) at  the  lower 

edge  of  shallow  beds  of  the  kelp  Alaria  esculenta  in  exposed  areas 

(P. Gagnon, personal  observation).  Elsewhere,  A. cribrosum  has  been  shown  to  be 

competitively  inferior  to other kelp  species and  is  thought  to  require  some  level of 

grazing to suppress competitors (Vadas, 1968). 

Distinct  invertebrate  assemblages  are  associated with  stands  of A. cribrosum 

(Bégin, 2002) with urchin densities much lower than in the surrounding barrens, and 

A. cribrosum has been shown  to restrict urchin movements  (Gagnon et al.,  in press).  

This reduction  in herbivore density and activity could  influence  the  flora associated 

with stands of A. cribrosum, but there is no information on abundance or dynamics of 

other algal species on urchin barrens. Moreover, we know little about the temporal or 

spatial stability of this conspicuous and important component of the urchin barrens. 

In this study, we examine the temporal variability in the abundance and distribution 

of  A. cribrosum  and  associated  algae  on  urchin  barrens  in  the  Mingan  Islands. 

Specifically, we  (1)  quantify  temporal  changes  in  the  abundance  and  distribution 

of A. cribrosum  over  large  areas,  (2)  examine  temporal  variability  in  the  size  of 

A. cribrosum  stands,  (3)  quantify  the  distribution  of  juvenile  A. cribrosum, 

Ptilota  serrata and urchins in the vicinity of stands of A. cribrosum, and (4) assess the 

impact of an A. cribrosum canopy on the recruitment and abundance of algae. 

Page 61: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

49

Materials and methods 

Our study was conducted  from 1998  to 2002  (with observations during  the summer 

and  fall)  in  the  subtidal  zone  on  the  eastern  side  of  Île  aux Goélands,  and  on  the 

western  side  of  Petite  île  au  Marteau,  in  the  Mingan  Islands,  northern  Gulf  of 

St. Lawrence  (Fig. 2.2). At each site,  the bottom  is a gently‐sloped bedrock platform 

which  is covered by dense kelp bed, primarily Alaria esculenta,  to a depth of 3‐5 m. 

Below  this  shallow  kelp  bed  an urchin  barrens  begins  and  extends  a  considerable 

distance  (~200 m  from  the  shore  at  Île  aux  Goélands  and  150 m  at  Petite  île  au 

Marteau)  to  a  depth  of  ~10  m,  where  a  vertical  wall  begins.  The  only  fleshy 

macrophytes commonly found on the barrens at the two sites were the brown algae 

Agarum  cribrosum  and  Desmarestia  viridis  although  small  patches  of  the  red 

alga Ptilota serrata were also present, especially at greater depths. 

Temporal variability in abundance and distribution of A. cribrosum  

To evaluate the variability in the abundance and distribution of Agarum cribrosum, we 

monitored changes in 12 x 12‐m (144 m2) areas in the barrens at the Île aux Goélands 

and Petite  île au Marteau  sites. These  sites were  selected after  exploratory  surveys 

based  on  the  similarity  in  stand  configuration,  i.e.,  distinct  stands  of  A. cribrosum 

separated  by  large  areas  without  fleshy  algae.  Although  the  abundance 

of A. cribrosum was somewhat higher at these sites than on most urchin barrens in this 

region, these sites were selected because the clear boundaries of the stands increased 

our ability  to detect changes  in  the abundance and distribution of A. cribrosum, and 

the proximity of the sites to our laboratory facilitated sampling. 

At  each  site, we permanently marked  the  corners of  the  sampling area with 

bolts  set  into  the bedrock. We  subdivided  each area  into an 8 x 8  sampling grid of 

64 1.5 x 1.5‐m  contiguous  plots  using  the  following  procedure. We  first  delineated 

two facing sides of  the area with 12‐m benchmark  lines  tied  to bolts and marked at 

1.5‐m intervals. A 1.5 x 12‐m section was then defined by attaching two 12‐m transect 

lines  to  the  benchmark  lines  and  then  subdivided  the  section  into  8  plots  using 

a 1.5 x 1.5‐m  quadrat positioned using  the marks  at  1.5‐m  intervals  on  the  transect 

Page 62: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

50

lines.  Transect  lines  were  then  shifted  to  the  adjacent  1.5 x 12‐m  section  and  the 

sampling  repeated  until  the  entire  area was  sampled. Within  each  plot,  the  same 

diver  estimated  the  percent  cover  of  A. cribrosum  at  5 times  over  a  2‐year  period 

(June 2000, August 2000,  June  2001, August 2001, and  June  2002). Benchmarks and 

transect lines were removed between sampling periods. 

Temporal variability in the size of A. cribrosum stands 

To  evaluate  changes  in  the  size  of  stands  of  Agarum  cribrosum  over  time,  we 

monitored  the  surface  area  of  12 haphazardly‐selected  stands  of  adult A. cribrosum 

near  the permanent 12 x 12‐m area at  the  Île aux Goélands  site. For each  stand, we 

marked its position with a bolt set into the substratum at the edge of the stand, and 

then recorded (to the nearest 1 cm) (1) the longest distance across the stand (A), and 

(2) the  longest distance running perpendicular to the first axis (B) based on the area 

covered by  the canopy. Given  that most of  the stands were ellipsoidal  in shape, we 

approximated the surface area (S) of each stand using the equation S = π (A/2) (B/2). 

Sampling was done 5 times over a 2‐year period (July 1999, May 2000, August 2000, 

June 2001 and July 2001). Initial size of stands ranged from 1.6 to 12.8 m2. 

Distribution of algae and urchins near A. cribrosum 

To determine whether  stands  of  adult Agarum  cribrosum  are  associated with  fewer 

urchins  and  increased  algal  recruitment, we  compared  the  abundance  of  juvenile 

A. cribrosum  (i.e., <10 cm  long), Ptilota  serrata and urchins at  the center of  the  stand 

with  that  at  different  distances  from  the  edge  of  stands.  Six  haphazardly‐chosen 

A. cribrosum stands (average width of 2.4 m [SD = 0.6] and separated by at least 4 m) 

were sampled on the eastern side of Île aux Goélands in July 2000. For each stand, we 

counted the numbers of  juvenile A. cribrosum and urchins and estimated the percent 

cover of P. serrata  in  25  x  25‐cm quadrats placed  east  and west of  the point which 

we considered was  the  center  of  the  stand,  and  also  at  0,  50  and  100  cm  from  the 

eastern and western edges of the stand. The data from the quadrats in two directions 

were pooled in the analysis. 

Page 63: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

51

Effect of A. cribrosum canopy on recruitment and abundance of algae 

To assess the impact of Agarum cribrosum on the recruitment and abundance of algae 

on urchin barrens, we monitored changes in the density of  juvenile A. cribrosum and 

percent  cover  of  Ptilota  serrata  in  the  absence  and  presence  of  a  canopy  of  adult 

A. cribrosum  over  14  months.  The  two  treatments  consisted  of  1‐m2  areas  where 

A. cribrosum  was  experimentally  removed  (cut  off  at  the  holdfast)  and  controls 

where the  A.  cribrosum  were  left  intact.  For  this  experiment,  we  used  two  large 

(>50 m2) oblong stands of A. cribrosum that ran parallel to the shore at 3‐4 m in depth 

at  Île  aux  Goélands.  In  August  1998  we  selected  16  1‐m2  plots,  spaced  at  1‐2 m 

intervals  along  the  lower  edges of  the  stands,  and marked  each with  a bolt  in  the 

center. The plots were grouped  into 8 blocks of two adjacent 1‐m2 areas, and one of 

the  two was  randomly chosen  for  the canopy  removal  treatment. Stands were  then 

sampled 5 times: August  1998  (1 d after  canopy  removal), October  1998,  June  1999, 

August 1999 and October 1999. At each  time, we estimated  the number of  juvenile 

A. cribrosum  and  the  percent  cover  of  P. serrata  in  each  plot  using  two  quadrats 

(25 x 25 cm) placed on the north and south sides of the center bolt. Following a heavy 

recruitment  of  the  kelps  A. cribrosum  and  Alaria esculenta  during  the  winter  of 

1998‐1999, we were not able  to separate  juveniles and adults  in 1999 due  to  logistic 

constraints.  We  averaged  the  data  from  the  two  quadrats  in  each  area  before 

comparing species abundance among treatments. 

Statistical analysis 

We  used  a  repeated measures ANOVA  (Hand &  Taylor,  1987; Crowder & Hand, 

1990)  to  examine  temporal  changes  in  the  percent  cover  of  A.  cribrosum  in  the 

8 x 8 observation  plots  on  the  barrens  with  the  factors  Site  (Île  aux  Goélands 

and Petite île au Marteau) and Time (5 sampling dates), and with one nested element 

(Plots within Site). To  take  into account  the  spatial dependency among  the 64 plots 

at each  site, we modeled  the  covariance  structure with  an  exponential  correlation 

structure  (Proc Mixed,  type  =  SP(exp)(longitude  latitude),  SAS  Institute  Inc.,  1999). 

This structure assumed that the correlation between plots decreased with the distance 

Page 64: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

52

separating them. Note that the information obtained for the 64 dependent plots was 

the  same as  for 6  independent plots  (Lettenmaier, 1976). The  temporal dependency 

was  modeled  with  a  first  order  autoregressive  structure  (Proc  Mixed, 

type = SP(pow)(month),  SAS  Institute  Inc.,  1999)  common  to  both  sites.  Since  no 

transformation corrected the lack of normality in the data on some observation dates, 

the ANOVA was  also  run with  the  rank  transformed data. As  both  analyses  gave 

similar  results,  we  presented  the  results  from  the  analysis  of  the  raw  data 

as suggested by Conover (1980). 

  We  analyzed  temporal  changes  in  the  size  of  stands  of  A.  cribrosum  using 

a repeated measures ANOVA with the factor Time (5 sampling periods). Because four 

of the pairs of stands had merged together by June 2001 (and remained merged until 

the end of our study), the surface area of four stands was given a value of nul (0) in 

the analysis in June and July 2001. The surface area of each of the pairs of stands that 

had  merged  was  attributed  to  the  larger  stand  at  the  beginning  of  the  study 

(this minimized  the  increase  in  size).  Since  variances  fluctuated  over  time, 

we modeled  the  covariance  structure  with  a  specific  heterogeneous  compound 

symmetry  structure  (Proc Mixed,  type = CSH, SAS  Institute  Inc., 1999). We applied 

the  analysis  to  the  raw  data  as  the  data  for  each  sampling  date  were  normally 

distributed. 

  To evaluate  the effect of  the distance  from stands of Agarum cribrosum on the 

abundance  of  juvenile  A.  cribrosum,  Ptilota  serrata  and  urchins,  we  ran  one‐way 

ANOVAs  (Zar,  1999) with  the  factor Distance  (center  of  the  stand,  and  0,  50,  and 

100 cm  from  the edge of  the  stand). The analyses were applied  to  the  raw data  for 

urchins whereas numbers of  juvenile A.  cribrosum were  square‐root  transformed  to 

correct  for  heteroscedasticity.  Since  no  transformations  corrected  for  the 

heteroscedasticity  detected  in  the  raw  data  on  the  percent  cover  of  P.  serrata,  the 

ANOVA  was  also  applied  to  the  rank  transformed  data.  As  both  analyses  gave 

similar results, we presented the raw data (Conover, 1980). 

Page 65: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

53

To  examine  temporal  changes  in  the  density  of  A.  cribrosum  juveniles  and 

P. serrata  in  the  absence  and  presence  of  a  canopy  of A.  cribrosum, we  conducted 

repeated  measures  ANOVAs  with  the  factors  Treatment  (with/without  canopy), 

Stand  (2 stands  of  A.  cribrosum),  Block  (8  blocks  of  two  treatments),  and  Time 

(August and October 1998, and June, August, and October 1999), and with one nested 

element (Block within Stand). Since variances were stable over time within the stands, 

and the correlation in the data over time was similar between the treatments, we used 

a pooled covariance structure  in  the ANOVA  (Proc Mixed,  type = CS, SAS  Institute 

Inc., 1999). We applied the analysis to the raw numbers on A. cribrosum as the data for 

each  time  were  normally  distributed,  whereas  the  data  for  the  percent  cover  of 

P. serrata were square‐root transformed to obtain normality for each observation date. 

  In  the  above  analyses,  normality was  verified  using  Shapiro‐Wilk’s  statistic 

(SAS  Institute  Inc.,  1999)  and  homoscedasticity  by  examining  the  graphical 

distribution of the residuals and by applying Levene test (Snedecor & Cochran, 1989). 

To  detect  differences  among  levels  within  a  factor,  we  used  least‐square  means 

multiple comparisons  tests  (LS means, SAS  Institute  Inc., 1999). A significance  level 

of 0.05 was used for all statistical tests. 

Results 

Temporal variability in abundance and distribution of A. cribrosum 

The  2‐year monitoring  of  the  12 x 12‐m  observation  areas  on  the barrens  indicated 

only  small  overall  increases  in  the  abundance  of  Agarum  cribrosum  at  both  sites 

(Table 3.1, Fig. 3.1).  At  Île  aux  Goélands,  the  abundance  of  A. cribrosum  decreased 

slightly  during  the  first  two months  but  increased  steadily  (~0.7 % month‐1)  after 

August 2000 and was 11.4 % greater at  the  end  than at  the beginning of  the  study 

(LS means,  P < 0.0001).  At  Petite  île  au  Marteau,  more  substantial  increases  and 

decreases  occurred  during  the  study,  including  a  ~25 % increase  between  August 

2000 and June 2001, but the percentage cover of A. cribrosum at the end of the study 

was 6.5 % greater than at the beginning. 

Page 66: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

54

 

 

 

 

Table  3.1.  Summary  of  the  repeated  measures  ANOVA  (mixed  linear  model) showing  the  effect  of  Site  (Île  aux  Goélands  and  Petite  île  au  Marteau)  and Time (June and August 2000,  June and August 2001, and  June 2002) on  the percent cover of A. cribrosum in 12 x 12‐m areas of urchin barrens (as averaged from 64 plots of 1.5 x 1.5 m at each site).  

 

Source of variation  

(fixed effects) 

df 

(numerator) 

df 

(denominator) 

 

F‐value 

 

         

Site  1  126  0.33       0.56 

Time  4  504  42.26     <0.0001 

Site x Time  4  504  12.37     <0.0001 

         

 

Page 67: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

55

 

 

 

0

20

40

60

80

100

Jun 2000 Aug 2000

Petite île au Marteau

Île aux Goélands

Jun 2001 Aug 2001 Jun 2002

aba

bc

d

ABBC

DC

******

** *

 

Fig.  3.1.  Changes,  over  2  years,  in  the  mean  percent  cover  (± SE)  of  kelp Agarum cribrosum on urchin barrens at  Île  aux Goélands and Petite  île au Marteau. Values not  sharing  the  same  letter  (small  letters  for Petite  île  au Marteau,  capitals for Île aux Goélands) are different (LS means, P < 0.05). Asterisks are from statistical comparisons  between  islands  in  the  increase  or  decrease  in  percent  cover  during 4 successive sampling periods (Group contrasts, *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001). 

Page 68: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

56

            The  distribution  of  A.  cribrosum  appeared more  stable  at  Île  aux  Goélands 

(Fig. 3.2). The general gradual increase in A. cribrosum was due to colonization along 

the  edges  of  stands which were  around  one  large  area  of  barrens  (in  the  upper 

right corner on Fig. 3.2). Agarum cribrosum was more patchily distributed at Petite île 

au Marteau and the observed fluctuations in abundance occurred across the grid. 

Temporal variability in the size of A. cribrosum stands 

During  the  first  year  of  the  2‐year  monitoring  of  the  size  of  stands  of 

Agarum cribrosum,  there  was  no  significant  change  in  area  (LS  means,  P = 0.22). 

In contrast,  stand  area  increased  greatly  (13 % month‐1) between August  2000  and 

July 2001  (Fig. 3.3; LS means, P = 0.019) due primarily  to  the merging of stands after 

incremental  increases  at  the margins  of  stands  (all  the  stands merged with  other 

stands;  four of  the mergers occurring between stands we were monitoring whereas 

the  remaining  four  stands  merged  with  stands  that  we  were  not  monitoring). 

The 17.1 %  increase  in  size  of  stands  in  the month  following  this massive  increase 

(June to July 2001) was not statistically significant. 

Distribution of algae and urchins near A. cribrosum 

An  inverse pattern of abundance of algae and urchins occurred  inside and around 

stands  of  adult Agarum  cribrosum  (Fig.  3.4). Numbers  of  juvenile A. cribrosum  and 

percentage cover of P. serrata were orders of magnitude greater  inside  than outside 

the stands, whereas urchin densities were ≥5 times less inside than outside the stands. 

No differences in the abundance of urchins and algae were seen at different distances 

sampled  from  the  edge  of  the  stands  (sampling  at  0,  50  and  100  cm,  Fig.  3.4), 

consistent  with  the  idea  that  A. cribrosum  stands  provided  areas  with  decreased 

urchins and favored algal recruitment or survival.  

Effect of A. cribrosum canopy on recruitment and abundance of algae 

The  14‐month monitoring  of  changes  in  the numbers  of  juvenile Agarum  cribrosum 

 

Page 69: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

57

Petite île au MarteauÎle aux Goélands

Jun 2000

Aug 2000

Jun 2001

Aug 2001

Jun 2002

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Percent cover (%)

 

Fig.  3.2.  Changes,  over  2  years,  in  the  distribution  and  abundance  of  kelp Agarum cribrosum in a 12 x 12‐m zone of urchin barrens at Île aux Goélands and Petite île au Marteau. Dashed  lines  represent  the position of  transect  lines used  to divide each zone into a sampling grid of 64 1.5 x 1.5‐m plots. 

Page 70: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

58

 

 

 

0

5

10

15

20

Jul 1999 May 2000 Aug 2000 Jun 2001 Jul 2001

a

a

bbb

 

Fig. 3.3. Changes, over 2 years, in the mean surface area (+ SE) of stands of adult kelp Agarum cribrosum. The arrow  indicates  the  time at which we  first observed mergers between  the  stands.  Values  not  sharing  the  same  letter  are  different  (LS  means, P < 0.05). 

Page 71: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

59

Centerof stand

0 50 100Distance (cm)

0

50

100

150

200

250

0

10

20

30

40

50

0

100

200

300

400

500 S. droebachiensis

Juvenile A. cribrosum

P. serrata

b

a a

a

a

b b b

a

b b b

Edge

OutsideInside

 

Fig. 3.4. Mean density and percent cover (+ SE) of juvenile kelp Agarum cribrosum, the red alga Ptilota  serrata, and  the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, at different  distances  from  the  center  of  stands  of  adult  A.  cribrosum.  For  juvenile A. cribrosum, the data have been back‐transformed from the transformed data used in the analysis. Values not sharing the same letter are different (LS means, P < 0.05). 

Page 72: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

60

and  percentage  cover  of  Ptilota  serrata  in  the  absence  and  presence  of  a  canopy 

of A. cribrosum indicated that the canopy had little or no effect on the recruitment of 

A. cribrosum but had a large effect on the abundance of P. serrata (Table 3.2, Fig. 3.5). 

The  density  of  juvenile  A.  cribrosum  did  not  differ  between  treatments  except  in 

June 1999  when  densities  were  almost  double  in  the  presence  of  a  canopy. 

Unfortunately, as we did not distinguish between adult and juveniles during this and 

subsequent  samplings,  part  of  this  difference  is  due  to  the  inclusion  of  the  adult 

plants  that  formed  the  canopy  itself. However,  given  that  densities  of  adults  are 

typically  near  50 m‐2  and  the  generally  high  recruitment  of  both  A. cribrosum  and 

Alaria  esculenta  (see below)  that occurred between October  1998 and  June  1999, we 

attribute  this difference primarily  to higher recruitment  in  treatments with an adult 

canopy.  Regardless,  this  difference  did  not  persist  and  the  two  treatments  were 

statistically indistinguishable by the end of the season. 

In contrast, differences  in the abundance of P. serrata were apparent from the 

beginning and persisted until the end. One day after the removal of the canopy, the 

mean percent cover of P.  serrata  fell  to  less  than 50 % of  that  seen  in areas with an 

A. cribrosum canopy although this difference was not significant (LS means, P = 0.10). 

In the treatment with a canopy, the cover of P. serrata generally increased during the 

study  and  by October  1999 was  53 %  greater  than  at  the  beginning  of  the  study 

(Fig. 3.5). Although  there was not  a  statistical difference between  the  first  and  last 

date of  the study, cover was significantly greater on  the penultimate sampling date 

(LS means, P = 0.0054).  In contrast,  in  the areas with  the canopy  removed  the cover 

of P. serrata  remained  low  (<5.3 %)  throughout  the study and was only 17 % of  that 

in control areas by the end of the study (LS means, P = 0.0003; Fig. 3.5). 

In  both  areas  with  and  without  a  canopy,  the  percent  cover  of  other 

non‐calcified  algae  (e.g.,  ulvoid  algae,  diatoms,  and  the  red  algae  Phycodrys rubens 

and Porphyra sp.) was always low (<5 %). An exception was a substantial recruitment 

of the kelp Alaria esculenta between October 1998 and June 1999 that appeared to be  

 

Page 73: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

61

 

 

Table  3.2.  Summary of  repeated measures ANOVA  (mixed  linear model)  showing the  effect  of  Stand  (two  stands),  Treatment  (with  or  without  a  canopy  of Agarum cribrosum),  and  Time  (August  and  October  1998,  and  June,  August,  and October 1999) on the mean density of A. cribrosum and percent cover of Ptilota serrata in  the A. cribrosum canopy‐removal experiment. Data on P. serrata were square‐root transformed. 

 

Source of variation  (fixed effects) 

df (numerator) 

df (denominator) 

 F‐value 

 P 

         Agarum cribrosum         Stand  1  12  0.97         0.34 Treatment  1  12  4.88         0.047 Stand x Treatment  1  12  0.89         0.36 Time  4  47  23.12       <0.0001 Stand x Time  4  47  5.24         0.0014 Treatment x Time  4  47  1.84         0.14 Stand x Treatment x Time  4  47  0.14         0.96          Ptilota serrata         Stand  1  12  2.61         0.13 Treatment  1  12  13.85         0.0029 Stand x Treatment  1  12  0.17         0.69 Time  4  47  2.08         0.10 Stand x Time  4  47  1.60         0.19 Treatment x Time  4  47  4.18         0.0056 Stand x Treatment x Time  4  47  0.10         0.98          

 

Page 74: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

62

0

50

100

150

200

250

300

350 A. cribrosum

With A. cribrosum

Without A. cribrosum

0

5

10

15

20

25

30

35

40 P. serrata

Aug 1998 Oct 1999Aug 1999Jun 1999Oct 1998

cc

a a

b

cc

b

a

bc

BC

BC

B

A

AB

C D CDD D

 

Fig.  3.5.  Changes,  over  14  months,  in  the  mean  density  (+ SE)  of  kelp  Agarum cribrosum and percent cover of the red alga Ptilota serrata in the absence and presence of a canopy of A.  cribrosum. The arrow  indicates  the  time  from which  the  sampling was  conducted  without  discrimination  between  juvenile  and  adult  stages  of A. cribrosum. Values not sharing the same letter (small letters for A. cribrosum, capitals for P. serrata) are different (LS means, P < 0.05). 

Page 75: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

63

greater  in  the  presence  (93.0 m‐2,  SD  =  69.4)  than  absence  (65.1 m‐2, SD = 24.2)  of 

an A. cribrosum  canopy.  This  difference  was  not  significant  (LS  means,  P = 0.39), 

but A. esculenta  recruits  completely  disappeared  from  areas  with  a  canopy  by 

August 1999 whereas  they were  still  common  in  treatments where  the  canopy was 

removed (38.0 m‐2, SD = 18.3). At the end of the study (October 1999), A. esculenta was 

absent in both treatments. 

Discussion 

Agarum  cribrosum,  the  only  large,  perennial,  fleshy macrophyte  and  the  only  kelp 

species  commonly  found  on  urchin‐dominated  barrens  in  coastal  areas  of  the 

northwestern  North  Atlantic  (Tremblay  &  Chapman,  1980;  Keats  et  al.,  1982; 

Himmelman  & Lavergne,  1985; Novaczek  & McLachlan,  1989),  appears  to  play  a 

considerable role  in determining  the structure of  the barrens community. A diverse 

and  distinct  community  of  invertebrates  is  associated  with  A.  cribrosum,  and  its 

presence can increase the recruitment and growth of a number of invertebrate species 

including the mussel Mytilus edulis and the polychaete Spirorbis borealis (Bégin, 2002). 

In contrast, the effect of A. cribrosum on the subtidal flora has not been investigated, 

and  the  spatial  and  temporal  stability  of A. cribrosum  stands  is unknown  over  any 

spatial or temporal scale. Here, we documented a relatively high degree of temporal 

stability  in  the  abundance  and  distribution  of  A.  cribrosum  as  well  as  a  tight 

association between A. cribrosum and other fleshy macroalgae in the Mingan Islands. 

Our  2‐year monitoring  of A.  cribrosum  in  the  12 x 12‐m  observation  areas  at 

Île aux  Goélands  and  Petite  île  au  Marteau  showed  that  A.  cribrosum  can  be 

a dominant feature of urchin barrens. It had a percent cover of >45 % throughout the 

study and was capable of increasing in abundance in spite of the intensive grazing by 

urchins (Gagnon et al., in press). The increases were due to gradual increases in size 

of  currently  existing  stands,  rather  than  to  the  formation  of  new  stands,  with 

expansion  or  recession  occurring  along  the  edge  of  stands  and  no  change  in  the 

central  areas.  Our  observations  of  individual  stands  in  an  adjacent  area  at 

Île aux Goélands are consistent with these  larger scale trends as the area covered by 

Page 76: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

64

A. cribrosum  increased  both  at  stand margins  and  by  the merging  of  stands. Thus, 

established stands appear  to be persistent  (sensu Dayton et al., 1984)  features of  the 

landscape (with a tendency towards a general increase in size through time) although 

they have the potential for substantial short‐term decreases and increases in size. 

Much  of  our  knowledge  about  the  ecology  of A.  cribrosum  comes  from  the 

pioneering  work  of  Vadas  (1968)  in  the  San  Juan  Islands,  northeastern  Pacific. 

He found  that  (1)  the growth of A. cribrosum  is greatest during  late  fall, winter, and 

early  spring  (when  water  temperatures  are  at  their  lowest),  (2) A. cribrosum  can 

become established during the fall and winter seasons, when the majority of potential 

competitors  (other  kelp  species)  are  unable  to  develop,  and  (3)  A. cribrosum  is 

competitively  inferior  to other kelp  species and  can only become  established when 

urchins  (S.  droebachiensis  and  Strongylocentrotus  franciscanus)  are  present.  Our 

experimental  removal of  the A. cribrosum  canopy are partially  consistent with  these 

observations. We  too  observed  the greatest  recruitment during  the winter months, 

but  in contrast  to previous work, we observed  that A. cribrosum was able  to recover 

in spite of colonization by other kelp species  (e.g., Alaria  esculenta). The explanation 

for this resilience is not totally clear. When A. esculenta first appeared in June 1999, the 

density  of  A. esculenta  recruits  was  less  than  half  that  of  A. cribrosum,  giving 

A. cribrosum  a  numerical  advantage  if  competition  was  important.  A  more  likely 

explanation  is  selective  herbivory  by  the  green  sea  urchin,  which  consumes 

A. cribrosum at a much lower rate than preferred algae, such as species of Alaria and 

Laminaria  (Vadas,  1977;  Larson  et  al.,  1980;  Himmelman,  1984;  Himmelman 

& Nédélec, 1990). Consistent with  this  idea are our observations  from a  concurrent 

study in which A. cribrosum replaced A. esculenta (Gagnon et al., in press). This shift in 

algal dominance occurred at the lower edge of an A. esculenta bed where urchins had 

formed  a  grazing  front.  Over  two  years,  the  lower  portion  of  a  large 

A. esculenta‐dominated  zone was gradually  replaced by A. cribrosum.  In  the present 

study, the gradual decrease in the density of A. cribrosum from June to October 1999 

to  the  levels  at  the  beginning  of  the  study may  have  been  due  to  loss  to  grazers. 

Alternatively,  it was possibly  also due  to  the  loss of  individuals  from  intraspecific 

Page 77: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

65

competition for resources (e.g., space, light and nutrients). Overall, our observations 

indicate  that  A. cribrosum  is  resilient  to  punctual,  small‐scale  (~1 m)  disturbances, 

which  should  permit  A. cribrosum  to  recover  from  disturbances  by  ice  scour, 

a common  phenomenon  in Newfoundland  and  the Gulf  of  St.  Lawrence  (Hooper, 

1981; Bergeron & Bourget, 1984; Keats et al., 1985; Gagnon et al., in press). 

The  spatial  and  temporal  stability  of  A. cribrosum  stands  should  favor 

associations with  algae or  algal  stages which  are more vulnerable  to grazing or  to 

dislodgment by currents and waves. Our observation that A. cribrosum juveniles and 

the  red  alga Ptilota  serrata  recruited within  the  stands  of  adult A. cribrosum, where 

urchins densities are  reduced,  suggests  that A. cribrosum  stands provide understory 

algae with protection from urchin grazing. However, our experiments only partially 

support  this  idea.  Recruitment  and  recovery  of  A. cribrosum  did  not  require  the 

presence  of  an  adult  canopy  although  it  appears  that  recruit  densities  of  both 

A. cribrosum  and  A.  esculenta  were  higher  in  the  presence  of  the  canopy  during 

the initial phases  of  colonization  (i.e., during  the winter period). Alternatively,  the 

association of recruitment of A. cribrosum with adult stands could be more  linked to 

a higher  density  of  gametophytes  under  the  canopy.  The  removal  of  the  canopy 

would then not have had an immediate effect on recruitment as there may have been 

a bank of gametophytes already present when the experiment was initiated.  

In  contrast,  there  was  a  clear  positive  effect  of  A. cribrosum  on  P. serrata 

as removal of  the  canopy  lead  to  a  rapid and persistent decrease  in  its abundance. 

More detailed investigations are needed to determine the exact mechanism by which 

A. cribrosum might enhance the recruitment of  P. serrata. Reduced grazing is certainly 

a strong possibility, and previous studies have shown that mechanical abrasion from 

wave‐induced  movement  of  algal  fronds  repulses  urchins  (Konar,  2000; 

Gagnon et al., 2003b). Whether  the  stiffer  and more  upright  fronds  of  A. cribrosum 

provide  the same  type of protection remains  to be seen. Alternatively,  it  is possible 

that  P. serrata  is  more  abundant  under  A. cribrosum  because  the  canopy  prevents 

it from  being  broken  and  dislodged  by waves  and  currents.  Ptilota  serrata  is  often 

Page 78: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

66

loosely  attached  (P. Gagnon,  personal  observation),  and  algal  canopies  have  been 

shown  to  reduce  flow  (Eckman  et  al.,  1989;  Ackerman  &  Okubo,  1993).  This 

mechanism  could  explain  the  decrease  in  the  abundance  of  P. serrata  immediately 

after  the  removal  of  the  A. cribrosum  canopy.  The  positive  effects  of  stands  of 

A. cribrosum  on  the  recruitment  of  algae  on  urchin  barrens  did  not  apply 

to Desmarestia  viridis,  the  other  common  brown  alga  of  this  habitat.  This  annual 

macroalga was not associated with stands of A. cribrosum and appears to colonize the 

barrens  by  recruiting  in  the winter when  urchin  grazing  activity  is  low  and  then 

relying on mechanical repulsion of urchins once it reaches a larger size (Chapter 5). 

A critical remaining question is how stands of A. cribrosum are initially formed. 

We  have  previously  shown  that  juvenile  A. cribrosum  are  avidly  consumed  by 

urchins,  but  protected  to  a  degree when  associated with D.  viridis  (Gagnon  et  al., 

2003b). However, as D. viridis  is an annual,  this protection  is ephemeral.  It  remains 

unknown how juvenile stages can survive for longer periods outside stands of adult 

plants.  Perhaps  an  exceptional  year  of massive  recruitment  is  required,  but  only 

longer term and larger scale studies are likely to be able to answer this question. 

Our study is the first to examine the temporal changes in algal assemblages on 

urchin barrens  in  the northwestern North Atlantic. We have shown  that  the spatial 

and  temporal  stability  of  stands  of  A.  cribrosum  can  be  high,  contrary  to  the  low 

stability of kelps which are readily grazed by  the green sea urchin  (Breen & Mann, 

1976b; Scheibling et al., 1999; Gagnon et al.,  in press). This stability may be due,  in 

part,  to  the enhanced recruitment of  juveniles  in adult stands of A. cribrosum. These 

stands  also  increase  algal  diversity  by  increasing  the  abundance  of  P. serrata.  As 

demonstrated for D. viridis (Gagnon et al., 2003b), this situation represents a case of 

facilitative  interaction  (Connell &  Slatyer,  1977; Callaway,  1995; Bruno & Bertness, 

2001) that permits algal recruitment and survival on urchin barrens. More studies are 

needed to determine how A. cribrosum and D. viridis withstand urchin grazing during 

juvenile  stages  and  to  estimate  the  relative  contribution  of  adult A.  cribrosum  and 

D. viridis in maintaining algal assemblages in this intensively‐grazed environment. 

Page 79: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

      

Chapitre IV 

    

Algal colonization in urchin barrens: defense by association during recruitment of the brown alga Agarum cribrosum 

Page 80: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

68

Résumé 

Nous  avons  examiné  le  processus  par  lequel  les  juvéniles  de  la  laminaire 

Agarum cribrosum  échappent  au  broutage  de  l’oursin  vert,  Strongylocentrotus 

droebachiensis, dans  la zone rocheuse  infralittorale dénudée de  l’archipel de Mingan, 

dans  le  nord du  golfe du  Saint‐Laurent. Le  recrutement  le plus  élevé de  juvéniles 

d’A. cribrosum  avait  lieu  sous  la  canopée  de  la  grande  phaéophycée  filamenteuse 

Desmarestia  viridis,  où  les  densités  d’oursins  étaient  considérablement  réduites 

comparativement à l’aire environnante. Ces patrons de distribution semblaient liés au 

mouvement  de  balayage  de  D.  viridis,  bien  que  les  courants  peuvent modifier  le 

mouvement  de  va‐et‐vient  de  l’algue  en  poussant  la  canopée  dans  une  direction 

spécifique, permettant alors aux oursins d’envahir les aires non balayées. La densité 

de  juvéniles d’A. cribrosum sous  les plants de D. viridis augmentait avec  la  taille du 

plant et avec l’accroissement de la proximité au crampon. Les juvéniles d’A. cribrosum 

vivant  sous une  canopée de D. viridis  affichaient un  taux de  croissance  légèrement 

inférieur aux  juvéniles dépourvus d’une canopée mais cette perte de croissance était 

nettement  compensée  par  le  gain  de  protection  contre  le  broutage  de  l’oursin. 

La période  pendant  laquelle D.  viridis  fournit  une  protection  aux  juvéniles  est  de 

l’ordre de quelques mois car D. viridis est une espèce annuelle qui disparaît en début 

d’automne. Cette défense des  juvéniles d’A. cribrosum par association avec D. viridis 

est  possiblement  une  étape  dans  la  succession menant  à  la  formation  de  plaques 

matures d’A. cribrosum. 

 

 

Page 81: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

69

Abstract 

We  investigated  the process whereby  juveniles of  the kelp Agarum cribrosum escape 

grazing by the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, on urchin barrens in 

the  rocky  subtidal  zone  in  the Mingan  Islands, northern Gulf of  St. Lawrence. The 

highest recruitment of  juvenile A. cribrosum occurred under  the canopy of  the  large 

filamentous  phaeophyte Desmarestia  viridis, where  urchin  densities were markedly 

reduced, compared to the surrounding area. These patterns of distribution appeared 

to be  related  to  the wave‐induced  sweeping motion of D. viridis, although  currents 

may modify the back and forth motion of the alga by pushing the canopy towards a 

specific  direction,  thereby  allowing  urchins  to  invade  the  non‐swept  areas. 

The density of  juveniles of A. cribrosum under D. viridis plants  increased with plant 

size and increasing proximity to the holdfast. Living under D. viridis slightly reduced 

the  growth  rate  of  the A.  cribrosum  juveniles,  but  this  loss  in  growth was  clearly 

outweighed by  the gain  in protection  from  sea urchin grazing. The  time  scale over 

which D.  viridis  provides  protection  to  the  juveniles  is  in  the  order  of months,  as 

D. viridis  is  an  annual  alga  that  disappears  in  early  autumn.  This  defensive 

association  of  juvenile  A.  cribrosum  with  D. viridis  is  possibly  a  successional  step 

leading to the formation of mature stands of A. cribrosum. 

 

Page 82: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

70

Introduction 

Plants  exhibit  two  general  resistance  strategies  against  herbivory:  tolerance  and 

avoidance  (Rosenthal  &  Kotanen,  1994).  Whereas  mature  plants  can  use  both 

strategies,  immature  plants  cannot  usually  tolerate  a  substantial  loss  of  tissue  to 

herbivores and therefore must avoid being eaten, either by producing defenses or by 

escaping  in  space  or  time  (Rosenthal  &  Kotanen,  1994).  A  plant  defense  is  any 

attribute  that negatively  influences  the  feeding behavior or  abundance of potential 

herbivores (OʹDowd & Williamson, 1979). The production of chemical deterrents and 

of  grazing  resistant  structures  are  defenses  used  to  reduce  the  foraging  success 

of herbivores (Paul & Hay, 1986; Hay & Fenical, 1988; Van Alstyne, 1988; Lucas et al., 

2000;  Schnitzler  et  al.,  2001).  Spatial  and  temporal  escapes  are  also  a well  known 

phenomenon. One common example is defense by association, which occurs when a 

palatable species exploits micro‐sites with lowered herbivory created by the presence 

of  an  unpalatable  species  (Tahvanainen  &  Root,  1972;  Atsatt  &  OʹDowd,  1976; 

OʹDowd & Williamson, 1979; Hay, 1986; Brown & Ewel, 1987; Pfister & Hay, 1988). 

Although this strategy might lead to competitive costs (e.g., lowered growth rates) for 

the  protected  species,  the  prevention  of  local  extinction  is  an  obvious  advantage 

(Hay, 1986).  

Sea  urchins  are  often  the  dominant  herbivore  in marine  rocky  habitats  and 

may strongly influence the structure of algal assemblages by reducing the growth and 

survival  of  algae  (see  review  by  Lawrence,  1975;  but  also  Paine  &  Vadas,  1969; 

Dean et al., 1984; Bulleri et al., 1999; Rose et al., 1999).  In eastern Canada,  intensive 

grazing by  the green  sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, often  leads  to  the 

formation  of  subtidal  barrens  with  sparse  algal  cover  (Breen  &  Mann,  1976b; 

Scheibling  et  al.,  1999).  Such barrens  are  extensive  in  shallow  areas  of  the Mingan 

Islands,  northern  Gulf  of  St.  Lawrence,  where  urchin  densities  often  attain 

300 individuals m‐2  (Himmelman  &  Nédélec,  1990),  and  where  only  a  few  algal 

species  can  withstand  the  intensive  grazing  (e.g.,  the  red  alga  Ptilota  serrata  and 

crustose corallines Lithothamnion sp. and Clathromorphum sp.).  

Page 83: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

71

Of  the  larger  brown  algae,  only  two  species,  Agarum  cribrosum  and 

Desmarestia viridis,  commonly  occur  on  urchin  barrens.  Agarum  cribrosum  is  a 

perennial  alga which  has  a  large  holdfast,  a  semi‐rigid  stipe,  and  a  large  crinkled 

frond which becomes thicker and tougher with age (Vadas, 1968). Its low palatability 

to urchins  is thought  to be due to chemical deterrents  in  the tissues (e.g., phenolics, 

Vadas,  1977;  Larson  et  al.,  1980; Himmelman & Nédélec,  1990). Vadas  (1968)  also 

indicates  that A.  cribrosum  is most often  found  in areas with strong currents.  In  the 

Mingan  Islands, we have noted  that A. cribrosum  is usually  found  in  small patches 

(1‐10 m2) within urchin barrens and is more common on topographical high points. In 

contrast, D. viridis is an annual alga with a small holdfast, a highly flexible stipe and a 

large, profusely‐branched  frond which sweeps back and  forth over  the bottom with 

even  slight  wave  action.  The  sweeping  motion  appears  to  repel  urchins  as  they 

rapidly  aggregate on  the  alga during  calm  conditions  (Himmelman & Steele,  1971; 

Himmelman, 1984; Konar, 2000; Chapter 5). Many  species of Desmarestia,  including 

D. viridis,  produce  sulfuric  acid  (Eppley  &  Bovell,  1958;  McClintock  et  al.,  1982; 

Thompson,  1988),  and  numerous  studies  infer  that  this  might  also  deter  grazers 

(Anderson & Velimirov, 1982; Dayton, 1985a; Himmelman & Nédélec, 1990; Lobban 

&  Harrison,  1994).  However,  the  only  experimental  evidence  supporting  this 

hypothesis is a recent study on Desmarestia munda (Pelletreau & Muller‐Parker, 2002). 

The exact mechanism by which D. viridis repels urchins remains unclear. 

Early stages of algae are often particularly vulnerable to herbivores, because of 

their small size and more delicate structure (Van Alstyne et al., 1999). We have a poor 

understanding  of  the  factors  permitting  the  survival  of  juvenile  A.  cribrosum  and 

D. viridis. The rapid growth of juvenile D. viridis in late winter and early spring, when 

feeding  rates  of  the  urchins  are  low  (Larson  et  al.,  1980; Himmelman,  1984), may 

permit  it  to  reach  the  size where  the  sweeping  action  (or  acid  content)  provides 

resistance to grazing (thus an escape in size, sensu Paine, 1976; Lubchenco & Gaines, 

1981).  On  the  other  hand,  juvenile  A.  cribrosum  (defined  here  as  individuals 

measuring  <10  cm  in  length)  appear  to be unable  to  survive  on  their  own  as  they 

rarely  occur  in  open  areas  on  urchin  barrens. However, we  have  often  observed 

Page 84: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

72

juvenile A. cribrosum under stands of adult A. cribrosum and also under canopies of 

D. viridis, which suggests that recruitment under these algae may represent a type of 

defense  by  association.  Such  a  relationship  could  provide  a mechanism whereby 

patches of A. cribrosum can become established.  

In the present study we investigate this potential associational plant defense to 

determine  how  A.  cribrosum  might  colonize  urchin  barrens.  Specifically,  we 

(1) quantify the distribution of the urchins and juvenile A. cribrosum in the vicinity of 

D.  viridis,  (2)  determine  whether  the  size  of  the  D.  viridis  plant  influences  these 

distributions,  (3)  measure  the  degree  of  vulnerability  of  juvenile  A.  cribrosum  to 

urchin  grazing,  (4)  examine  whether  there  is  a  competitive  cost  for  juvenile 

A. cribrosum in being associated with D. viridis, and (5) assess the time scale involved 

in these interactions. 

Materials and methods 

Study sites 

Our study was conducted during the summer and fall of 1997, 1998 and 1999 in the 

subtidal  zone  of  Île  aux Goélands,  a  small  (<1  km2)  exposed  island  in  the Mingan 

Islands, northern Gulf of St. Lawrence  (Fig. 2.2). On  the bedrock platforms on both 

eastern and western  sides of  the  island, dense kelp beds  (primarily Alaria esculenta) 

occur to a depth of 3 m, and then urchin barrens dominate gently sloping platforms 

that  extend  to  ∼200 m  from  shore. These platforms  end  at  ∼10 m  in depth, where 

vertical walls begin. On  the western platforms, Desmarestia  viridis  is  abundant  and 

Agarum cribrosum scarce, and on the eastern platforms, D. viridis is less abundant and 

A. cribrosum more abundant. Urchin predators, such as lobsters (Homarus americanus) 

and wolffish  (Anarhichas  lupus) have never been observed on  the platforms, and  the 

other conspicuous herbivores are small limpets and chitons which are micro‐grazers 

and generally  less abundant  than urchins  (Gaymer et al., 2001; P. Gagnon, personal 

observation). 

Page 85: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

73

Distribution of juvenile A. cribrosum and urchins near D. viridis 

We first examined the impact of the sweeping action of Desmarestia viridis in July and 

August  of  1997  by  comparing  the  abundance  of  urchins  and  juvenile 

Agarum cribrosum (<10 cm in length) inside and outside the area swept by individual 

D.  viridis  plants.  This  was  done  in  the  vicinity  of  nine  haphazardly‐chosen, 

averaged‐sized (50‐60 cm in length) D. viridis plants. Each plant was at least 2 m from 

other plants (holdfast to holdfast). For each plant we counted the numbers of urchins 

and A. cribrosum  juveniles  in  two quadrats  (25 x 25 cm) placed next  to  the holdfast 

(on the north and south sides, respectively) and in two quadrats placed 25 cm outside 

of the area swept by the plant (again on the north and south sides). Six of the plants 

were on  the eastern side of  Île aux Goélands  (three on each of  two sampling dates) 

and the other three on the western side (one sampling date). 

Current and wave conditions cause the sweeping action of D. viridis and may 

in  turn  affect  the  distribution  of  urchins  and A.  cribrosum  juveniles. We  therefore 

measured  current  conditions on  the  two  sides of  Île aux Goélands using Aanderaa 

RCM4  current meters. The  current meters were anchored at 1 m above  the bottom 

(4.4 m in depth on the eastern side and 5.3 m on the western side) with rigid supports 

and recorded at 15‐min intervals from 26 June to 19 August of 1999. A plastic conical 

fence below the current meters prevented crabs and urchins from climbing onto the 

apparatus. Wave  action was not  quantified  but  is  generally higher  on  the western 

side  of  the  island  due  to  the  predominant  winds  from  the  west  (meteorological 

airport  services  from Havre‐Saint‐Pierre Airport),  except  during  occasional  storms 

from the east.  

Because D. viridis can measure up to 145 cm in length at Île aux Goélands, we 

also  examined  the  effect  of  the  size  of  D.  viridis  on  the  abundance  of  juvenile 

A. cribrosum and urchins. We applied the same sampling procedure described above 

around  ten  haphazardly‐selected  medium‐sized  (50‐70  cm)  and  large‐sized 

(110‐130 cm) D. viridis, and observations were carried out on the western side of the 

Page 86: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

74

island on six dates in July 1998 (for each plant, data from the north and south sides of 

the holdfast were pooled in the analysis).  

To determine  if  juvenile A. cribrosum and urchins were uniformly distributed 

within  the  area  swept  by  D.  viridis,  we  estimated  their  abundance  at  different 

distances from D. viridis holdfasts (sampled in July and August of 1997 on the eastern 

side  of  Île  aux  Goélands). We  recorded  the  distance  from  the  holdfast  for  every 

A. cribrosum  juvenile  located within  a  40‐cm  radius  of  the  holdfast. Densities were 

subsequently calculated for concentric 10‐cm wide zones (numbers were adjusted for 

the increasing area of the concentric zones moving away from the holdfast). Because 

urchins were numerous, we measured  their densities  in 10‐cm sections along 15‐cm 

wide belt transects running north and south from the holdfast to a distance of 60 cm 

(the  data  from  the  two  directions  were  pooled  in  the  analysis).  For  these 

measurements, we haphazardly selected  five 50‐70‐cm‐long D. viridis plants. As our 

observations showed  that radius of  the average area swept during wave action was 

31 cm (SE = 2.8), we considered areas beyond 30 cm as outside the swept area. 

Protection provided by D. viridis 

We  investigated  the  effectiveness  of  the  Desmarestia  viridis  canopy  in  providing 

protection for  juvenile Agarum cribrosum from urchin grazing using two approaches. 

First, in July and August 1997, we conducted an experiment on the eastern side of the 

island  to  compare  the  rate  at  which  the  urchins  made  contact  with  juveniles 

A. cribrosum in the absence and presence of a D. viridis canopy. For each of four trials, 

we  identified  ten  juveniles  under  each  of  four  haphazardly  selected  55‐65‐cm 

D. viridis plants  (a  total of  160  juvenile A. cribrosum under  16 D.  viridis) by placing 

a numbered stainless steel washer next to each juvenile. We then removed two of the 

four D.  viridis  by  cutting  their  stipes  and  returned  after  24,  48  and  72  h  to  score 

whether each juvenile was in contact with an urchin. 

Second, in July and August of 1998, we performed a second experiment on the 

western  side  that was  similar  to  the  trials  in  1997,  except  that we  quantified  the 

Page 87: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

75

changes  in  the  total  length  of A.  cribrosum  juveniles  in  the  absence  or  presence  of 

a D. viridis canopy. For each of three trials, we identified and measured the length of 

ten juveniles under each of six haphazardly selected 50‐60‐cm D. viridis plants. Then, 

after randomly removing three plants, we measured the length of the  juveniles after 

24,  48,  72  and  96  h.  Subsequently, we  expressed  length  as  a  percentage  of  initial 

length  for each  juvenile. Mean  initial  length was almost  the same  in  the  treatments 

with  (4.9  cm,  SE = 0.3)  and  without  (4.8  cm,  SE = 0.2)  cover  (⏐t⏐ = 0.07,  df = 141, 

P = 0.94). 

Growth of juvenile A. cribrosum 

We  evaluated  the  effect  of  a  Desmarestia  viridis  canopy  on  the  growth  of 

Agarum cribrosum  juveniles  by  comparing  the  changes  in  length  of  juveniles  in  the 

presence  and  absence  of  a  canopy,  in  areas  where  urchins  were  excluded  using 

fences. We first identified five A. cribrosum juveniles under the cover of each of eight 

haphazardly‐selected D. viridis plants (55‐65 cm in length) on the western side of the 

island.  Then,  after  removing  four  of  the D.  viridis  plants  (chosen  at  random), we 

quantified  the  changes  in  total  length  of  the  juveniles  at  5‐d  intervals  over  a  39‐d 

period (3 July to 11 August 1998). Prior to 3 July, we constructed fences (2 x 2 m with 

60‐cm‐high walls)  around  each  of  the  eight  experimental  areas  to  exclude urchins. 

The fences were constructed of 0.5‐cm mesh wire supported by PVC pipes and were 

bolted to holes drilled in the bedrock. We first removed all the urchins from all fences 

at the start of the experiment and then made daily visits to remove urchins that had 

climbed onto the cage walls. For the analysis we calculated the length of each plant as 

a percentage of initial length. Individual A. cribrosum were approximately 4‐cm‐tall at 

the beginning of the experiment and tended to be slightly taller in the treatment with 

(4.4  cm, SE = 0.6)  than without  (3.5  cm, SE = 0.5)  cover  (⏐t⏐ = 1.22,  df = 28, P = 0.23). 

The  data  on  five A.  cribrosum  juveniles  from  each  treatment were  lost  during  the 

study and were  thus excluded  from  the analyses. Although  two D. viridis plants  in 

the  cover  treatment  broke  away  in  the  latter  part  of  the  experiment,  they  were 

Page 88: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

76

replaced  (within  24 h) by  attaching  other D. viridis plants  (with  cable  ties)  to bolts 

next to the holdfasts of the original plants. 

Seasonal cycle of D. viridis   

Because Desmarestia viridis is an annual alga and can only provide a certain period of 

protection  to  Agarum  cribrosum,  we  documented  the  decline  in  size  of  identified 

D. viridis plants on the western side of the island in both 1998 (15 haphazardly chosen 

individuals  observed  on  16  July,  23 August,  and  25 October)  and  1999  (28  plants 

observed on 9 June, 2 and 18 August, and 26 October). 

Statistical analysis  

Split‐plot ANOVAs  (Montgomery,  1991) were  used  to  analyze  the  distribution  of 

juvenile  Agarum  cribrosum  and  urchins  near  Desmarestia  viridis  with  the  factors, 

Side (western/eastern),  Location  (inside/outside),  and  Direction  (north/south)  with 

one nested element (plant replicate within side). The analyses were applied to the raw 

numbers  of  juvenile  A.  cribrosum  whereas  the  data  on  numbers  of  urchins  were 

square‐root transformed to correct for heteroscedasticity. 

To  assess  the  impact  of  the  size  of  D.  viridis  cover  on  the  distribution  of 

juvenile A. cribrosum and urchins, we performed split‐plot ANOVAs with the factors, 

Size  (medium/large)  and  Location  (inside/outside) with  one  nested  element  (plant 

replicate within size). The data on numbers of juveniles were square‐root transformed 

to obtain normality and homoscedasticity. Since no transformations corrected for the 

heteroscedasticity detected in the raw data on numbers of urchins, the ANOVA was 

also applied to the rank transformed data. Because both analyses gave similar results, 

we present  results  from  the  former  (raw data)  following  the  suggestion of Conover 

(1980). 

We  evaluated  the  effect  of  the  distance  from  the D.  viridis  holdfast  on  the 

density of juvenile A. cribrosum and urchins using one‐way ANOVAs with the factor 

Distance (0‐10, 10‐20, 20‐30 and 30‐40 cm from the holdfast for  juvenile A. cribrosum; 

Page 89: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

77

0‐10, 10‐20, 20‐30, 30‐40, 40‐50 and 50‐60 cm from the holdfast for urchins) applied to 

the raw data for numbers of juvenile A. cribrosum, and to the square‐root transformed 

data for numbers of urchins (to correct for heteroscedasticity). 

To  analyze  the  frequency  of  contact  of  urchins with  juveniles, we  applied 

a repeated measures ANOVA  (Hand & Taylor, 1987; Crowder & Hand, 1990) with 

the  factors,  Treatment  (with/without  canopy)  and  Time  (after  24,  48  and  72  h). 

We treated  this  analysis  as  the  particular  case  of  the  generalized  linear  models 

(McCullagh & Nelder,  1989)  that  assumes  a  binomial  distribution  of  the  response 

variable  (dichotomous response, with or without contact). Thus, we did not  test  for 

normality and homoscedasticity in the data, and no binomial variation was detected. 

A  second  repeated‐measures ANOVA was  carried  out  to  test whether  a D.  viridis 

cover protected juvenile A. cribrosum from urchin grazing with the factors, Treatment 

(with/without  canopy)  and Time  (after  24,  48,  72,  and  96 h).  Since we detected  an 

increase  in the variance over time for each treatment and the correlation  in the data 

over  time was different  from one  treatment  to another, we modeled  the covariance 

structure with a specific heterogeneous compound symmetry structure (Proc Mixed, 

Type = CSH, SAS Institute Inc., 1999). We applied the analysis to the raw data as the 

data for each day were normally distributed.    

A randomization (permutation) test (Legendre & Legendre, 1998) was used to 

analyze the effect of a D. viridis cover on the growth of  juvenile A. cribrosum during 

the overall  sampling period. Thus, we  compared  the  result of a  standard Student’s 

t‐test obtained from our field sampling with the 95th percentile of the distribution of 

Student’s t‐test generated by any possible randomized combination of our sampling 

results.  

In  the  above  analyses,  normality was  verified  using  Shapiro‐Wilk’s  statistic 

(SAS  Institute  Inc.,  1999)  and  homoscedasticity  by  examining  the  graphical 

distribution of  the  residuals and by using Levene  test  (Snedecor & Cochran, 1989). 

Differences between  levels within a  factor were  identified using  least‐square means 

multiple  comparisons  tests  (LS  means,  SAS  Institute  Inc.,  1999),  with  sequential 

Page 90: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

78

Bonferonni  correction  of  probabilities  (Rice,  1989;  Peres‐Neto,  1999).  We  used 

a significance threshold of 0.05 for all statistical tests. 

Results 

Distribution of juvenile A. cribrosum and urchins near D. viridis  

The  1997  sampling  inside  and  outside  of  the  cover  of  Desmarestia  viridis  plants 

showed  inverse patterns  for  the densities of  juvenile Agarum  cribrosum and urchins 

(Fig. 4.1). Juvenile A. cribrosum were six times more abundant inside than outside the 

cover  (P < 0.0001,  Table  4.1),  whereas  urchins  were  more  than  two  times  more 

abundant  outside  than  inside  the  cover  (P < 0.0001, Table  4.1).  In  this  analysis, we 

pooled  the data  from different dates on  the  eastern  side,  as  a preliminary  analysis 

revealed  no  difference  between  the  two  sampling  dates  (F1,18 = 0.03,  P = 0.87  for 

juveniles; F1,18 = 0.64, P = 0.43 for urchins), and then compared them to the data from 

the single sampling date on the western side. 

The densities (individuals m‐2) of both A. cribrosum juveniles and urchins were 

significantly  greater  on  the  western  than  on  the  eastern  side  of  the  island 

(66.7 ± 73.4 [SD] vs. 41.3 ± 45.0 for  juveniles, P = 0.041; 168.0 ± 70.1 vs. 81.3 ± 83.7 for 

urchins,  P = 0.0032). Although  densities  of  both A.  cribrosum  juveniles  and  urchins 

were  similar  at  both  sides  of  the  island  outside  the  cover  (LS means, P = 0.80  and 

P = 0.19,  respectively),  they  were  greater  at  the  western  side  inside  the  cover 

(LS means,  P = 0.031  and  P < 0.001,  respectively).  Moreover,  the  distribution  of 

urchins  in  the  vicinity  of  D.  viridis  varied  between  sides,  there  being  significant 

interactions  among  factors  (Location x Direction,  Side x Location,  and 

Side x Direction;  Table 4.1).  At  the western  side  of  the  island, more  urchins were 

found on  the south  than on  the north side of D. viridis plants  (LS means, P = 0.045), 

and juveniles tended to be more abundant on the north than on the south side of the 

D. viridis plants, although not significantly (80.0 ± 96.0 [SD] vs. 53.3 ± 47.1; LS means, 

 

Page 91: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

79

 

 

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

A. cribrosum S. droebachiensis

P < 0.0001

P < 0.0001Inside D. viridis

Outside D. viridis

 

Fig. 4.1. Mean density (+ SE) of  juvenile kelp Agarum cribrosum and of the green sea urchin,  Strongylocentrotus  droebachiensis,  inside  and  outside  the  zone  swept  by  the filamentous phaeophyte Desmarestia viridis. P‐values are for comparisons between the two zones. For the urchin, the data have been back‐transformed from the transformed data used in the analysis. 

Page 92: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

80

 

Table 4.1. Summary of split‐plot ANOVAs showing the effect of the Side of the island (eastern or western sides), Location (inside or outside a canopy of Desmarestia viridis) and Direction  (north  or  south  of D.  viridis)  on  the mean  density  of  juvenile  kelp Agarum  cribrosum  and  of  the  green  sea  urchin,  Strongylocentrotus  droebachiensis. Data on urchins were square‐root transformed. 

 

Source of variation  df  MS  F‐value  P          Juvenile Agarum cribrosum         Side  1  5134.22  6.24           0.041 Plant(Side)  7  822.86  0.46           0.85 Location  1  52921.00  29.37         <0.0001 Direction  1  2048.00  1.14           0.30 Location x Direction  1  6883.56  3.82           0.064 Side x Location   1  7523.56  4.17           0.054 Side x Direction  1  910.22  0.51           0.49 Side x Location x Direction  1  512.00  0.28           0.60 Error  21  1802.16     Corrected total  35                Urchins         Side  1  237.19  19.37           0.0032 Plant(Side)  7  12.25  1.89           0.12 Location  1  269.43  41.63         <0.0001 Direction  1  19.11  2.95           0.10 Location x Direction  1  60.02  9.27           0.0061 Side x Location   1  83.67  12.93           0.0017 Side x Direction  1  34.16  5.28           0.032 Side x Location x Direction  1  2.74  0.42           0.52 Error  21  6.47     Corrected total  35                

 

Page 93: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

81

P = 0.76). Such differences were not detected on the eastern side of the  island where 

densities  of  juvenile  algae  and  urchins  were  similar  on  north  and  south  sides 

of D. viridis (LS means, P = 0.62 and P = 0.76, respectively). 

Whereas tidal currents close to the bottom generally showed a similar pattern  

on both sides of the island, current speeds (summer 1999) were higher on the western 

(6.79 cm s‐1) than on the eastern (4.70 cm s‐1) side (⏐t⏐ = 21.69, df = 10306, P < 0.0001), 

and  the  strongest  currents  on  the  western  side  were  oriented  towards  the 

north‐northeast with a peak at 15° (Fig. 4.2). 

In addition to confirming the inverse distributions of A. cribrosum juveniles and 

urchins inside and outside the cover of D. viridis, the sampling around medium‐sized 

and  large plants  revealed  that  there were higher densities of  juveniles under  large 

D. viridis (LS means, P = 0.015; Fig. 4.3). The density of juveniles outside the cover did 

not vary with plant size (LS means, P = 0.92; Fig. 4.3). No effect of D. viridis size was 

detected for urchin densities (split‐plot ANOVA, F1,18 = 1.25, P = 0.28; Fig. 4.3). 

            The more detailed sampling in the vicinity of the D. viridis plants revealed an 

effect  of distance  from  the  holdfast  on  the densities  of  both A.  cribrosum  juveniles 

(ANOVA,  F3,12  =  7.58,  P  =  0.0042)  and  urchins  (ANOVA,  F5,20  =  7.03,  P = 0.0006). 

The data  indicated  that A.  cribrosum  juveniles were most abundant at a distance of 

10‐20  cm  from  the  holdfast  (Fig.  4.4).  The  juveniles were  also  less  abundant  just 

outside  the  swept  zone  (30‐40  cm)  than within  the  swept  zone  as  a whole  (Group 

contrast test, F1,12 = 14.43, P < 0.01). Again, urchin densities were much greater outside 

than inside the swept area (Group contrast test, F1,20 = 31.77, P < 0.0001) and within the 

swept zone tended to be least abundant closest to the holdfast (0‐20 cm). 

Protection provided by D. viridis 

In the 1997 experiment, the observations over three consecutive days showed that the 

number of Agarum cribrosum juveniles in contact with urchins increased more rapidly 

 

Page 94: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

82

Current direction (% frequency)

Western side Eastern side

Current speed (cm s-1)

T (°C) = 5.98 (SE=1.88)Salinity (PPT) = 31.25 (SE=0.29)

T (°C) = 6.33 (SE=1.93)Salinity (PPT) = 31.06 (SE=0.34)

510152025 90

180

270

360

90

180

270

360

510152025

90

180

270

360

2810 46 90

180

270

360

2810 46

 

Fig. 4.2. Frequencies distribution (%) for current direction and speed from a current meter  located  at  1  m  above  the  bottom  on  the  western  and  eastern  sides  of Île aux Goélands during the summer of 1999. 

Page 95: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

83

A. cribrosum

0

10

20

30

40

50

60

70

50-70 cm D. viridis

110-130 cm D. viridis

a

a

�b

b

Inside Outside

c c

0

50

100

150

200

250

300

b

a

b

S. droebachiensis

 

Fig. 4.3. Mean density (+ SE) of juvenile Agarum cribrosum and of the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, inside and outside the zone swept by medium‐sized (50‐70 cm) and large (110‐130 cm) Desmarestia viridis. For juveniles, the data have been back‐transformed from the transformed data used in the analysis. Values not sharing the same letter are significantly different (LS means, P < 0.05). 

Page 96: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

84

 

 

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-600

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Swept zone Non-swept zone

Distance from the D. viridis holdfast (cm)

A

A

B

AB

B

A

ab

a

b

ab

S. droebachiensis

A. cribrosum

 

Fig. 4.4. Mean density (+ SE) of  juvenile kelp Agarum cribrosum and of the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, at different distances from the holdfast of the filamentous  phaeophyte  Desmarestia  viridis  (A.  cribrosum  not  sampled  beyond 30‐40 cm). The  limit of  the area  swept by D. viridis was 31 cm. For  the urchins,  the data  have  been  back‐transformed  from  the  transformed  data  used  in  the  analysis. Values not sharing the same letter (small letters for juveniles, capitals for urchins) are significantly different (LS means, P < 0.05). 

Page 97: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

85

in  the absence  than  in  the presence of a Desmarestia viridis canopy  (Fig. 4.5). At  the 

end of  the  experiment, over 90 % of  the  juveniles  in  the  canopy‐removal  treatment 

had had contact with urchins compared to <15 % in the control treatment. 

The  1998  experiment,  which  quantified  changes  in  length  of  juvenile 

A. cribrosum  over  four  consecutive days  in  the  absence  and presence  of  a D. viridis 

canopy,  showed a 53 %  loss  in  length when  the canopy was  removed compared  to 

a non significant  loss (6 %) with the canopy present (Fig. 4.6). The decrease in frond 

length  in  the  absence  of  the  cover  appeared  linear with  time,  and  the  difference 

between treatments became significant after 3 d (LS means, P < 0.01; Fig. 4.6). At the 

end of the study, 34 % of the juveniles with the removed canopy had been completely 

grazed, compared to only 3 % when the canopy was left intact. The predicted time to 

disappearance of A. cribrosum  juveniles, based on the rates of loss recorded over 4 d 

(and assuming  that urchins continue  to graze at  the  same  rate), would be an order 

of magnitude less in the presence (7.6 d) than in the absence (71.4 d) of D. viridis. 

Growth of juvenile A. cribrosum 

Although the mean growth (% increase in size) of Agarum cribrosum juveniles over the 

39‐d  period was  greater  in  the  absence  (106.4 %,  [SE = 12.6])  than  in  the  presence 

(77.4 %, [SE = 7.5])  of  a Desmarestia  viridis  cover,  the  difference was  not  significant 

(P = 0.14; n = 4).

Seasonal cycle of D. viridis   

The measurements  of  Desmarestia viridis  plants  in  1998  and  1999  showed  a  rapid 

decrease in size during the summer. Mean length decreased by 78 % between 16 July 

and 23 August  in 1998  (equivalent  to a 2 % decrease per day) and by 91 % between 

9 June and 18 August in 1999 (1.3 % per day). In both years, no D. viridis sporophytes 

were observed during dives  in  late October. Thus, Agarum  cribrosum  juveniles  that 

developed under D. viridis became  fully  exposed  to urchins during September  and 

October. 

Page 98: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

86

 

 

 

24 48 720

20

40

60

80

100

Time (h)

Without D. viridis

With D. viridis

a

b

c

d

d d

 

Fig. 4.5. Mean percentage (+ SE) of juvenile kelp Agarum cribrosum in contact with the green  sea  urchin,  Strongylocentrotus  droebachiensis,  over  72  h  in  the  presence  or absence  of  a  cover  of  the  filamentous  phaeophyte  Desmarestia  viridis.  Values  not sharing the same letter are significantly different (LS means, P < 0.05). 

Page 99: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

87

 

 

 

a

24 48 72 960

20

40

60

80

100With D. viridis

Without D. viridis

Time (h)

aaa

a

a

b

b

 

Fig.  4.6.  Length  as  a  percentage  of  initial  length  (± SE)  of  juvenile  kelp Agarum cribrosum  over  96  h,  when  growing  under  a  cover  of  the  filamentous phaeophyte Desmarestia  viridis  and when  the  cover  has  been  removed. Values  not sharing the same letter are significantly different (LS means, P < 0.05). 

Page 100: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

88

Discussion 

The plant‐herbivore interaction described in this study represents an unusual marine 

plant  defense  association  in which  the  annual  alga  Desmarestia  viridis  provides  a 

short‐term shelter  for  juvenile stages of  the kelp Agarum  cribrosum  from grazing by 

the  green  sea urchin,  Strongylocentrotus  droebachiensis. The  repulsion  of  sea urchins 

by the movement  of  algal  fronds  (induced  by water motion)  has  been  previously 

noted  for D. viridis  (Himmelman &  Steele,  1971; Himmelman,  1984;  Konar,  2000), 

Desmarestia  ligulata  (Dayton,  1985a),  and  the  kelp  Laminaria  pallida 

(Velimirov & Griffiths,  1979). We  showed  that  the  cover  of D.  viridis  had  a  strong 

impact on  the  spatial distribution of both  juvenile A. cribrosum  and urchins, but  in 

opposite ways. Juvenile A. cribrosum were almost always restricted to the area swept 

by  D.  viridis  plants,  and  urchins  were  mostly  located  outside  the  swept  areas. 

The variations  observed  between  our  two  study  sites  indicate  that  the  relationship 

between  the  repulsive  effect  of  D. viridis  on  urchins  and  the  recruitment 

of A. cribrosum  is  sensitive  to  several  factors. Although  urchin  densities  outside  of 

areas  covered  by  D.  viridis  were  similar  on  the  western  and  eastern  sides  of 

Île aux Goélands, urchins were better able  to  invade  the area swept by D. viridis on 

the western  side.  Should  grazing  by  urchins  be  responsible  for  the  distribution  of 

A. cribrosum  juveniles,  one  might  predict  that  the  densities  of  juveniles  under 

D. viridis would have been lower on the western than on the eastern side of the island 

(urchins were more  abundant  under  the  alga  on  the western  side). However,  the 

inverse was  observed.  This  seemingly  contradicting  pattern  could  be  due  to  such 

factors as changes in urchin behavior related to temporal changes in water movement 

(e.g., sampling during a calm period) or  to higher  levels of A. cribrosum recruitment 

on the western side. 

Variation was also seen at  finer spatial scales. Urchins on  the western side of 

Île  aux  Goélands  were  more  abundant  on  the  south  side  of  D.  viridis,  whereas 

A. cribrosum  juveniles  tended  to  be  most  common  on  the  north  side,  a  pattern 

consistent  with  the  idea  that  recruitment  success  is  related  to  grazing  intensity. 

Page 101: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

89

Again,  the  hydrodynamic  conditions  might  explain  this  variation.  The  strongest 

subtidal currents were observed on  the western side of  the  island and were usually 

oriented  in a northerly direction. The speed and orientation data suggest  there may 

have  been  prolonged  periods  of  unidirectional  flow  that may  have  dampened  the 

wave‐induced oscillations in shallow water. If so, one would expect the deterrence of 

urchins by D. viridis to be strongest in the northerly direction. Green sea urchins are 

highly  mobile  animals  (maximum  2.6 m h‐1,  P.  Gagnon,  unpublished  data)  and 

readily shift  their  foraging behavior  in response  to other organisms and  to physical 

conditions  (Garnick,  1978; Larson  et  al.,  1980;  Johnson & Mann,  1982; Mann  et  al., 

1984;  Scheibling & Hamm,  1991).  Thus,  they  could  have  temporarily  attacked  the 

D. viridis  plants  from  the  southern  side  during  periods  when  currents  push  the 

canopy  towards  the  north.  These  results  indicate  the  importance  of  considering 

the behavioral repertoire of mobile consumers relative to variations in the small‐scale 

physical environment.  

The probability of contact between urchins and  juvenile A. cribrosum appears 

to be  influenced by  the nature of  the D. viridis canopy  itself. Larger D. viridis plants 

appear  to  provide  better  protection  from  urchins  as  higher  densities  of  juvenile 

A. cribrosum were found beneath them. We did not detect an effect of D. viridis size on 

the  density  of  urchins,  suggesting  that  density  alone  does  not  always  predict  the 

potential  effect  of  herbivory.  The  enhanced  recruitment  under  large  plants  was 

possibly  because  the  larger  plants  interfered  more  with  the  urchin’s  foraging. 

Alternatively, larger plants with their greater swept areas may provide a buffer zone 

with moderate  levels of grazing around a more highly protected central zone. This 

idea  is  supported  by  the  micro‐distributional  data  that  showed  higher  densities 

of juveniles, and corresponding lower densities of urchins, in the center of the swept 

area.  Increased  algal  recruitment  in  areas  swept  by  larger  plants  has  also  been 

reported  for  the kelp Laminaria pallida  in South Africa  (Velimirov & Griffiths, 1979). 

The  increase was  attributed  to decreased disturbance  of  the bottom by  the  fronds, 

because  the  stiffer  stipes  of  the  large plants  held  the  fronds  away  from  this  zone. 

Although the stipes of D. viridis do not appear to stiffen with size, the branches near 

Page 102: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

90

the  holdfast  appear  to move  less  than  the  outer  branches  (possibly  because wave 

action  is attenuated).  In  contrast, all branches of  small plants move back and  forth 

with wave action. The increased number of A. cribrosum  juveniles near the holdfasts 

of larger D. viridis might similarly be due to a reduced level of frond abrasion.  

The damage to a plant from a herbivore is a function of (1) the likelihood that 

the herbivore will come into contact with the plant, (2) the probability that the contact 

leads to a portion of the plant being eaten, and (3) the loss in fitness due to damage 

from  the  herbivore  (Lubchenco & Gaines,  1981). During  the  1997  experiment,  the 

probability of  contact between  an urchin  and  an A.  cribrosum  juvenile was  6  times 

greater in the absence than in the presence of a D. viridis canopy. Furthermore, in the 

1998 experiment tissue loss was 9 times greater in the absence than in the presence of 

a D. viridis  canopy. Thus,  a D. viridis  cover  reduces  both  the probability  of  contact 

with urchins  and  also  tissue  loss  from urchin grazing. Extension of our  tissue  loss 

curves, assuming the levels of interactions are similar over a longer period, suggests 

that  A.  cribrosum  juveniles  would  survive  an  order  of  magnitude  longer  in  the 

presence  than  in  the absence of a D. viridis canopy. Van Alstyne  (1999) showed  that 

many  herbivores  prefer  the  juvenile  stages  of  algae,  perhaps  because  chemical 

or morphological  defenses  are  less well  developed.  Possibly  juvenile  A.  cribrosum 

undergo chemical or structural changes to increase resistance to grazing as they age. 

Adult A. cribrosum are not preferred foods of urchins (Vadas, 1977; Larson et al., 1980; 

Himmelman  &  Nédélec,  1990).  Thus,  an  association  with  D.  viridis may  provide 

A. cribrosum  juveniles with an  escape  from grazing during  the  critical period when 

their defenses are not yet well developed.  

In addition to affecting urchin behavior, macrophyte canopies can also reduce 

(1) flow  (Ackerman & Okubo,  1993; Hurd  et  al.,  1997),  and  thus particle  transport 

(Eckman et al., 1989) and nutrient exchange (Gerard, 1982), and (2)  light availability 

(Gerard, 1984; Reed & Foster, 1984). Reduced light and nutrients could reduce growth 

rates of plants growing under an algal  canopy. For  example, a  cover of  the brown 

alga Sargassum  filipendula has been  shown  to decrease  the growth of  the associated 

Page 103: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

91

red alga Gracilaria tikvahiae (Pfister & Hay, 1988). Vadas (1968) has shown that growth 

of A. cribrosum  is sensitive  to  reduced  light  intensities, which  is consistent with our 

39‐d  experiment  in which  the  growth  rate  of  juvenile  A.  cribrosum was  29 %  less 

under  a  D. viridis  canopy  than with  the  canopy  removed.  This  decrease was  not 

significant  but might  have  been  if  the  experiment  had  run  for  a  longer  period  or 

sample  size  was  increased.  Nevertheless,  on  urchin  barrens,  the  costs  of  loss  in 

growth associated with living under a canopy are clearly outweighed by the benefits 

of reduced urchin grazing. 

Most  studies  of  associational  plant  defenses  have  described  the  results  of 

long‐term  interactions  between  species.  In  contrast,  the  association  of A.  cribrosum 

with  D. viridis  is  short‐lived  because  of  the  annual  life  cycle  of  D.  viridis. 

Our observations in 1998 and 1999 show that the length of D. viridis plants decreases 

by  about  1.5 % daily  during  the  summer,  and  that  all  the  plants  are  gone  by  late 

October. Thus, the protection provided by D. viridis diminishes over the summer and 

disappears  in  the  autumn. Nevertheless,  two  factors may  favor  the  survival of  the 

remaining  juveniles  in  the  autumn.  The  first  is  the  decrease  in  feeding  rates 

of the urchins  during  late  summer  and  autumn  (Vadas,  1977;  Larson  et  al.,  1980; 

Meidel & Scheibling, 1998). The second is that juveniles may switch from an escape to 

a  defensive  strategy  once  they  have  reached  a  size where  their  own  defenses  are 

developed (e.g., more polyphenolics, tougher tissues, and a size where the sweeping 

action of its own blade might deter urchin attacks).  

The  interaction  that we  examined  appears  to  represent  a  successional  step 

leading  to  the  formation of mature stands of A. cribrosum. Thus, D. viridis colonizes 

and grows  rapidly during  the winter, and  then provides areas of decreased urchin 

grazing where vulnerable A.  cribrosum  juveniles  can become  established. Then,  the 

A. cribrosum juveniles may be able to survive on their own when D. viridis disappears 

in  the  autumn.  Such  an  interaction  would  represent  successional  facilitation 

(sensu Connell & Slatyer, 1977), which has been receiving increasing recognition as a 

key process structuring communities  (Walker et al., 1986; Wood & del Moral, 1987; 

Page 104: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

92

Callaway, 1995; Bruno & Bertness, 2001). Long‐term studies are required to determine 

the  survival  rate  of  young  A. cribrosum  once  the  D.  viridis  cover  disappears. 

Such studies  should  also  evaluate  the  influence  of  such  factors  as  topographical 

heterogeneity, ice scouring (which may destroy or disperse urchins in localized areas) 

and wave action. 

Page 105: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

      

Chapitre V 

    

Multiple plant defenses against herbivores: the interplay of chemical, morphological, and hydrodynamic factors 

 

Page 106: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

94

Résumé 

Les  plantes  disposent  d’un  large  éventail  de  mécanismes  pour  repousser  les 

herbivores.  Même  si  les  défenses  chimiques  sont  bien  documentées  dans 

les communautés  terrestres  et marines,  peu  d’études  ont  examiné  les  interactions 

possibles  entre  la  répulsion  chimique  et  les  autres  types  de  défense. Nous  avons 

réalisé  des  expériences  en  laboratoire  afin  de  déterminer  si  la  résistance  de 

Desmarestia  viridis  (algue  brune  fortement  acide  et  délicatement  branchue)  au 

broutage  de  l’oursin  s’explique  par  ses  propriétés  chimiques  ou  par  une  défense 

mécanique  attribuable  à  sa morphologie. Lors d’expériences de  chémodétection  en 

utilisant un  labyrinthe en Y,  les oursins étaient attirés par des  frondes de D. viridis 

dans  certains  essais, mais  repoussés dans d’autres  (la  température variait  entre  les 

différents  essais). Au  contraire,  les  oursins  étaient  ni  attirés,  ni  repoussés  par  leur 

nourriture  préférée,  la  laminaire Alaria  esculenta. Des  tests  dans  un  générateur  de 

vagues  ont démontré  que  l’agrégation des  oursins près  ou  sur D. viridis diminuait 

avec  l’augmentation  du mouvement  de  balayage  provoqué  par  l’augmentation  du 

mouvement de l’eau. Cette habileté de D. viridis à repousser les attaques de l’oursin 

décroissait drastiquement lorsque la densité de l’oursin atteignait un niveau critique. 

Ces résultats sont comparables à nos observations de terrain à l’effet que les oursins 

attaquent  facilement  D.  viridis  lorsque  les  conditions  sont  calmes mais  évitent  le 

contact  avec  l’algue  lorsqu’agitée  par  l’action  des  vagues,  mêmes  modérées. 

Contrairement  aux  spéculations  littéraires  que  l’acidité des Desmarestiales procure 

une  protection  contre  le  broutage,  nos  résultats  démontrent  que  la  composition 

chimique de D. viridis est à elle seule ni nécessaire, ni suffisante pour protéger l’algue 

contre  les  oursins.  Nous  démontrons  que  la  protection  de  D.  viridis  contre  les 

herbivores dépend principalement de l’interaction entre sa morphologie branchue et 

l’action des vagues. 

Page 107: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

95

Abstract 

Plants  rely on a wide array of mechanisms  to deter herbivores. Although  chemical 

defenses  are well  documented  in  terrestrial  and marine  communities,  few  studies 

have examined possible interactions between chemical deterrence and other types of 

defense. We conducted  laboratory experiments  to determine  if  the  resistance of  the 

highly acidic, delicately‐branched, brown alga Desmarestia viridis to urchin grazing is 

explained  by  its  chemical  properties  or  by  mechanical  defenses  related  to  its 

morphology.  In  Y‐maze  chemodetection  experiments,  urchins  were  attracted  by 

D. viridis  fronds  in  some  trials  but  repelled  in  others  (temperature  varied  among 

trials).  In contrast, urchins were neither attracted  to nor  repelled by  their preferred 

food,  the kelp Alaria esculenta. Trials  in a wave  tank showed  that  the aggregation of 

urchins near or on D. viridis decreased as the sweeping motion of D. viridis increased 

with  increased  water  motion.  This  ability  of  D.  viridis  to  repel  urchin  attacks 

decreased markedly when urchin density attained a  critical  level. These  results are 

consistent with  field  observations  that  urchins  readily  attack D. viridis  under  calm 

conditions but avoid contact with the alga when it is moved about even by moderate 

wave  action.  Contrary  to  speculation  in  the  literature  that  the  acidic  nature  of 

Desmarestiales provides protection from grazers, our results show that the chemical 

make‐up of D. viridis alone is neither necessary nor sufficient to protect the alga from 

urchins. We show that the protection of D. viridis from herbivores depends primarily 

on the interaction between its highly‐branched morphology and wave action. 

Page 108: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

96

Introduction 

Herbivory  is ubiquitous  in  terrestrial and marine  communities, and  the  substantial 

increase  in  studies  on  plant‐herbivore  interactions  over  the  last  three  decades 

(see reviews  in  Lubchenco  &  Gaines,  1981;  Hay  &  Fenical,  1988;  Lindroth,  1989; 

Coley & Barone,  1996;  Zamora  et  al.,  1999)  has  lead  to  a  better  understanding  of 

processes regulating populations and communities (Dayton, 1985b; Karban & Myers, 

1989; Sousa & Connell, 1992; Callaway et al., 2000; Schmitz et al., 2000). In response to 

herbivory, plants have  evolved  a variety  of defenses  including  spatial  or  temporal 

escapes (Atsatt & OʹDowd, 1976; Hay, 1986), morphological defenses (Duffy & Hay, 

1990; Hay  et  al.,  1994; Lucas  et  al.,  2000),  and  chemical deterrents  (Hay & Fenical, 

1988;  Paul  &  Van  Alstyne,  1992). Most  recent  studies  have  focused  on  chemical 

defenses (e.g., Pavia & Toth, 2000; Taylor et al., 2002), perhaps to the neglect of other 

mechanisms and the possibility of multiple plant defenses (Hay et al., 1994). 

Herbivory  can  be  intense  in  marine  benthic  communities  (Lubchenco  & 

Gaines, 1981), especially in tropical reefs (Carpenter, 1986; Lewis, 1986) and nearshore 

temperate habitats  (Breen & Mann,  1976b;  Scheibling  et  al.,  1999; Gagnon  et  al.,  in 

press) where intensive grazing by fishes and sea urchins can lead to the formation of 

“barren  zones”  (Lawrence,  1975).  Obvious  mechanical  defenses,  such  as calcified 

tissues, have  long been  recognized  as  a key  adaptation  to  living  in heavily grazed 

environments  (Steneck,  1986),  but  more  recent  studies  have  demonstrated  that 

chemical defenses are also common  in marine plants and can be highly effective  in 

deterring herbivores (Duffy & Hay, 1990; Bolser & Hay, 1996; Schnitzler et al., 2001).  

Brown algae of the order Desmarestiales, common in temperate coastal waters 

(Peters  et  al.,  1997),  are  unusual  because  of  their  production  and  storage  of  high 

concentrations  of  sulfuric  acid  (H2SO4) within  cell  vacuoles,  resulting  in  extremely 

low internal pH (down to ~0.5 pH, McClintock et al., 1982). A number of studies have 

suggested  this  trait  chemically  repulses  grazers  (Anderson  &  Velimirov,  1982; 

Dayton, 1985a; Himmelman & Nédélec, 1990). This idea, although attractive, has only 

recently received experimental support: the addition of sulfuric acid to an agar‐based 

Page 109: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

97

food  source  reduced  urchin  feeding  rates  in  the  laboratory  (Pelletreau 

& Muller‐Parker, 2002). However,  field observations show  that urchins  feed  readily 

on Desmarestia  sp.  under  certain  environmental  conditions  (Himmelman &  Steele, 

1971; Cowen et al., 1982; Konar, 2000). Thus, laboratory studies might not reflect how 

grazers respond to acidic species of Desmarestia, as they do not incorporate important 

environmental factors. Water motion and temperature, urchin density and motivation 

to  feed  likely  affect  the  behavior  of  urchins  (Garnick,  1978;  Bernstein  et  al.,  1983; 

Mann et al., 1984; Vadas et al., 1986; Kawamata, 1998) and could modify the efficacy 

of chemical defenses. 

  In  the Mingan  Islands, northern Gulf  of  St. Lawrence,  the  green  sea urchin, 

Strongylocentrotus droebachiensis, dominates bedrock platforms, and, as in many other 

regions,  its grazing  leads  to  the  formation of urchin barrens  (Lawrence, 1975). This 

community  state  is  strikingly different  from  adjacent  shallow  zones where urchins 

are scarce and kelp are abundant (primarily Alaria esculenta). The causal nature of this 

pattern  is well established both  in  the Mingan  Islands  (Gagnon et al.,  in press) and 

elsewhere  (e.g.,  Pearse  &  Hines,  1979;  Himmelman  et  al.,  1983;  Witman,  1987; 

Scheibling  et al., 1999):  removal of urchins  leads  to  rapid  colonization by kelp and 

other algae. Desmarestia viridis  is an exception  to  this pattern, being one of  the  few 

fleshy macrophytes  that  can  establish  on  urchin  barrens.  It  is  an  annual  alga  that 

occurs exclusively on barrens, either individually or in small groups (Fig. 5.1). It has 

a small holdfast, a  thin highly‐flexible  stipe, and a profusely‐branched,  filamentous 

frond that can measure up to 1.5 m in length.

The  occurrence  of  this  fleshy  macrophyte  in  an  intensively‐grazed 

environment, along with  its known high  acidity  (McClintock  et al.,  1982),  suggests 

that it deters grazing using chemical defenses. Several observations support this idea. 

First,  D. viridis  is  only  consumed  at  low  rates  when  offered  to  urchins  in  the 

laboratory  (Himmelman & Nédélec, 1990). Second,  field experiments comparing  the 

degree to which urchins move towards monospecific bundles of various algae reveal  

 

Page 110: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

98

 

 

 

 

Fig.  5.1. An  isolated  plant  of Desmarestia  viridis  (~60  cm  in  length)  surrounded  by a dense aggregation of the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, at 5 m in depth on a gently‐sloped bedrock platform in the Mingan Islands in June 2000. 

Page 111: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

99

that urchins are not attracted to D. viridis (Himmelman & Nédélec, 1990) when other 

algal species are present. Third, the consumption rate of D. viridis is generally much 

lower  than  for  preferred  algae  such  as  the  kelps  A.  esculenta  and  Laminaria  spp. 

(Vadas, 1977; Larson et al., 1980; Himmelman, 1984; Himmelman & Nédélec, 1990). 

Although  the  evidence  for  chemical  deterrence  is  convincing,  other 

possibilities have not been adequately  explored. The delicate  structure of D. viridis 

permits  the  frond  to  sweep back and  forth over  the bottom with  even  slight wave 

action,  and  observations  and  experiments  indicate  that  urchins  are  much  less 

abundant under a D. viridis canopy  (Himmelman, 1984; Konar, 2000; Gagnon et al., 

2003b)  as  well  as  for  other  algae  (Velimirov  &  Griffiths,  1979;  Dayton,  1985a). 

Although the low number of urchins under Desmarestia spp. has been interpreted as a 

response  to  the chemicals  in  the  fronds  (e.g.,  ʺacid broomingʺ sensu Dayton, 1985a), 

the  repulsive  effect may  be  due  simply  to  the mechanical  contact  between  algal 

fronds and urchins (Konar, 2000). This is likely the case for the kelp Laminaria pallida 

(Velimirov & Griffiths, 1979) that has no known chemical defenses. 

Here, we test whether the ability of D. viridis to resist urchin grazing depends 

on the interaction between its morphology, hydrodynamics and urchin abundance, or 

relies on its chemical make‐up. Our objectives are to (1) compare the degree to which 

urchins  are  attracted  towards  D. viridis  and  the  preferred  alga  A.  esculenta, 

(2) quantify  the  accumulation  of  urchins  on  and  around D. viridis  under  different 

levels of wave action, and (3) determine whether urchin density affects the degree to 

which urchins accumulate on D. viridis. 

 

Materials and methods 

Our study was conducted during the summers of 1999 and 2001 at Havre‐Saint‐Pierre 

in  the  Mingan  Islands  in  the  northern  Gulf  of  St. Lawrence,  eastern  Canada 

(50°13´6˝N,  63°41´12˝W).  Experiments  were  performed  in  the  laboratory  with  the 

green  sea  urchin,  Strongylocentrotus  droebachiensis  (2  to  6  cm  in  diameter),  and  the 

Page 112: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

100

algae Desmarestia  viridis  and Alaria  esculenta, which were  all  collected  at depths  of 

3‐8 m  around  Île  aux  Goélands  and  Île  du  Havre  (Fig.  2.2),  two  islands  located 

approximately 5 km  from  the  laboratory, and  then maintained  in  tanks continually 

supplied with seawater pumped from 10 m in depth. 

Response of urchins to odors of Desmarestia viridis 

To  examine  whether  Desmarestia  viridis  chemically  repulses  Strongylocentrotus 

droebachiensis, we compared urchin displacement towards chemical odors released by 

D. viridis and the preferred alga, Alaria esculenta, in a Y‐maze (Castilla & Crisp, 1970). 

The  experiment  included  eight  treatments  of  which  six were  conducted  between 

3‐6 °C: (1) a control for asymmetries in the maze (flowing seawater only); (2) a control 

for  the  presence  of  conspecifics  (6  urchins measuring  4  cm  in  test  diameter);  and 

treatments with algal stimuli, (3) 75‐g piece of an A. esculenta frond; (4) 250‐g piece of 

an A. esculenta frond; (5) 75‐g piece of a D. viridis frond; (6) 250‐g piece of a D. viridis 

frond. The  two other treatments, (7) a control for asymmetries  in the maze (flowing 

seawater  only)  and  (8)  250‐g  piece  of  a D. viridis  frond, were  conducted  at  higher 

temperatures  (10‐11 °C)  as  temperature  can  affect  the  displacement  and 

chemodetection ability of the green sea urchin (Mann et al., 1984). Our system did not 

allow  us  to  control  water  temperature,  but  we  could  take  advantage  of  natural 

variations. 

Each trial began with the addition of the stimulus to one arm (45 cm long and 

17 cm  wide)  of  the  Y‐maze  followed  30  s  later  by  the  addition  of  10  urchins 

(4‐cm diameter) to the basal portion of the Y‐maze (20 cm long and 17 cm wide). This 

sequence allowed odors to spread towards the mixing zone by the flow of seawater 

(2.4 L min‐1) running  through perforations positioned at 0.5 cm above  the bottom  in 

the end of each arm. The water from the two arms mixed just below the point where 

the arms joined and left the maze through perforations at 5.0 cm above the bottom at 

the  end  of  the  basal  portion,  therefore maintaining  a  5‐cm  depth  throughout  the 

maze. 

Page 113: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

101

The displacement of the urchins into the arms of the maze was evaluated every 

10 min during a 40‐min period. Once observed  in an arm, urchins were removed  to 

avoid interference with other urchins. At the end of each trial, those urchins that had 

remained  in  the  basal  arm were  considered  to  have  not made  a  choice. Time  and 

logistic  considerations  limited  us  to  4  trials  of  the  same  treatment  per  day.  Each 

treatment was repeated 12 times (= 3 blocks x 4 trials) between 23 June and 17 August 

of  1999.  To  eliminate  possible  biases  due  to  asymmetries  in  the  maze  or  in  the 

laboratory (e.g., light), we added the stimulus to a randomly‐selected arm of the maze 

at  the  start  of  each day  and  then  alternated  the  arm  into which  the  stimulus was 

added  for  subsequent  trials. Between  trials,  the maze was drained and wiped with 

a cotton towel. 

Mechanical repulsion of urchins by Desmarestia viridis 

To examine  the degree  to which  the wave‐induced movement of Desmarestia viridis 

fronds mechanically  repulses  sea  urchins, we  quantified  the  success  of  attack  by 

urchins  on D.  viridis  or  an  algal mimic  (defined  here  as  the  number  of urchins  in 

contact with  the  alga  or  the mimic)  in  five  treatments  in  a wave  tank:  (1)  in  the 

absence of D. viridis and waves (control), (2) in the presence of a cotton mop without 

waves  to measure  the  tendency  of  urchins  to  aggregate  on  a  chemically‐neutral, 

D. viridis‐like mimic,  (3)  in  the presence of D. viridis without waves  to quantify  the 

vulnerability of D. viridis in the absence of wave action, (4) in the presence of D. viridis 

with  waves  that  caused  a  5‐cm sweep  of  the  fronds,  and  (5)  in  the  presence  of 

D. viridis  with  waves  which  produced  a  10‐cm  sweep  of  the  fronds.  Sweep  was 

defined as the marginal extension of the area touched by the plant, and not the total 

displacement of any particular part of the alga. 

The wave  tank has been described previously  (see Gagnon  et al.,  2003a; but 

also Appendix 5.1). A pulley system allowed us to control the back and forth water 

motion and thus the amplitude of the sweeping action of D. viridis. The tank bottom 

measured  1.94 x 1.22 m  and was  completely  covered with  concrete  tiles with  their 

surface sculpted with undulations, holes and cracks  to simulate  the  irregularities of 

Page 114: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

102

the natural substratum. Each corner of the tank was illuminated by a 150 W floodlight 

positioned 90 cm above the bottom. For treatments with D. viridis or the algal mimic, 

either  a  new  plant  (50‐60  cm  in  length)  or  a mop  head  with  50‐cm  long  cotton 

filaments was attached with a plastic cable tie to an eye‐bolt at the center of the tank. 

For  the  treatments  with  water  motion,  the  system  was  set  up  to  generate 

23 wave cycles min‐1,  equivalent  to  the  wave  frequency  under  moderate  winds 

(P. Gagnon, personal observation). To manipulate the displacement of the algal frond, 

the  height  of  the  water  column  was  adjusted  to  alter  the  strength  of  the  waves 

(deeper water produced stronger waves). 

Urchins  (2  to  6  cm  in  test  diameter)  were  collected  in  July  2001  near 

Île aux Goélands,  and  then haphazardly  split  into  5 groups  of  275  individuals  that 

were  fed  every  third  day  with  the  kelp  Alaria  esculenta  until  the  end  of  the 

experiments.  The  trials  were  run  over  5  consecutive  days,  starting  2  d  after 

collection (sea water  temperature:  1.5  to  5.5  °C),  and  the  5 groups  of urchins were 

subjected  each  day  to  one  of  the  5  treatments  in  a  Latin  square  design. 

Desmarestia viridis  plants  were  freshly  collected  from  near  Île  aux  Goélands  the 

morning  of  each  trial  and  were  kept  continually  immerged  in  plastic  buckets 

provided  with  a  constant  inflow  of  seawater  to  avoid  the  release  of  chemical 

compounds induced by stagnation of the water or by exposition of the fronds to air. 

Mop  heads were  soaked  for  24  h  to minimize  possible  release  of  odors  from  the 

cotton filaments. To explore possible site differences, a second group of urchins was 

collected  two weeks  later  near  Île  du Havre  and  subjected  to  an  identical  second 

series of trials. Unexpectedly, water temperatures changed significantly between the 

two experiments, and thus the effect of site could not be separated from an effect of 

temperature. 

In  each of  50  trials,  the urchins were  first  evenly distributed over  the  entire 

tank bottom at a density of 116 m‐2, equivalent to an intermediate density of urchins 

on barrens in the Mingan Islands (Gagnon et al., 2003b; Gagnon et al., in press). After 

20, 40 and 60 min, we counted the number of urchins in contact with D. viridis or the 

Page 115: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

103

algal mimic and the number of urchins on the walls of the tank. We  interpreted the 

number of urchins on the walls as an index of the tendency of urchins to move within 

the tank. For those treatments with water motion, the urchins were allowed 1 min to 

attach  themselves  to  the bottom before  the motor was  turned on. Prior  to each new 

trial, the tank was drained, cleaned and refilled with fresh seawater. 

Effect of urchin density on attack success on Desmarestia viridis 

We explored the importance of urchin density in determining the frequency of urchin 

attacks  on  Desmarestia  viridis  by  quantifying  attacks  under  three  densities,  78 m‐2, 

136 m‐2 and 194 m‐2. These  trials were  run with water motion  that produced a 5‐cm 

sweep of the D. viridis fronds. On each of six sampling days (in late July and in early 

August), urchins  (2  to 6  cm  in diameter) were  collected near  Île aux Goélands and 

split into 3 groups to provide the necessary densities. The urchins were maintained in 

running seawater for 3‐5 h prior to the trials. The procedure was as described above 

(in the treatment with D. viridis with a 5‐cm sweep), except that each group of urchins 

was  used  for  just  one  trial  (order  chosen  at  random). Water  temperatures  varied 

between 3 and 7 °C.  

Field observations 

To  compare observations  in our wave  tank with  those  in  the  field, we  counted  the 

numbers of urchins  in contact with Desmarestia viridis plants at  times of contrasting 

hydrodynamic  conditions  at  Île  aux  Goélands.  The  urchins  in  contact  with 

8 haphazardly‐chosen D. viridis plants (37‐61 cm in length) were sampled when water 

motion was moderate  (slack  tide and  ~29 km h‐1 winds), and  again 4 d  later when 

there was low water motion (slack tide and ~9 km h‐1 winds). These conditions caused 

the plants to sweep a distance of 10‐15 and <2 cm, respectively. 

Statistical analysis 

We  used  a  three‐way  ANOVA  to  analyze  the  tendency  of  the  urchins  to  move 

towards  various  chemical  stimuli with  the  factors  of  Block  (3),  Treatment  (8),  and 

Page 116: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

104

Arm (3). We did not test for normality and homoscedasticity in the data as we treated 

the  analysis  as  a  particular  case  of  the  generalized  linear  models  (McCullagh 

& Nelder,  1989;  Proc  Genmod,  SAS  Institute  Inc.,  1999)  that  assumed  a  binomial 

distribution of the response variable (presence or absence of urchins in each arm). 

Repeated measures ANOVAs (Hand & Taylor, 1987) with two nested elements 

(Day of  sampling within  Site where  urchins were  collected  and Group  of  urchins 

within Site where urchins were collected) were used  to examine  the effect of water 

motion and algal movement on (1) the attack success of urchins on Desmarestia viridis 

and (2) the tendency of urchins to move within the wave tank. The factors were Site 

(urchins collected  from  Île aux Goélands or  Île du Havre), Day  (10 sampling days), 

Group (10 groups of urchins), Treatment (4 for the analysis on the attack success and 

5  for  the  tendency  of  urchins  to move)  and  Time  (after  20,  40  and  60 min).  Since 

variances in the first analysis were similar over time within any of the treatments and 

the correlation in the data over time was similar for all treatments, we used a pooled 

covariance structure in the ANOVA (Proc Mixed, Type = CS, SAS Institute Inc., 1999). 

However, because we detected fluctuations  in the variances over time  in the second 

analysis,  we  modeled  the  covariance  structure  with  a  heterogeneous  compound 

symmetry structure  (Proc Mixed, Type = CSH, SAS  Institute  Inc., 1999). We applied 

the  first  analysis  to  the  square‐root  transformed  data  to  obtain  normality  in  the 

distribution of  the data  for each observation  time, whereas  the second analysis was 

applied to the raw data, which were normally distributed for each observation time. 

The effects of urchin density on  (1)  the attack success of urchins on D. viridis 

and (2) the tendency of urchins  to move within the wave tank were analyzed using 

repeated measures ANOVAs with  the  factors Block  (6), Density  (low,  intermediate 

and  high  urchin  density),  and  Time  (after  20,  40  and  60 min).  Since we  detected 

fluctuations  in the variances over time  in both analyses, we modeled the covariance 

structure  with  a  heterogeneous  compound  symmetry  structure  (Proc  Mixed, 

Type = CSH, SAS Institute Inc., 1999). We applied both analyses to the raw data as the 

data for each observation time were normally distributed. 

Page 117: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

105

In  the  above  analyses,  normality was  verified  using  Shapiro‐Wilk’s  statistic 

(SAS  Institute  Inc.,  1999)  and  homoscedasticity  by  examining  the  graphical 

distribution of  the  residuals and by using Levene  test  (Snedecor & Cochran, 1989). 

To detect  differences  among  levels  within  a  factor,  we  used  least‐square  means 

multiple  comparisons  tests  (LS  means,  SAS  Institute  Inc.,  1999).  A  significance 

threshold of 0.05 was used for all statistical tests. 

Results 

Response of urchins to odors of Desmarestia viridis 

Our  Y‐maze  experiment  examining  the  chemotaxic  responses  showed  that  under 

certain  circumstances urchins discriminated odors  (Tables  5.1  and  5.2). The  similar 

numbers of urchins in the two arms in the control treatment (without stimuli at two 

temperatures)  indicated  that  there were  no  substantial  asymmetries  in  the  system 

(Table 5.2). However, the smaller proportion of the urchins that remained in the basal 

portion  of  the maze  at  the  higher  temperature  (19.2 %  at  10.3 °C  versus  41.7 %  at 

4.7 °C;  LS means,  P = 0.0002)  suggested  that  urchin  displacements  increased  with 

increasing temperature. There was no evidence of an effect of conspecifics (Table 5.2), 

but the  lower proportion of urchins that remained  in the basal portion compared to 

the  test without  conspecifics  at  4.7 °C  (LS means, P = 0.0054)  suggested  that  odors 

from conspecifics may also increase the tendency of urchins to move.  

The  response  to  chemical  odors  from  algae  provided  variable  results 

depending on  the algal species. Urchins had no reaction  to Alaria esculena, but  they 

were  either  repelled  or  attracted  to  Desmarestia  viridis,  depending  on  the  exact 

treatment. Nearly  1.5 times  as many  urchins moved  into  the  arm  containing  75  g 

of D. viridis as into the empty arm (LS means, P = 0.022; Table 5.2), demonstrating an 

attraction.  In  contrast,  the  response  to  larger  pieces  of  D. viridis  (250  g)  was  the 

opposite, and there was even greater repulsion at a higher temperature. 

Page 118: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

106

 

 

 

Table 5.1. Summary of the three‐way ANOVA (generalized linear model) examining the effect of Block (3 blocks of 4 replicates each), Treatment (8 stimuli), and Arm (3) on  the  chemotaxic  response  of  urchins  Strongylocentrotus  droebachiensis  to  various odors (the algae Desmarestia viridis and Alaria esculenta and other conspecifics) in the Y‐maze experiment. 

 

Source of variation  df  χ2 P 

       

Block  2  1.22         0.57 

Treatment  7  8.22         0.31 

Block x Treatment  14  5.77         0.97 

Arm  2  120.46       <0.0001 

Block x Arm  4  3.61         0.46 

Treatment x Arm  14  150.74       <0.0001 

Block x Treatment x Arm  28  51.68         0.0042 

       

 

Page 119: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

107

 

Table  5.2.  Directional  response  of  the  urchin  Strongylocentrotus  droebachiensis  to various  chemical  stimuli  in  a Y‐maze  choice  chamber. P‐values  are  from  statistical comparisons between the proportions of urchins that moved to the stimulus arm and the  empty  arm  or  to  the  two  empty  arms  in  the  control  tests  without  stimulus (LS means, P < 0.05). 

 

Treatment  Proportion of urchins (%)   

 

 

Stimulus 

 

Quantity 

(g) 

Sea water 

temperature 

(SD) (°C) 

 

Basal 

portion 

 

Stimulus 

arm 

 

Empty 

arm 

 

 

             

None  ‐  4.7 (1.3)  41.7  26.7  31.6      0.41 

None  ‐  10.3 (1.0)  19.2  40.0  40.8      0.89 

6 urchins  ‐  5.3 (0.5)  5.0  45.8  49.2      0.59 

             

A. esculenta  75  5.5 (0.7)  17.5  45.8  36.7      0.16 

A. esculenta  250  5.0 (0.0)  20.0  42.5  37.5      0.41 

             

D. viridis  75  5.8 (0.7)  30.0  41.7  28.3      0.022 

D. viridis  250  3.8 (1.7)  28.3  25.0  46.7      0.0005

D. viridis  250  11.1 (0.6)  10.8  25.8  63.4    <0.0001

             

 

Page 120: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

108

Mechanical repulsion of urchins by Desmarestia viridis 

Our wave tank trials showed that the number of urchins in contact with Desmarestia 

 viridis decreased sharply with an  increase  in  the amplitude of  the movement of  the 

alga  (Table  5.3;  Fig.  5.2).  In  trials with  urchins  from  Île  aux Goélands,  the  overall 

number of urchins  (the mean  for  the  three 20‐min  intervals) attacking a motionless 

D. viridis was more than an order of magnitude greater than for D. viridis with a 5‐cm 

sweep, and two orders of magnitude greater than for D. viridis with a 10‐cm sweep. 

Under  still  conditions,  D.  viridis  was  attacked  much  more  than  the  algal  mimic 

(LS means,  P = 0.0029),  suggesting  that  urchins  were  attracted  to  D.  viridis.  Our 

measurements at 20‐min  intervals  indicated  that  the  cumulative number of urchins 

on D. viridis increased only slightly after the first 20 min and then showed no further 

change with an increase in wave action and the sweeping motion of the alga (Fig. 5.2). 

Although the same pattern applied to the trials with urchins from Île du Havre, the 

attacks on both mimic and natural D. viridis were much greater (Fig. 5.2). The overall 

number of urchins in contact with both non‐sweeping D. viridis and the algal mimic 

was 2  to 3‐fold greater  for urchins  from  Île du Havre  than  for urchins  from  Île aux 

Goélands  (LS  means,  P < 0.0001).  Whereas  urchins  from  Île  aux  Goélands  were 

virtually unable to attack sweeping fronds of D. viridis, those from Île du Havre had 

some success in attacking D. viridis with a 5‐cm sweep. The lower water temperatures 

during  the  trials with urchins  from  Île  aux Goélands  (3.6 ± 1.4 °C)  relative  to  those 

with  urchins  from  Île  du  Havre  (8.0 ± 0.9 °C)  could  have  contributed  to  the 

differences seen between the two groups of urchins. 

The  numbers  of  urchins  on  the  walls  of  the  tank  indicated  that  urchin 

displacement varied markedly among treatments (Table 5.3; Fig. 5.2). The numbers of 

urchins  on  the  walls  were  similar  in  all  three  treatments  without  waves,  but 

decreased markedly with  increasing water motion  (Fig.  5.2). Urchins  from both  Île 

aux Goélands and  Île du Havre were >9  times more numerous on  the walls  in  the 

trials with non‐sweeping D. viridis  than  in  the  trials with 10‐cm‐sweeping D. viridis. 

 

Page 121: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

109

 

Table 5.3. Summary of  repeated measures ANOVAs  (mixed  linear model) showing the effect of the Site where the urchins Strongylocentrotus droebachiensis were collected (Île aux Goélands and Île du Havre), Day of sampling (10 days), the Group of urchins being tested (10 groups), Treatment (4 in the first analysis and 5 in the second), and Time  (observations at 20, 40 and 60 min) on  the number of urchins  in contact with Desmarestia viridis (or algal mimic) and on the walls of the wave tank. Data from the first analysis were  square‐root  transformed whereas  the  raw data were used  in  the second analysis. 

  

Source of variation (fixed effects) 

df (numerator) 

df (denominator)

 F‐value 

 P 

         In contact with D. viridis         Site  1  16  77.66       <0.0001 Day(Site)  8  16  0.97         0.49 Group(Site)  8  16  0.90         0.54 Treatment  3  16  74.42       <0.0001 Time  2  64  49.48       <0.0001 Site x Treatment  3  16  7.80         0.0020 Site x Time  2  64  2.13         0.13 Treatment x Time  6  64  3.56         0.0042 Site x Treatment x Time  6  64  1.26         0.29 

         On the walls of the tank         Site  1  24  0.26         0.62 Day(Site)  8  24  1.84         0.12 Group(Site)  8  24  0.90         0.53 Treatment  4  24  22.89       <0.0001 Time  2  80  132.50       <0.0001 Site x Treatment  4  24  0.18         0.94 Site x Time  2  80  0.78         0.46 Treatment x Time  8  80  15.65       <0.0001 Site x Treatment x Time  8  80  1.31         0.25 

         

 

Page 122: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

110

 

0

10

20

30

40

50

20 min

40 min

60 min

0

20

40

60

80

100

In contact with D. viridis

On the walls of the tank

No alga

or waves

Mimic

no

sweep

D. viridis

no

sweep

D. viridis

5-cm

sweep

D. viridis

10-cm

sweep

c

b

d d3.5 (1.0)

10.2 (1.9)

0.6 (0.2) 0.1 (0.1)

8.4 (1.2)

32.9 (3.7)

9.6 (1.3)

0.8 (0.3)

a

bb

d

48.9 (5.9) 53.4 (5.1)40.8 (5.5)

13.8 (1.9)

4.5 (0.5)

A AA

B

B

57.2 (7.9)

55.3 (7.3)

38.6 (4.2)

16.9 (2.9)

4.1 (0.6)

A

A

A

B

B

No alga

or waves

Mimic

no

sweep

D. viridis

no

sweep

D. viridis

5-cm

sweep

D. viridis

10-cm

sweep

Île aux Goélands Île du Havre

 

Fig.  5.2. Mean  number  (+ SE)  of  urchins  Strongylocentrotus  droebachiensis  in  contact with Desmarestia viridis or an algal mimic, and on the walls of the tank, during three consecutive  20‐min  intervals  in  trials  in  a wave  tank with  urchins  from  two  sites examining  the  effect  of  the  amplitude  of  the  sweeping motion  of D.  viridis. Mean values  for  the  three  20‐min  intervals  (± SE)  are  shown  above  bars. Treatments  not sharing the same letters are different (LS means tests, P < 0.05). 

Page 123: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

111

The measurements  at  20‐min  intervals  indicated  that  numbers  tended  to  level  off 

rapidly with  increasing water motion  (Fig.  5.2),  and  urchins  were  attached most 

firmly  at  the  end  of  trials  in  the  10‐cm  sweep  treatment  (P.  Gagnon,  personal 

observation).  Finally,  the  absence  of  significant  effects  of  either  Day(Site) 

or Group(Site)  in  the  analysis  on  the  effect  of water motion  and  algal movement 

indicated the repeated use of the same 5 groups of urchins did not affect the ability 

of urchins to attack D. viridis or climb onto the walls (Table 5.3). 

Effect of urchin density on attack success on Desmarestia viridis 

Our wave tank trials at a constant 5‐cm sweep of Desmarestia viridis showed that the 

number of urchins attacking plants increased with urchin density, but not in a linear 

fashion (Table 5.4; Fig. 5.3). The numbers (means for the three 20‐min intervals) were 

roughly  the  same  at  low  and  intermediate densities  (LS means, P = 0.83), but were 

more than 2‐ to 3‐fold greater at the highest density. The number of urchins attacking 

D. viridis  increased more rapidly during the high‐density trials than at either  low or 

intermediate densities.  Indeed,  the number of urchins attacking after 20 min  in  the 

high‐density  treatment was nearly  identical  to  that attained after 60 min at  low and 

intermediate densities (Fig. 5.3).  

Field observations 

Our  field observations of urchins  in contact with Desmarestia viridis plants  indicated 

that  the  urchins were much more  abundant  on  plants with  a  small  (<2 cm)  than 

a larger  (10‐15 cm) sweep, with 17.8  (SD = 2.9) and 0 urchins per plant, respectively, 

a pattern highly consistent with our observations in the wave tank experiments. Most 

of the urchins in contact with D. viridis had filaments of D. viridis in their jaws. 

Discussion 

Most studies of marine algal defenses against herbivory have described the effect of  

 

Page 124: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

112

 

 

 

 

Table 5.4. Summary of repeated measures ANOVAs (mixed linear model applied to raw  data)  showing  the  effect  of  Block  (6),  Density  of  urchins  Strongylocentrotus droebachiensis  (low,  intermediate  and  high),  and  Time  (observations  at  20,  40  and 60 min) on the number of urchins in contact with Desmarestia viridis. 

 

Source of variation (fixed effects) 

df (numerator) 

df (denominator)

 F‐value 

 P 

         Block  5  10  0.86         0.54 Density  2  10  9.12         0.0056 Time  2  30  34.54       <0.0001 Density x Time  4  30  6.15         0.0010 

         

 

Page 125: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

113

 

 

 

0

10

20

30

40

Low Intermediate High

a

b

ccc

c

ccd d

Urchin density

7.2 (1.2) 6.4 (1.2)

19.1 (2.5)

20 min

40 min

60 min

Fig.  5.3. Mean  number  (+ SE)  of  urchins  Strongylocentrotus  droebachiensis  in  contact with Desmarestia viridis during three consecutive 20‐min  intervals  in trials  in a wave tank at low (78 m‐2), intermediate (136 m‐2) and high (194 m‐2) urchin densities. Mean values for the three 20‐min intervals (± SE) are shown above bars. Bars not sharing the same letters, and treatments not bracketed by the same horizontal line (at the bottom) are different (LS means tests, P < 0.05). 

Page 126: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

114

single defensive traits, therefore neglecting possible additive or synergistic effects of 

multiple defenses (Hay, 1996). Our study of the highly acidic brown alga Desmarestia 

viridis  to  grazing  by  the  green  sea urchin,  Strongylocentrotus  droebachiensis,  showed 

that the chemical make‐up of the alga provides only limited protection from grazing. 

Rather, the survival of D. viridis in intensively‐grazed subtidal environments depends 

on  the  interaction  between  its  delicate,  finely‐branched  structure  and  the  physical 

environment. Waves  cause  fronds  to  sweep  back  and  forth  over  the  bottom  and 

maintain urchins at a distance. This finding contradicts the perception that chemical 

defenses are paramount in protecting acidic Desmarestiales species. 

Sea urchins are highly selective feeders that have been reported to detect food 

over  a  distance  of  several meters  (Vadas,  1977; Garnick,  1978;  Larson  et  al.,  1980; 

Mann  et  al.,  1984).  Multiple‐algae  choice  experiments  have  suggested  that 

Desmarestia spp.  are  avoided  by  urchins  (Himmelman,  1984;  Pelletreau  & Muller‐

Parker,  2002).  However,  feeding  experiments  and  field  observations  show  that 

urchins will  consume Desmarestia  species  in  the  absence  of  alternative  algal  foods 

(Himmelman & Steele, 1971; Cowen et al., 1982; Himmelman & Nédélec, 1990; Konar, 

2000).  Our  Y‐maze  study  demonstrated  that  D. viridis  can  even  attract  urchins, 

although  this  was  not  the  case  when  there  was  a  large  quantity  of  the  alga. 

Unexpectedly, we found no chemotaxic response of urchins to odors of the preferred 

food, Alaria esculenta. 

Temperature is likely a key factor affecting the foraging behavior of the green 

sea urchin as  it appears  to affect both  its ability  to respond  to odors and  the rate of 

displacement. In the Mingan Islands, seawater temperatures usually oscillate around 

6 °C during the summer (Gagnon et al., 2003b), although they rise to above 10 °C for 

several  days  on  two  or  three  occasions  each  year  (J. Himmelman  and  coworker’s 

personal observations). Urchin behavior varied with temperature in the control trials 

in  our  Y‐maze  study,  and  we  observed  increased  displacements  at  higher 

temperatures  as  reported  for  green  sea  urchins  (Mann  et  al.,  1984).  The  two 

treatments  in which urchins avoided odors of D. viridis were  those  conducted near 

Page 127: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

115

the  two  summer  temperature  extremes  for  the Mingan  Islands  (3.8  and  11.1  °C). 

At  5.0‐5.8  °C,  urchins were  attracted  to D. viridis,  but  not  to  their  preferred  food, 

Alaria  esculenta. Repulsion  of urchins  by D. viridis  at higher  temperatures  could  be 

related  to  increased acid release, but  this  is not  likely  the case at  low  temperatures. 

Avoidance  of  algae  by  green  sea  urchins  at  low  temperatures  was  reported  by 

Mann et  al.  (1984).  Attractiveness  towards  a  preferred  alga  (Laminaria longicruris) 

declined  with  temperature  and  urchins  were  even  repulsed  at  2 °C.  These 

inexplicable results might be related to changes in the behavior and physiology of the 

urchin at low temperatures. 

Although  there  is  indication  that  water  motion  can  affect  the  behavioral 

repertoire  of  animals  (e.g.,  displacement  and  feeding  rates,  Rochette  et  al.,  1994; 

Kawamata, 1998; Gagnon et al., 2003a; Siddon & Witman, 2003), including behaviors 

related  to predation, herbivory, and competition  (Cowen et al., 1982; Witman, 1987; 

Menge  et  al.,  1994),  our  study  is  the  first  to  manipulate  the  hydrodynamic 

environment  to evaluate  the possible deterrence of urchin attacks by wave‐induced 

movement  of  algal  fronds. Our wave  tank  trials demonstrated  that  the  number  of 

urchins attacking a motionless D. viridis plant was orders of magnitude greater than 

for plants moved about by waves. Moreover, the attack success of urchins on the alga 

was inversely related to the amplitude of the wave‐induced sweeping motion of the 

plants. This is consistent with our field observations that urchins attacks on D. viridis 

are  much  greater  during  calmer  conditions.  Thus,  both  our  laboratory  and  field 

observations show  that wave‐induced movements of D. viridis plays a major role  in 

protecting it from urchin grazing. 

Although the repulsion of urchins appears to be due primarily to the indirect 

effect of water motion  causing  sweeping of algal  fronds,  the urchins  could also be 

responding directly to water motion. This hypothesis is supported by the drop in the 

number of urchins on the walls of the tank with increasing water motion. In the trials 

with D. viridis, urchins were ~9 times more abundant on  the walls at  the end of  the 

trials with no sweep than in the trials with a 10‐cm sweep. Moreover, urchins did not 

Page 128: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

116

move after the first 20 min in the trials with the highest water motion. Current speeds 

peaked  at  ~0.15  and  0.30 m s‐1  for  5‐cm  and  10‐cm sweeping D.  viridis,  respectively 

(as measured with  a Doppler  current meter),  indicating  that  S. droebachiensis  stops 

moving at  current  speeds >0.30 m s‐1. This  threshold  current  speed  is  less  than half 

than  that  reported  in  studies of effects of current  speed on Strongylocentrotus nudus 

(~0.70 m s‐1, Kawamata, 1998). Thus, water motion protects D. viridis from attacks by 

S. droebachiensis  first  because  hydrodynamic  forces  (e.g.,  drag,  lift  and  acceleration 

forces) decrease urchin movement and second due to the repulsion of urchins by the 

sweeping of fronds. Given this hierarchical relationship, the deterrence of urchins by 

the  sweeping  of  algal  fronds may  only  be  important  at  intermediate  flow  speeds 

when urchins are still moving.  

The  formation of dense aggregations appears  to be an  important part of  the 

foraging strategy of S. droebachiensis (Garnick, 1978; Bernstein et al., 1983; Vadas et al., 

1986), and can lead to the formation of grazing fronts than can advance through kelp 

beds  at  a  rate  of  up  to  4.0 m month‐1. However,  this  only  appears  to  occur when 

urchins  attain  a  critical  biomass  (Breen  &  Mann,  1976b;  Scheibling  et  al.,  1999; 

Gagnon et al.,  in press). Our experiments demonstrate the key role of density  in the 

interaction between urchins and macroalgae. The relation of attack success to urchin 

density is not linear but involves a threshold density, as with the formation of grazing 

fronts.  Our  wave  tank  trials  at  different  current  speeds  suggest  that  the  critical 

density increases with increased wave conditions. 

In the Mingan Islands, D. viridis occurs exclusively on urchin barrens. Our field 

observations  indicate  that  urchins  readily  accumulate  on,  and  consume  D.  viridis 

under  still  conditions, but  that urchins avoid  this alga when  the  fronds move back 

and  forth with wave action. Thus, D. viridis  is  less well defended  in  the absence of 

waves,  and  the  chemical  composition  of  D.  viridis  alone  seems  to  provide  little 

protection  from  grazing. Why  D. viridis  produces  acid  remains  unclear.  Perhaps, 

small amounts of acid are released when the fronds are swept across surfaces and act 

synergistically  with  water  motion  to  repel  grazers,  or  the  acid  is  more  effective 

Page 129: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

117

against less voracious grazers (e.g., amphipods). The chemical defense may also only 

be effective when more palatable algae are present. Alternatively, the primary role of 

acid may not be a grazer deterrent, but rather act as an allelochemical or anti‐fouling 

substance  as  shown  for  sulfuric  acid  and  other  chemicals  in  various  species 

interactions  (Stoecker,  1978; Hay,  1996).  Finally, D. viridis  occurs  in many  regions 

(Peters et al., 1997), and its capacity to produce acid might have evolved in response 

to factors in other communities, and may not be a trait which provides advantages in 

the northern Atlantic region.  

Our  study  is  the  first  to  examine  the  interaction  between  chemical, 

morphological  and  hydrodynamic  factors  in  providing  an  alga  with  protection 

against herbivory. We  show  that  the  survival of D.  viridis  in  an  intensively‐grazed 

environment  largely  depends  on  its  delicate  structure.  This  contrasts  with  the 

strategy  of  producing  heavily  calcified  tissues  as  used  by  the  coralline  algae 

commonly  found  on  urchin  barrens  (Steneck,  1986).  Beyond  the  documentation 

of this  novel  plant  defense, we  have  shown  how  the  direct  and  indirect  effects  of 

water motion  can modulate  species  interactions,  further providing  evidence  of  the 

importance of hydrodynamic  factors  in structuring of marine communities (Lissner, 

1983; Witman & Dayton,  2001; Gagnon  et  al.,  2003a).  Finally, we  demonstrate  the 

need  to  integrate a variety of biotic and abiotic variables,  including algal chemistry 

and morphology, water motion and temperature, and the abundance of predators, in 

studies of algal defenses. 

Page 130: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

118

Appendix 5.1 

 

Wave  tank  system.  a)  The  rotational  force  generated  by  a  2‐HP  electric motor  is transmitted  through  a  series  of  pillow  blocks,  axles,  pulleys,  and  belts. (b) A perforated bar welded to the last axle (enlarged in the upper‐left corner, reverse view)  is  connected  to  the  nearest  of  two plywood panels  hinged  to  the  bottom  of the wave tank. Two metal bars connecting the top of the first panel with the top of the second causes the two panels to move back and forth in parallel producing oscillating waves.

Page 131: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

      

Chapitre VI 

    

Conclusion générale 

Page 132: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

120

Mon étude augmente notre connaissance des  facteurs et mécanismes qui contrôlent 

les communautés végétales de la zone infralittorale rocheuse de l’archipel de Mingan. 

D’une part,  elle  constitue  l’examen  le plus détaillé de  l’évolution  temporelle de  la 

distribution  et  de  l’abondance  des macrophytes  et  quantifie  pour  la  première  fois 

l’impact du broutage de l’oursin vert, Strongylocentrotus droebachiensis, sur la structure 

et  la  régulation  des  assemblages  algaux.  D’autre  part,  elle  identifie  certains 

mécanismes  de  défense  qui  permettent  aux  juvéniles  d’Agarum  cribrosum  et  à 

Desmarestia viridis, les deux macrophytes dominants en zone dénudée, de résister au 

broutage de l’oursin vert. 

Dynamique de répartition des macrophytes 

Le  premier  volet  de  l’étude  démontre  que  la  distribution  et  l’abondance  des 

macrophytes  varient  grandement  selon  (1)  la  communauté  (zone des  laminaires  et 

zone dénudée),  (2)  la période de  l’année et  (3)  la  localité  (site) considérées. Les plus 

grandes  fluctuations  surviennent dans  la communauté des  laminaires; pendant que 

certaines ceintures reculent de plusieurs mètres en quelques mois, d’autres avancent 

de façon tout aussi substantielle. Une large part de cette variabilité est attribuable au 

broutage  de  l’oursin  vert  qui  limite,  de  façon  prononcée,  le  recrutement  et  la 

succession algale, tel que démontré lors de l’exclusion d’oursins en zone dénudée. La 

concordance entre la position des fronts d’oursins et la position de la limite inférieure 

des ceintures  tout au  long de  l’étude  indique que  l’effet du broutage se répercute à 

l’échelle  côtière  en  contrôlant  la  pénétration  en  profondeur  des  ceintures  de 

laminaires.  Les  retraits  de  ceintures  les  plus  marqués  surviennent  pendant  l’été, 

lorsque  les  fronts  de  broutage  s’intensifient,  alors  que  la  recolonisation  a  lieu 

principalement en hiver,  lorsque  les populations d’oursins aux abords des ceintures 

s’atténuent. L’efficacité d’un front de broutage à détruire une ceinture de laminaires 

tend  à  augmenter  avec  la  biomasse  d’oursins  dans  le  front.  Cette  efficacité  serait 

toutefois  affectée par  la  composition végétale des  ceintures. En  effet, mes  résultats 

indiquent que la progression ascendante d’un front est retardée au contact d’agrégats 

d’Agarum  cribrosum  et  suggèrent  fortement  que  l’établissement  de  larges  bandes 

Page 133: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

121

d’A. cribrosum en marge  inférieure des ceintures de  laminaires augmente  la stabilité 

de ces dernières. Mes observations  suggèrent que  l’abrasion par  les glaces en hiver 

provoque de grandes  fluctuations dans  les populations d’oursins  (par mortalité ou 

dispersion des oursins). 

  En zone dénudée,  la  stabilité  temporelle de  la distribution et de  l’abondance 

des macrophytes  charnus peut être étonnamment élevée malgré  la  forte abondance 

d’oursins, comme c’est notamment  le cas d’A. cribrosum. Les agrégats d’A. cribrosum 

persistent pendant des périodes de plusieurs années (au moins deux ans), avec même 

un  léger  taux d’accroissement. La résilience élevée des agrégats aux perturbations à 

fine  échelle  (m)  en  fait  un  habitat  relativement  stable  qui  favorise  le  recrutement 

algal, comme en témoigne l’abondance plus élevée de la rhodophycée Ptilota serrata et 

des juvéniles d’A. cribrosum à l’intérieur qu’à l’extérieur des agrégats. Le recrutement 

accru  sous  la  canopée d’A. cribrosum  s’expliquerait  en partie par une  réduction du 

broutage  de  l’oursin  dont  l’abondance  sous  la  canopée  est  faible  (les  oursins  sont 

majoritairement  localisés  à  l’extérieur  des  agrégats).  Les  agrégats  d’A.  cribrosum 

affectent  donc  positivement  le  reste  de  la  communauté  végétale  en  contribuant  à 

l’augmentation de la survie algale en zone dénudée. 

Mécanismes de défense des macrophytes 

Le  second  volet de  l’étude démontre que  la  survie  algale  en  zone dénudée  repose 

fondamentalement  sur  la modulation  des  interactions macrophytes‐oursins  par  les 

propriétés  hydrodynamiques  du milieu.  L’examen  de  la  distribution  des  juvéniles 

d’Agarum cribrosum en zone dénudée révèle qu’ils sont nettement plus nombreux sur 

les  aires  balayées  par  les  plants  de  Desmarestia  viridis  qu’en  zone  ouverte. 

L’abondance des juvéniles sous un plant de D. viridis augmente avec la taille du plant 

et  décroît  avec  l’augmentation  de  la  distance  par  rapport  au  centre  du  plant. Au 

contraire, l’oursin est plus abondant à l’extérieur que sous un plant de D. viridis et son 

abondance augmente avec  la distance par rapport au centre du plant. Ce patron de 

distribution serait principalement attribuable au mouvement de balayage de D. viridis 

causé par les vagues, lequel mouvement empêcherait la pénétration des oursins sous 

Page 134: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

122

la canopée, résultant en une diminution du broutage de  l’oursin sous  la canopée et, 

par  conséquent,  en  un  taux  de  survie  accru  des  juvéniles.  Les  juvéniles  sont 

vulnérables au broutage de l’oursin; en moins de quatre jours, un juvénile dépourvu 

d’un couvert de D. viridis subit une perte moyenne de plus de 50 % de sa  longueur, 

alors  que  cette  perte  n’est  que  de  3 %  avec  couvert.  Même  si  la  croissance  des 

juvéniles  sous D.  viridis  est  légèrement  diminuée  par  rapport  à  leur  croissance  en 

zone ouverte, cette perte est nettement compensée par le gain de protection contre le 

broutage découlant de l’association. Mes résultats indiquent donc que la défense par 

association  avec  D.  viridis  augmente  considérablement  la  survie  des  juvéniles 

d’A. cribrosum. Cette association défensive éphémère (D. viridis disparaît à l’automne) 

est  proposée  comme  étape  de  succession menant  à  la  formation  d’agrégats  adulte 

d’A. cribrosum. 

  L’investigation, en milieu contrôlé, de la réponse comportementale de l’oursin 

face  à D.  viridis  révèle  que  la  propriété  répulsive  de  l’algue  est  davantage  liée  à 

l’interaction  entre  ses  attributs  morphologiques  et  l’action  des  vagues,  qu’à  sa 

composition chimique. En l’absence de vagues, les oursins s’agrègent rapidement sur 

l’algue immobile, alors qu’ils l’évitent en eau agitée, lorsque l’algue balaie le substrat. 

L’intensité des attaques, telle que déterminée par le nombre d’oursins en contact avec 

l’algue,  diminue  avec  l’augmentation  de  la  force  des  vagues  et  augmente  avec 

l’abondance  des  oursins.  Le  déplacement  de  l’oursin  et  l’intensité  de  ses  attaques 

contre D. viridis semblent augmenter avec l’accroissement de la température. L’oursin 

n’est  repoussé  par  l’odeur  de  D. viridis  qu’à  des  températures  correspondant  aux 

extrêmes estivaux dans l’archipel de Mingan. Ces résultats, couplés aux observations 

in  situ  d’agrégats  d’oursins  s’alimentant  aisément  sur  D. viridis  en  eau  calme, 

indiquent que la composition chimique de l’algue (e.g., acide sulfurique) ne contribue 

que faiblement à la défense de l’algue contre le broutage de l’oursin. 

Portée de l’étude 

Mon  étude  contribue de plusieurs  façons  à  l’avancement de notre  connaissance de 

l’écologie des communautés végétales marines et des interactions plantes‐herbivores:  

Page 135: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

123

1) Elle identifie l’oursin vert, Strongylocentrotus droebachiensis, comme facteur‐clé dans 

la régulation de  la distribution et de  l’abondance des macrophytes dans  l’archipel 

de  Mingan  et  fournit  la  première  preuve  quantitative  que  d’importantes 

fluctuations  saisonnières  surviennent  dans  les  populations  d’oursins  et  de 

macrophytes, tant au niveau de leur abondance que de leur structure de taille; 

2) Elle  est  la  seule  étude  ayant quantifié  la dynamique de  répartition naturelle des 

assemblages algaux infralittoraux dans le golfe du Saint‐Laurent (et l’une des rares 

dans  le  nord‐ouest  de  l’Atlantique).  Ce  genre  d’étude  est  essentiel  à  notre 

compréhension du fonctionnement de cet écosystème dans  lequel  les assemblages  

algaux sont d’une grande importance pour le reste de la communauté; 

3) Elle  identifie  les  interactions  positives  (e.g.,  refuge  par  association)  comme 

mécanisme  important  pour  la  survie  algale  infralittorale  et  fournit,  du  coup,  un 

argument de poids aux écologistes de plus en plus nombreux à reconnaître l’impact 

significatif  de  telles  interactions  dans  la  structure  et  la  régulation  des 

communautés; 

4) Elle  souligne  l’importance d’examiner plusieurs  facteurs biotiques  (e.g.,  attributs 

morphologiques  et  chimiques  des  plantes  et  abondance  de  l’herbivore)  et  de 

mesurer  l’impact de variations dans  les paramètres physiques  (e.g.,  température, 

conditions hydrodynamiques) dans les études d’interactions plantes‐herbivores; 

5) Elle fournit la première preuve expérimentale quantitative que l’hydrodynamisme 

peut moduler  les  interactions plantes‐herbivores en milieu marin en exerçant à  la 

fois un effet direct et indirect sur la quête alimentaire d’un herbivore. 

La  plupart  des  modèles  élaborés  pour  tenter  d’expliquer  la  structure  des 

communautés  ont  accordé une grande  importance  aux  interactions négatives  telles 

que la prédation et la compétition (e.g., zones intertidale et infralittorale). Cet intérêt 

scientifique  élevé  pour  les  interactions  négatives  a  relégué  en  arrière‐plan  les 

interactions positives dont la reconnaissance de l’importance, en tant que mécanisme 

structurant  les  communautés,  s’est  accrue  au  cours  des  dernières  années 

Page 136: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

124

(e.g., marais salés).  Les  interactions  positives,  telles  que  le  mutualisme  et  le 

commensalisme,  s’opèrent  par  l’entremise  d’espèces  fondatrices  dont  la  présence 

améliore  la  qualité  d’un  habitat  (pour  un  ou  plusieurs  autres  organismes  de  la 

communauté)  en  modifiant  ses  propriétés  physico‐chimiques  ou  en  augmentant 

l’hétérogénéité de l’environnement, créant ainsi des refuges spatiaux contre les stress 

environnementaux  ou  la  prédation.  Dans  un  environnement  où  la  prédation  est 

élevée et le recrutement des proies est faible, les interactions positives peuvent  jouer 

un  rôle  important dans  la structure des communautés et contribuer à augmenter  la 

diversité spécifique. 

Mon étude s’inscrit bien dans ce récent mouvement de reconnaissance du rôle 

communautaire important que peuvent  jouer les interactions positives. En effet, mes 

résultats  indiquent  que  l’oursin  vert  exerce  une  prédation  considérable  sur  les 

communautés algales infralittorales de l’archipel de Mingan, résultant en une baisse  

marquée  de  l’abondance  de  plusieurs  espèces  (e.g.,  laminaires).  Néanmoins,  les 

formes  adultes  (résistantes  au  broutage  de  l’oursin)  des  phaéophycées 

Agarum cribrosum  et  Desmarestia  viridis  contribuent  au  maintien  de  la  diversité 

végétale  en  zone  dénudée.  Les  agrégats  d’A.  cribrosum  et  les  plaques  de D.  viridis 

augmentent l’hétérogénéité spatiale de la zone dénudée et forment des micro‐habitats 

répulsifs à  l’oursin vert et à  l’intérieur desquels  le  recrutement algal  (e.g.,  juvéniles 

d’A. cribrosum  et Ptilota  serrata)  est nettement plus  élevé  qu’en milieu  ouvert. À  ce 

titre, A.  cribrosum  et D. viridis  semblent  représenter deux  espèces  fondatrices,  l’une 

(A. cribrosum) exerçant un effet positif sur une période potentielle de plusieurs années 

(espèce  pérenne),  l’autre  (D.  viridis)  sur  une  période  de  quelques  mois  (espèce 

annuelle). Peu étudiées,  les  interactions algales positives,  telles que décrites  ici dans 

l’archipel  de  Mingan  (e.g., refuge  par  association),  pourraient  s’avérer  d’une 

importance sous‐estimée dans la structure des communautés infralittorales marines. 

Nouvelles questions et hypothèses 

Mes travaux ont soulevé d’intéressantes questions et généré de nouvelles hypothèses 

qui méritent un examen attentif: 

Page 137: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

125

1) Les  patrons  de  variation  observés  dans  la  distribution  et  l’abondance  des 

macrophytes sont‐ils représentatifs des patrons à plus grande échelle? La réponse à 

cette  question  passe  impérativement  par  le  recours  à  une  méthode  plus 

performante que la plongée sous‐marine utilisée dans le cadre de cette étude et ne 

pouvant  suffire  à  quantifier  de  tels  patrons  que  sur  de  courtes  distances 

(e.g, une centaine de mètres) au prix d’investissements  considérables en  temps et 

efforts  de  plongée.  L’utilisation  de  la  cartographie  infralittorale  par  imagerie 

aérienne, bien que plus onéreuse que la plongée, s’avère extrêmement prometteuse 

(des percées majeures dans ce domaine sont en cours) et se justifie par la réduction 

substantielle du temps et des efforts d’échantillonnage ainsi que par l’élargissement 

considérable  des  échelles  spatiales  et  temporelles  (i.e.,  sur  des  centaines  de 

kilomètres  et pendant des décennies). La distribution  en  faible profondeur de  la 

plupart des macrophytes et  la clarté habituelle de  l’eau dans  le nord du golfe du 

Saint‐Laurent favorisent l’utilisation des techniques de photographies aériennes; 

2) L’abrasion hivernale et printanière par  les glaces exerce un  impact notable sur  la 

structure des communautés intertidales dans le golfe et l’estuaire du Saint‐Laurent. 

Mes résultats  indiquent que  l’effet des glaces dans  l’archipel de Mingan s’étend à 

des  profondeurs  pouvant  dépasser  5  m  et  que  l’établissement  de  la  laminaire 

Agarum cribrosum survient principalement en hiver. Il serait souhaitable de mener 

d’autres études afin de tester rigoureusement les deux hypothèses selon lesquelles 

l’abrasion  par  les  glaces  (1)  contrôle  les  populations  d’oursins  en  causant  la 

mortalité de ces derniers ou en provoquant leur migration en zones plus profondes 

et (2) facilite l’établissement d’A. cribrosum en zone dénudée; 

3) La présence de Desmarestia viridis en zone dénudée augmente nettement  la survie 

des juvéniles d’A. cribrosum en procurant à ces derniers un refuge éphémère contre 

le broutage de  l’oursin. Une  investigation  sur une plus  longue période que  celle 

impliquée dans  cette  étude  (i.e.,  >5 mois),  incluant  le  suivi de  juvéniles  avant  et 

après la période hivernale, est requise afin d’évaluer l’importance de ce refuge par 

association dans la formation d’agrégats adultes d’A. cribrosum; 

Page 138: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

126

4) Mes  résultats  indiquent que  le  taux de  retrait des  ceintures de  laminaires  tend à 

augmenter  avec  la  biomasse  d’oursins  dans  les  fronts  de  broutage.  Il  semble 

toutefois  que  cette  relation  ne  s’applique  pas  à  l’ensemble  des  sites  étudiés  et 

qu’elle puisse même changer de façon saisonnière. D’autres suivis temporels de la 

position de  la  limite  inférieure des  ceintures de  laminaires  et de  la  structure des 

fronts  d’oursins,  incluant  une  taille  échantillonnale  accrue  et  des  mesures 

automnales et hivernales, sont  requis afin de mieux caractériser  le comportement 

de cette relation; 

5) L’exploitation commerciale des stocks naturels d’oursins dans l’archipel de Mingan 

est‐elle possible et si oui, comment procéder? Mes résultats indiquent qu’une telle 

pratique  devrait  cibler  les  fronts  de  broutage  aux  abords  des  ceintures  de 

laminaires  où  l’abondance  et  la  taille  des  oursins  sont  supérieures 

comparativement à tout autre endroit du littoral. Ceci favoriserait la récolte rapide 

des  individus  les  plus  susceptibles  de  rencontrer  les  standards  commerciaux 

(e.g., taille  du  test  et  index  gonado‐somatique). D’autre  part,  l’élevage  de  stocks 

d’oursins  en  mer  (sea  ranching)  pourrait  s’effectuer  par  l’adition  d’oursins  à 

l’intérieur  d’ouvertures  pratiquées  dans  de  larges  agrégats  d’A. cribrosum. 

Les oursins  seraient alors contenus par cette barrière algale naturelle, nourris par 

l’apport  anthropique  de macrophytes  et  retirés  à  l’approche  de  l’hiver  afin  de 

prévenir d’éventuelles pertes d’oursins causées par l’abrasion par les glaces. 

Page 139: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

127

Bibliographie 

Ackerman J.D. & Okubo A. (1993). Reduced mixing in a marine macrophyte canopy. Funct. Ecol. 7: 305‐309. 

Anderson R.J. & Velimirov B. (1982). An experimental investigation of the palatability of kelp bed  algae  to  the  sea urchin Parechinus  angulosus Leske. Mar. Ecol.  3: 357‐373. 

Archambault D. &  Bourget  E.  (1983).  Importance  du  régime  de  dénudation  sur  la structure et la succession des communautés intertidales de substrat rocheux en milieu subarctique. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 40: 1278‐1292. 

Atsatt P.R. & OʹDowd D.J. (1976). Plant defense guilds. Many plants are functionally interdependent with respect to their herbivores. Science 193: 24‐29. 

Balch T. & Scheibling R.E. (2000). Temporal and spatial variability in settlement and recruitment  of  echinoderms  in  kelp  beds  and  barrens  in Nova  Scotia. Mar. Ecol. Prog. Ser. 205: 139‐154. 

Bazhin A.G. (1998). The sea urchin genus Strongylocentrotus in the seas of Russia. In: Mooi R. & Telford M. (Eds.), Echinoderms: San Francisco. Balkema, Rotterdam, pp. 563‐566. 

Becerra  J.X., Venable D.L., Evans P.H. & Bowers W.S.  (2001).  Interactions  between chemical  and  mechanical  defenses  in  the  plant  genus  Bursera  and  their implications for herbivores. Amer. Zool. 41: 865‐876. 

Bégin C. (2002). Influence de la couverture algale sur les communautés dʹinvertébrés benthiques  dans  le  nord  du  Golfe  du  St‐Laurent. M.Sc.  Thesis,  Université Laval, Québec. 

Begon M., Harper J.L. & Townsend C.R. (1996). Ecology. Blackwell Science, Oxford. Benedetti‐Cecchi  L.  (2000).  Predicting  direct  and  indirect  interactions  during 

succession in a mid‐littoral rocky shore assemblage. Ecol. Monogr. 70: 45‐72. Bergeron  P. &  Bourget  E.  (1984).  Effet  du  froid  et  des  glaces  sur  les  peuplements 

intertidaux  des  régions  nordiques  particulièrement  dans  lʹestuaire  du  Saint‐Laurent. Oceanis 10: 279‐304. 

Bernstein B.B., Williams B.E. & Mann K.H. (1981). The role of behavioral responses to predators  in modifying urchinsʹ  (Strongylocentrotus  droebachiensis) destructive grazing and seasonal foraging patterns. Mar. Biol. 63: 39‐49. 

Bernstein  B.B.,  Schroeter  S.C.  & Mann  K.H.  (1983).  Sea  urchin  (Strongylocentrotus droebachiensis)  aggregating  behavior  investigated  by  a  subtidal multifactorial experiment. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 40: 1975‐1986. 

Bertness M.D. & Callaway  R.  (1994).  Positive  interactions  in  communities.  Trends Ecol. Evol. 9: 191‐193. 

Bologna  P.A.X. &  Steneck  R.S.  (1993). Kelp  beds  as  habitats  for American  lobster Homarus americanus. Mar. Ecol. Prog. Ser. 100: 127‐134. 

Page 140: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

128

Bolser R.C. & Hay M.E. (1996). Are tropical plants better defended? Palatability and defenses of temperate vs. tropical seaweeds. Ecology 77: 2269‐2286. 

Bourget E., Archambault D. & Bergeron P. (1985). Effet des propriétés hivernales sur les  peuplements  épibenthiques  intertidaux  dans  un  milieu  subarctique, lʹestuaire du Saint‐Laurent. Nat. Can. 112: 131‐142. 

Branch G.M.  (1975). Mechanisms  reducing  intraspecific  competition  in Patella  spp.: migration, differentiation and territorial behaviour. J. Anim. Ecol. 44: 575‐600. 

Brawley S.H. (1992). Mesoherbivores. In: John D.M., Hawkins S.J. & Price J.H. (Eds.), Plant‐animal  interactions  in  the  marine  benthos.  Oxford  University  Press, Oxford, pp. 235‐263. 

Breen P.A. & Mann K.H. (1976a). Changing lobster abundance and the destruction of kelp beds by sea urchins. Mar. Biol. 34: 137‐142. 

Breen  P.A.  & Mann  K.H.  (1976b).  Destructive  grazing  of  kelp  by  sea  urchins  in eastern Canada. J. Fish. Res. Bd. Can. 33: 1278‐1283. 

Briscoe  C.S.  &  Sebens  K.P.  (1988).  Omnivory  in  Strongylocentrotus  droebachiensis (Müller)  (Echinodermata: Echinoidea): predation on  subtidal mussels.  J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 115: 1‐24. 

Brown B.J. & Ewel J.J. (1987). Herbivory in complex and simple tropical successional ecosystems. Ecology 68: 108‐116. 

Brown V.K. & Gange A.C. (1992). Secondary plant succession: how is it modified by insect herbivory? Vegetatio 101: 3‐13. 

Bruno  J.F. & Bertness M.D.  (2001). Habitat modification  and  facilitation  in  benthic marine communities. In: Bertness M.D., Gaines S.D. & Hay M.E. (Eds.), Marine community ecology. Sinauer Associates, Sunderland, pp. 201‐218. 

Bulleri F., Benedetti‐Cecchi L. & Cinelli F. (1999). Grazing by the sea urchins Arbacia lixula L. and Paracentrotus lividus Lam. in the Northwest Mediterranean. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 241: 81‐95. 

Callaway R.M. (1995). Positive interactions among plants. Bot. Rev. 61: 306‐349. Callaway R.M., Kikvidze Z. & Kikodze D.  (2000). Facilitation by unpalatable weeds 

may  conserve  plant  diversity  in  overgrazed  meadows  in  the  Caucasus Mountains. Oikos 89: 275‐282. 

Carpenter  R.C.  (1986).  Partitioning  herbivory  and  its  effects  on  coral  reef  algal communities. Ecol. Monogr. 56: 345‐363. 

Castilla  J.C. & Crisp D.J.  (1970). Responses of Asterias  rubens  to olfactory  stimuli.  J. Mar. Biol. Assoc. UK. 50: 829‐847. 

Cetrulo  G.L.  &  Hay  M.E.  (2000).  Activated  chemical  defenses  in  tropical  versus temperate seaweeds. Mar. Ecol. Prog. Ser. 207: 243‐253. 

Chapman A.R.O. (1981). Stability of sea urchin dominated barren grounds following destructive grazing of kelp in St. Margaretʹs Bay, eastern Canada. Mar. Biol. 62: 307‐311. 

Page 141: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

129

Chapman A.R.O. & Johnson C.R. (1990). Disturbance and organization of macroalgal assemblages in the Northwest Atlantic. Hydrobiologia 192: 77‐121. 

Chapman M.G.  &  Underwood  A.J.  (1992).  Foraging  behaviour  of marine  benthic grazers.  In:  John  D.M.,  Hawkins  S.J.  &  Price  J.H.  (Eds.),  Plant‐animal interactions  in  the marine  benthos. Oxford University Press, New York, pp. 289‐317. 

Charnov E.L.  (1976). Optimal  foraging,  the marginal  value  theorem. Theor. Popul. Biol. 9: 129‐136. 

Coley  P.D. &  Barone  J.A.  (1996). Herbivory  and  plant  defenses  in  tropical  forests. Annu. Rev. Ecol. Syst. 27: 305‐335. 

Connell J.H. (1961). The influence of interspecific competition and other factors on the distribution of the barnacle Chthamalus stellatus. Ecology 42: 710‐723. 

Connell J.H. & Slatyer R.O. (1977). Mechanisms of succession in natural communities and  their  role  in  community  stability  and  organization. Am. Nat.  111:  1119‐1144. 

Conover W.J.  (1980).  Practical Nonparametric  Statistics.  John Wiley  &  Sons, New York. 

Cowen  R.K.,  Agegian  C.R.  &  Foster M.S.  (1982).  The maintenance  of  community structure  in  a  central California giant kelp  forest.  J. Exp. Mar. Biol. Ecol.  64: 189‐201. 

Crowder M.J. & Hand D.J. (1990). Analysis of repeated measures. Chapman & Hall, London. 

Davidson D.W.  (1993).  The  effects  of  herbivory  and  granivory  on  terrestrial  plant succession. Oikos 68: 23‐35. 

Dayton  P.K.  (1985a).  The  structure  and  regulation  of  some  South  American  kelp communities. Ecol. Monogr. 55: 447‐468. 

Dayton P.K. (1985b). Ecology of kelp communities. Annu. Rev. Ecol. Syst. 16: 215‐245. Dayton P.K., Tegner M.J., Parnell P.E. & Edwards P.B.  (1992). Temporal and spatial 

patterns  of  disturbance  and  recovery  in  a  kelp  forest  community.  Ecol. Monogr. 62: 421‐445. 

Dayton  P.K.,  Currie V., Gerrodette  T.,  Keller  B.D.,  Rosenthal  R. &  Ven  Tresca D. (1984).  Patch  dynamics  and  stability  of  some  California  kelp  communities. Ecol. Monogr. 54: 253‐289. 

Dean  T.A.  &  Jacobsen  F.R.  (1984).  Growth  of  juvenile  Macrocystis  pyrifera (Laminariales) in relation to environmental factors. Mar. Biol. 83: 301‐311. 

Dean T.A., Schroeter S.C. & Dixon J.D. (1984). Effects of grazing by two species of sea urchins  (Strongylocentrotus  franciscanus  and  Lytechinus  anamesus)  on recruitment  and  survival  of  two  species  of  kelp  (Macrocystis  pyrifera  and Pterygophora californica). Mar. Biol. 78: 301‐313. 

Page 142: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

130

Draper N.R. & Smith H. (1981). Applied regression analysis. John Wiley & Sons, New York. 

Duffy J.E. & Hay M.E. (1990). Seaweed adaptations to herbivory. BioScience 40: 368‐375. 

Duffy  J.E.  &  Hay  M.E.  (2000).  Strong  impacts  of  grazing  amphipods  on  the organization of a benthic community. Ecol. Monogr. 70: 237‐263. 

Duffy  J.E. & Hay M.E.  (2001). The ecology and evolution of marine consumer‐prey interactions.  In:  Bertness  M.D.,  Gaines  S.D.  &  Hay  M.E.  (Eds.),  Marine community ecology. Sinauer Associates, Sunderland, pp. 131‐157. 

Duggins D.O. (1980). Kelp beds and sea otters: an experimental approach. Ecology 61: 447‐453. 

Duggins D.O. (1981). Sea urchins and kelp: the effects of short term changes in urchin diet. Limnol. Oceanogr. 26: 391‐394. 

Duggins  D.O.,  Eckman  J.E.  &  Sewell  A.T.  (1990).  Ecology  of  understory  kelp environments.  II.   Effects of kelps on  recruitment of benthic  invertebrates.  J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 143: 27‐45. 

Ebeling A.W., Laur D.R. & Rowley R.J. (1985). Severe storm disturbances and reversal of community structure in a southern California kelp forest. Mar. Biol. 84: 287‐294. 

Eckman  J.E.,  Duggins  D.O.  &  Sewell  A.T.  (1989).  Ecology  of  understory  kelp environments.  I.  Effects  of  kelps  on  flow  and  particle  transport  near  the bottom. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 129: 173‐187. 

Emlen J.M. (1966). The role of time and energy in food preference. Am. Nat. 100: 611‐617. 

Eppley R.W. & Bovell C.R. (1958). Sulfuric acid in Desmarestia. Biol. Bull. 115: 101‐106. Estes  J.A.,  Smith N.S. & Palmisano  J.F.  (1978).  Sea  otter predation  and  community 

organization in the western Aleutian Islands, Alaska. Ecology 59: 822‐833. Falk‐Petersen I.‐B. & Lonning S. (1983). Reproductive cycles of two closely related sea 

urchin  species,  Strongylocentrotus  droebachiensis  (O.  F.  Müller)  and Strongylocentrotus pallidus (G. O. Sars). Sarsia 68: 157‐164. 

Forseth  I.N., Wait D.A. & Casper B.B.  (2001). Shading by shrubs  in a desert system reduces  the  physiological  and  demographic  performance  of  an  associated herbaceous perennial. J. Ecol. 89: 670‐680. 

Gagnon P., Wagner G. & Himmelman J.H. (2003a). Use of a wave tank to study the effects of water motion and algal movement on the displacement of the sea star Asterias vulgaris towards its prey. Mar. Ecol. Prog. Ser. 258: 125‐132. 

Gagnon  P., Himmelman  J.H. &  Johnson  L.E.  (2003b). Algal  colonization  in  urchin barrens: defense by association during recruitment of the brown alga Agarum cribrosum. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 290: 179‐196. 

Page 143: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

131

Gagnon  P.,  Himmelman  J.H.  &  Johnson  L.E.  (in  press).  Temporal  variation  in community  interfaces:  kelp  bed  boundary  dynamics  adjacent  to  persistent urchin barrens. Mar. Biol. 

Garnick  E.  (1978).  Behavioral  ecology  of  Strongylocentrotus  droebachiensis  (Müller) (Echinodermata:  Echinoidea).  Aggregating  behavior  and  chemotaxis. Oecologia 37: 77‐84. 

Gaymer  C.F.,  Himmelman  J.H.  &  Johnson  L.E.  (2001).  Distribution  and  feeding ecology of  the seastars Leptasterias polaris and Asterias vulgaris  in  the northern Gulf of St. Lawrence, Canada. J. Mar. Biol. Assoc. UK. 81: 827‐843. 

Gerard  V.A.  (1982).  In  situ  water  motion  and  nutrient  uptake  by  the  giant  kelp Macrocystis pyrifera. Mar. Biol. 69: 51‐54. 

Gerard  V.A.  (1984).  The  light  environment  in  a  giant  kelp  forest:  influence  of Macrocystis pyrifera on spatial and temporal variability. Mar. Biol. 84: 189‐195. 

Graham L.E. & Wilcox L.W. (2000). Algae. Prentice‐Hall, Upper Saddle River. Gray J.S. (1977). The stability of benthic ecosystems. Helgoländer wiss. Meeresunters. 

30: 427‐444. Hagen N.T.  (1983). Destructive grazing of kelp beds by  sea urchins  in Vestfjorden, 

northern Norway. Sarsia 68: 177‐190. Hand  D.J.  &  Taylor  C.C.  (1987).  Multivariate  analysis  of  variance  and  repeated 

measures. Chapman & Hall, London. Harrold C. & Reed D.C. (1985). Food availability, sea urchin grazing, and kelp forest 

community structure. Ecology 66: 1160‐1169. Hay  M.E.  (1986).  Associational  plant  defenses  and  the  maintenance  of  species 

diversity: turning competitors into accomplices. Am. Nat. 128: 617‐641. Hay M.E.  (1996). Marine  chemical  ecology: whatʹs known  and whatʹs next?  J. Exp. 

Mar. Biol. Ecol. 200: 103‐134. Hay M.E. &  Fenical W.  (1988). Marine plant‐herbivore  interactions:  the  ecology  of 

chemical defense. Annu. Rev. Ecol. Syst. 19: 111‐145. Hay M.E. & Fenical W. (1992). Chemical mediation of seaweed‐herbivore interactions. 

In: John D.M., Hawkins S.J. & Price J.H. (Eds.), Plant‐animal interactions in the marine benthos. Oxford University Press, New York, pp. 319‐337. 

Hay M.E., Kappel Q.E. &  Fenical W.  (1994).  Synergisms  in  plant  defenses  against herbivores:  interactions of chemistry, calcification, and plant quality. Ecology 75: 1714‐1726. 

Hendrix S.D., Brown V.K. & Gange A.C.  (1988). Effects of  insect herbivory on early plant succession: comparison of an English site and an American site. Biol.  J. Linn. Soc. 35: 205‐216. 

Himmelman  J.H.  (1969).  Some  aspects  of  the  ecology  of  Strongylocentrotus droebachiensis  in eastern Newfoundland. M.Sc. Thesis, Memorial University of Newfoundland, St. Johnʹs. 

Page 144: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

132

Himmelman  J.H.  (1975). Phytoplankton as a stimulus  for spawning  in  three marine invertebrates. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 20: 199‐214. 

Himmelman  J.H.  (1984).  Urchin  feeding  and  macroalgal  distribution  in Newfoundland, eastern Canada. Nat. Can. 111: 337‐348. 

Himmelman  J.H.  (1986). Population biology of green  sea urchins on  rocky barrens. Mar. Ecol. Prog. Ser. 33: 295‐306. 

Himmelman  J.H. & Steele D.H.  (1971). Foods and predators of  the green sea urchin Strongylocentrotus droebachiensis in Newfoundland waters. Mar. Biol. 9: 315‐322. 

Himmelman J.H. & Lavergne Y. (1985). Organization of rocky subtidal communities in the St. Lawrence Estuary. Nat. Can. 112: 143‐154. 

Himmelman  J.H. & Nédélec H.  (1990). Urchin  foraging and algal survival strategies in intensely grazed communities in eastern Canada. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 47: 1011‐1026. 

Himmelman  J.H.,  Cardinal  A.  &  Bourget  E.  (1983).  Community  development following removal of urchins, Strongylocentrotus droebachiensis, from the rocky subtidal zone of the St. Lawrence Estuary, eastern Canada. Oecologia 59: 27‐39. 

Holling C.S.  (1973). Resilience and  stability of  ecological  systems. Annu. Rev. Ecol. Syst. 4: 1‐23. 

Hooper R. (1981). Recovery of Newfoundland benthic marine communities from sea ice. Proc. Int. Seaweed Symp. 8: 360‐366. 

Hurd  C.L.,  Stevens  C.L.,  Laval  B.E.,  Lawrence  G.A.  &  Harrison  P.J.  (1997). Visualization of  seawater  flow  around morphologically distinct  forms of  the giant  kelp  Macrocystis  integrifolia  from  wave‐sheltered  and  exposed  sites. Limnol. Oceanogr. 42: 156‐163. 

Jensen M.  (1974).  The  Strongylocentrotidae  (Echinoidea),  a morphologic  and  and systematic study. Sarsia 57: 113‐148. 

Johnson C.R. & Mann K.H., 1982. Adaptations of Strongylocentrotus droebachiensis for survival  on  barren  grounds  in  Nova  Scotia.  In:  Lawrence  J.M.  (Ed.), International Echinoderms Conference. Balkema, A. A., Tampa Bay, pp. 277‐283. 

Johnson C.R. & Mann K.H. (1988). Diversity, patterns of adaptation, and stability of Nova Scotian kelp beds. Ecol. Monogr. 58: 129‐154. 

Jones N.S. & Kain  J.M.  (1967). Subtidal algal  colonization  following  the  removal of Echinus. Helgoländer wiss. Meeresunters. 15: 460‐466. 

Karban R. & Myers  J.H.  (1989).  Induced plant  responses  to  herbivory. Annu. Rev. Ecol. Syst. 20: 331‐348. 

Kawamata S. (1998). Effect of wave‐induced oscillatory flow on grazing by a subtidal sea urchin Strongylocentrotus nudus (A. Agassiz). J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 224: 31‐48. 

Page 145: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

133

Kawamata S. (2001). Adaptive mechanical tolerance and dislodgement velocity of the kelp  Laminaria  japonica  in wave‐induced water motion. Mar. Ecol. Prog.  Ser. 211: 89‐104. 

Keats D.W.,  South G.R. &  Steele D.H.  (1982).  The  occurence  of  Agarum  cribrosum (Mert.) Bory (Phaeophyta, Laminariales) in relation to some of its competitors and predators in Newfoundland. Phycologia 21: 189‐191. 

Keats D.W., South G.R. & Steele D.H. (1985). Algal biomass and diversity in the upper subtidal at a pack‐ice disturbed site in eastern Newfoundland. Mar. Ecol. Prog. Ser. 25: 151‐158. 

Keats D.W., South G.R. & Steele D.H. (1990). Effects of an experimental reduction in grazing by green  sea urchins on a benthic macroalgal  community  in  eastern Newfoundland. Mar. Ecol. Prog. Ser. 68: 181‐193. 

Kerr  J.N.Q.  &  Paul  V.J.  (1995).  Animal‐plant  defense  association:  the  soft  coral Sinularia  sp.  (Cnidaria, Alcyonacea) protects Halimeda  spp.  from herbivory.  J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 186: 183‐205. 

Konar  B.  (2000).  Seasonal  inhibitory  effects  of  marine  plants  on  sea  urchins: structuring communities the algal way. Oecologia 125: 208‐217. 

Krebs C.J. (2001). Ecology. Benjamin Cummings, San Francisco. Larson B.R., Vadas R.L. & Keser M. (1980). Feeding and nutritional ecology of the sea 

urchin Strongylocentrotus drobachiensis in Maine, USA. Mar. Biol. 59: 49‐62. Lawrence  J.M.  (1975). On  the  relationships between marine plants and  sea urchins. 

Oceanogr. Mar. Biol. Ann. Rev. 13: 213‐286. Legendre P. & Legendre L. (1998). Numerical ecology. Elsevier, Amsterdam. Leinaas H.P. & Christie H. (1996). Effects of removing sea urchins (Strongylocentrotus 

droebachiensis):  stability  of  the  barren  state  and  succession  of  kelp  forest recovery in the east Atlantic. Oecologia 105: 524‐536. 

Lettenmaier D.P. (1976). Detection of trends in water quality data from records with dependent observations. Water Resour. Res. 12: 1037‐1046. 

Lewis S.M. (1986). The role of herbivorous fishes  in the organization of a Caribbean reef community. Ecol. Monogr. 56: 183‐200. 

Lewontin R.C. (1969). The meaning of stability. Brookhaven Symp. Biol. 22: 13‐24. Lindroth R.L. (1989). Mammalian herbivore‐plant interactions. In: Abrahamson W.G. 

(Ed.), Plant‐animal interactions. McGraw‐Hill, New York, pp. 163‐206. Lissner A.L.  (1983). Relationship of water motion  to  the  shallow water distribution 

and morphology of two species of sea urchins. J. Mar. Res. 41: 691‐709. Littler M.M.,  Littler  D.S.  &  Taylor  P.R.  (1987).  Animal‐plant  defense  associations: 

effects on the distribution and abundance of tropical reef macrophytes. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 105: 107‐121. 

Lobban  C.S. & Harrison  P.J.  (1994).  Seaweed  ecology  and  physiology.  Cambridge University Press, Cambridge. 

Page 146: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

134

Lubchenco  J. & Gaines  S.D.  (1981). A  unified  approach  to marine  plant‐herbivore interactions.  I. Populations and  communities. Annu. Rev. Ecol. Syst. 12: 405‐437. 

Lucas P.W., Turner I.M., Dominy N.J. & Yamashita N. (2000). Mechanical defences to herbivory. Ann. Bot.‐London. 86: 913‐920. 

MacArthur R.H. & Pianka E.R. (1966). On optimal use of a patchy environment. Am. Nat. 100: 603‐609. 

Mann K.H. (1973). Seaweeds: their productivity and strategy for growth. Science 182: 975‐981. 

Mann K.H. (1977). Destruction of kelp‐beds by sea‐urchins: A cyclical phenomenon or irreversible degradation? Helgol. wiss. Meeresunters. 30: 455‐467. 

Mann K.H., Wright  J.L.C., Welsford B.E. & Hatfield E.  (1984). Responses of  the  sea urchin  Strongylocentrotus  droebachiensis  (O.  F. Müller)  to water‐borne  stimuli from potential predators and potential  food algae.  J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 79: 233‐244. 

McAuliffe  J.R.  (1986).  Herbivore‐limited  establishment  of  a  Sonoran  Desert  tree, Cercidium microphyllum. Ecology 67: 276‐280. 

McClintock  M.,  Higinbotham  N.,  Uribe  E.G.  &  Cleland  R.E.  (1982).  Active, irreversible  accumulation  of  extreme  levels  of  H2SO4  in  the  brown  alga, Desmarestia. Plant. Physiol. 70: 771‐774. 

McCullagh P. & Nelder J.A. (1989). Generalized linear models. Chapman & Hall, New York. 

McNaughton  S.J.  (1983).  Compensatory  plant  growth  as  a  response  to  herbivory. Oikos 40: 329‐336. 

Meidel  S.K. &  Scheibling  R.E.  (1998). Annual  reproductive  cycle  of  the  green  sea urchin,  Strongylocentrotus  droebachiensis,  in  differing  habitats  in Nova  Scotia, Canada. Mar. Biol. 131: 461‐478. 

Meidel S.K. & Scheibling R.E. (1999). Effects of food type and ration on reproductive maturation and growth of the sea urchin Strongylocentrotus droebachiensis. Mar. Biol. 134: 155‐166. 

Menge  B.A.  (1972).  Foraging  strategy  of  a  starfish  in  relation  to  actual  prey availability and environmental predictability. Ecol. Monogr. 42: 25‐50. 

Menge B.A.  (1976). Organization of  the New England    rocky  intertidal community: role  of  predation,  competition,  and  environmental  heterogeneity.  Ecol. Monogr. 46: 355‐391. 

Menge B.A., Berlow E.L., Blanchette C.A., Navarrete S.A. & Yamada S.B. (1994). The keystone species concept: variation in interaction strength in a rocky intertidal habitat. Ecol. Monogr. 64: 249‐286. 

Miller R.J.  (1985). Succession  in sea urchin and seaweed abundance  in Nova Scotia, Canada. Mar. Biol. 84: 275‐286. 

Page 147: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

135

Miller  R.J.  &  Colodey  A.G.  (1983). Widespread mass mortalities  of  the  green  sea urchin in Nova Scotia, Canada. Mar. Biol. 73: 263‐267. 

Minor M.A. & Scheibling R.E.  (1997). Effects of  food  ration and  feeding  regime on growth  and  reproduction  of  the  sea  urchin  Strongylocentrotus  droebachiensis. Mar. Biol. 129: 159‐167. 

Montgomery D.C.  (1991). Design  and  analysis  of  experiments.  John Wiley &  Sons, New York. 

Morrison D. (1988). Comparing fish and urchin grazing in shallow and deeper coral reef algal communities. Ecology 69: 1367‐1382. 

Mortensen T.H. (1943). A monograph of the Echinoidea. Reitzels, C. A., Copenhagen. Myers J.H. & Bazely D. (1991). Thorns, spines, prickles, and hairs: are they stimulated 

by herbivory and do  they deter herbivores?  In: Tallamy D.W. & Raupp M.J. (Eds.), Phytochemical induction by herbivores. John Wiley, New York, pp. 325‐344. 

Nestler E.C. & Harris L.G.  (1994). The  importance of omnivory  in Strongylocentrotus droebachiensis (Muller) in the Gulf of Maine. In: David B., Guille A., Féral J.‐P. & Roux M. (Eds.), Echinoderms through time. Balkema, Rotterdam, pp. 813‐818. 

Novaczek I. & McLachlan J. (1989). Investigations of the marine algae of Nova Scotia XVII: vertical and geographic distribution of marine algae on rocky shores of the Maritime Provinces. Proc. N. S. Inst. Sci. 38: 91‐143. 

OʹDowd D.J. & Williamson G.B.  (1979). Stability conditions  in plant defense guilds. Am. Nat. 114: 379‐383. 

Odum E.P. (1969). The strategy of ecosystem development. Science 164: 262‐270. Ogden  J.C. & Lobel P.S.  (1978). The  role of herbivorous  fishes and urchins  in  coral 

reef communities. Env. Biol. Fish. 3: 49‐63. Paine R.T. (1966). Food web complexity and species diversity. Am. Nat. 100: 65‐75. Paine  R.T.  (1976).  Size‐limited  predation:  an  observational  and  experimental 

approach with the Mytilus‐Pisaster interaction. Ecology 57: 858‐873. Paine R.T. (1990). Benthic macroalgal competition: complications and consequences. J. 

Phycol. 26: 12‐17. Paine  R.T.  &  Vadas  R.L.  (1969).  The  effects  of  grazing  by  sea  urchins, 

Strongylocentrotus  spp.,  on  benthic  algal  populations.  Limnol. Oceanogr.  14: 710‐719. 

Paul  V.J.  &  Hay  M.E.  (1986).  Seaweed  susceptibility  to  herbivory:  chemical  and morphological correlates. Mar. Ecol. Prog. Ser. 33: 255‐264. 

Paul V.J. & Van Alstyne K.L.  (1992). Activation of chemical defenses  in  the  tropical green alga Halimeda spp. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 160: 191‐203. 

Pavia H. & Toth G.B. (2000). Inducible chemical resistance to herbivory in the brown seaweed Ascophyllum nodosum. Ecology 81: 3212‐3225. 

Page 148: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

136

Pearse  J.S.  &  Hines  A.H.  (1979).  Expansion  of  a  central  California  kelp  forest following the mass mortality of sea urchins. Mar. Biol. 51: 83‐91. 

Pelletreau  K.N.  & Muller‐Parker  G.  (2002).  Sulfuric  acid  in  the  phaeophyte  alga Desmarestia  munda  deters  feeding  by  the  sea  urchin  Strongylocentrotus droebachiensis. Mar. Biol. 141: 1‐9. 

Peres‐Neto  P.R.  (1999). How many  statistical  tests  are  too many?  The  problem  of conducting multiple ecological  inferences  revisited. Mar. Ecol. Prog. Ser. 176: 303‐306. 

Peters A.F., van Oppen M.J.H., Wiencke C., Stam W.T. & Olsen J.L. (1997). Phylogeny and  historical  ecology  of  the  Desmarestiaceae  (Phaeophyceae)  support  a southern hemisphere origin. J. Phycol. 33: 294‐309. 

Pfister C.A. & Hay M.E.  (1988). Associational plant  refuges:  convergent patterns  in marine  and  terrestrial  communities  result  from  differing  mechanisms. Oecologia 77: 118‐129. 

Prince  J.S.  &  LeBlanc  W.G.  (1992).  Comparative  feeding  preference  of Strongylocentrotus droebachiensis (Echinoidea)  for  the  invasive seaweed Codium fragile ssp.  tomentosoides  (Chlorophyceae) and  four other seaweeds. Mar. Biol. 113: 159‐163. 

Randall  J.E.  (1961). Overgrazing of algae by herbivorous marine  fishes. Ecology 42: 812. 

Raymond B.G. & Scheibling R.E.  (1987). Recruitment and growth of  the  sea urchin Strongylocentrotus  droebachiensis  (Muller)  following mass mortalities off Nova Scotia, Canada. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 108: 31‐54. 

Reed D.C. (1990). The effects of variable settlement and early competition on patterns of kelp recruitment. Ecology 71: 776‐787. 

Reed D.C. & Foster M.S.  (1984). The effects of canopy shading on algal  recruitment and growth in a giant kelp forest. Ecology 65: 937‐948. 

Rice W.R. (1989). Analyzing tables of statistical tests. Evolution. 43: 223‐225. Rochette R., Hamel J.‐F. & Himmelman J.H. (1994). Foraging strategy of the asteroid 

Leptasterias  polaris:  role of prey odors,  current  and  feeding  status. Mar. Ecol. Prog. Ser. 106: 93‐100. 

Rose C.D., Sharp W.C., Kenworthy W.J., Hunt J.H., Lyons W.G., Prager E.J., Valentine J.F., Hall M.O., Whitfield P.E. & Fourqurean J.W. (1999). Overgrazing of a large seagrass bed by the sea urchin Lytechinus variegatus in Outer Florida Bay. Mar. Ecol. Prog. Ser. 190: 211‐222. 

Rosenthal J.P. & Kotanen P.M. (1994). Terrestrial plant tolerance to herbivory. Trends Ecol. Evol. 9: 145‐148. 

Ruiz  G.M.,  Carlton  J.T.,  Grosholz  E.D.  &  Hines  A.H.  (1997).  Global  invasions  of marine and estuarine habitats by non‐indigenous species: mechanisms, extent, and consequences. Amer. Zool. 37: 621‐632. 

Page 149: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

137

Russell  M.P.,  Ebert  T.A.  &  Petraitis  P.S.  (1998).  Field  estimates  of  growth  and mortality of the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis. Ophelia 48: 137‐153. 

SAS Institute Inc. (1999). SAS/STAT Userʹs Guide, Version 8. SAS Institute Inc, Cary, NC. 

Sasaki H., Kataoka H., Kamiya M. & Kawai H. (1999). Accumulation of sulfuric acid in  Dictyotales  (Phaeophyceae):  taxonomic  distribution  and  ion chromatography of cell extracts. J. Phycol. 35: 732‐739. 

Schappert  P.J.  &  Shore  J.S.  (1999).  Cyanogenesis,  herbivory  and  plant  defense  in Turnera ulmifolia on Jamaica. Écoscience 6: 511‐520. 

Scheibling R.  (1986).  Increased macroalgal abundance  following mass mortalities of sea urchins (Strongylocentrotus droebachiensis) along the Atlantic coast of Nova Scotia. Oecologia 68: 186‐198. 

Scheibling R.E.  (1988). Microbial  control  of  sea urchins: Achillesʹ heel  or Pandoraʹs box?  In:  Burke  R.D.,  Mladenov  P.V.,  Lambert  P.  &  Parsley  R.L.  (Eds.), Echinoderm biology. Balkema, Rotterdam, pp. 745‐754. 

Scheibling R.E.  (1996). The role of predation  in regulating sea urchin populations  in eastern Canada. Oceanol. Acta 19: 421‐430. 

Scheibling  R.E.  &  Stephenson  R.L.  (1984).  Mass  mortality  of  Strongylocentrotus droebachiensis (Echinodermata: Echinoidea) off Nova Scotia, Canada. Mar. Biol. 78: 153‐164. 

Scheibling R.E. & Raymond B.G.  (1990). Community dynamics on a subtidal cobble bed following mass mortalities of sea urchins. Mar. Ecol. Prog. Ser. 63: 127‐145. 

Scheibling R.E. & Hamm J. (1991). Interactions between sea urchin (Strongylocentrotus droebachiensis)  and  their predators  in  field  and  laboratory  experiments. Mar. Biol. 110: 105‐116. 

Scheibling R.E. & Hennigar A.W. (1997). Recurrent outbreaks of disease in sea urchins Strongylocentrotus droebachiensis in Nova Scotia: evidence for a link with large‐scale meteorologic  and oceanographic  events. Mar. Ecol. Prog. Ser.  152:  155‐165. 

Scheibling R.E. & Hatcher B.G. (2001). The ecology of Strongylocentrotus droebachiensis. In:  Lawrence  J.M.  (Ed.),  Edible  sea  urchins:  biology  and  ecology.  Elsevier, Amsterdam, pp. 271‐306. 

Scheibling R.E., Hennigar A.W. & Balch T.  (1999). Destructive grazing, epiphytism, and disease: the dynamics of sea urchin‐kelp interactions in Nova Scotia. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 56: 2300‐2314. 

Schmitz O.J., Hambäck P.A. & Beckerman A.P. (2000). Trophic cascades in terrestrial systems: a review of the effects of carnivore removals on plants. Am. Nat. 155: 141‐153. 

Page 150: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

138

Schnitzler  I., Pohnert G., Hay M. & Boland W.  (2001). Chemical defense  of  brown algae (Dictyopteris spp.) against the herbivorous amphipod Ampithoe longimana. Oecologia 126: 515‐521. 

Schoener T.W.  (1974). Resource partitioning  in ecological communities. Science 185: 27‐39. 

Sebens K.P.  (1985). Community ecology of vertical  rock walls  in  the Gulf of Maine, U.S.A.: small‐scale processes and alternative community states. In: Moore P.G. & Seed R. (Eds.), The ecology of rocky coasts. Hodder and Stoughton, London, pp. 346‐371. 

Seymour R.J., Tegner M.J., Dayton P.K. & Parnell P.E.  (1989). Storm wave  induced mortality  of  giant  kelp, Macrocystis  pyrifera,  in  Southern  California.  Estuar. Coast. Shelf S. 28: 277‐292. 

Siddon  C.E.  & Witman  J.D.  (2003).  Influence  of  chronic,  low‐level  hydrodynamic forces on subtidal community structure. Mar. Ecol. Prog. Ser. 261: 99‐110. 

Sih  A.,  Crowley  P.,  McPeek  M.,  Petranka  J.  &  Strohmeier  K.  (1985).  Predation, competition and prey communities: a review of field experiments. Annu. Rev. Ecol. Syst. 16: 269‐311. 

Simenstad C.A., Estes  J.A. & Kenyon K.W.  (1978). Aleuts,  sea  otters,  and  alternate stable‐state communities. Science 200: 403‐411. 

Sivertsen K.  (1997). Geographic and environmental  factors affecting  the distribution of kelp beds  and barren grounds  and  changes  in biota  associated with kelp reduction  at  sites  along Norwegian  coast. Can.  J.  Fish. Aquat.  Sci.  54:  2872‐2887. 

Sloan N.A. & Campbell A.C. (1982). Perception of food. In: Jangoux M. & Lawrence J.M. (Eds.), Echinoderm nutrition. Balkema, A. A., Rotterdam, pp. 3‐23. 

Snedecor G.W. & Cochran W.G.  (1989).  Statistical methods.  Iowa  State University Press, Ames. 

Sousa W.P. (1984). The role of disturbance in natural communities. Annu. Rev. Ecol. Syst. 15: 353‐391. 

Sousa W.P. & Connell  J.H.  (1992). Grazing and succession  in marine algae.  In:  John D.M., Hawkins S.J. & Price J.H. (Eds.), Plant‐animal interactions in the marine benthos. Oxford University Press, New York, pp. 425‐441. 

Starr  M.,  Himmelman  J.H.  &  Therriault  J.‐C.  (1990).  Direct  coupling  of  marine invertebrate spawning with phytoplankton blooms. Science 247: 1071‐1074. 

Steneck R.S. (1983). Escalating herbivory and resulting adaptive trends in calcareous algal crusts. Paleobiology 9: 44‐61. 

Steneck R.S. (1985). Adaptations of crustose coralline algae  to herbivory: patterns  in space  and  time.  In:  Toomey  D.F.  &  Nitecki  M.H.  (Eds.),  Paleoalgology: contemporary research and applications. Springer‐Verlag, Heidelberg, pp. 352‐366. 

Page 151: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

139

Steneck R.S.  (1986).  The  ecology  of  coralline  algal  crusts:  convergent  patterns  and adaptative strategies. Annu. Rev. Ecol. Syst. 17: 273‐303. 

Stoecker D. (1978). Resistance of a tunicate to fouling. Biol. Bull. 155: 615‐626. Sutherland  J.P.  (1974). Multiple stable points  in natural communities. Am. Nat. 108: 

859‐873. Swan E.F.  (1961). Some observations on  the growth rate of sea urchins  in  the genus 

Strongylocentrotus. Biol. Bull. 120: 420‐427. Tahvanainen  J.O. & Root R.B.  (1972). The  influence of vegetational diversity on  the 

population  ecology  of  a  specialized  herbivore,  Phyllotreta  cruciferae (Coleoptera:Chrysomelidae). Oecologia 10: 321‐346. 

Taylor  R.B.,  Sotka  E.  &  Hay  M.E.  (2002).  Tissue‐specific  induction  of  herbivore resistance: seaweed response to amphipod grazing. Oecologia 132: 68‐76. 

Tegner  M.J.  &  Dayton  P.K.  (2000).  Ecosystem  effects  of  fishing  in  kelp  forest communities. ICES J. Mar. Sci. 57: 579‐589. 

Thompson R.J.  (1984). Partitioning  of  energy  between  growth  and  reproduction  in three populations of the green sea urchin Strongylocentrotus droebachiensis. Adv. Invertebr. Reprod. 3: 425‐432. 

Thompson T.E. (1988). Acidic allomones in marine organisms. J. Mar. Biol. Assoc. UK. 68: 499‐517. 

Tiffin P.  (2000). Mechanisms of  tolerance  to herbivore damage: what do we know? Evol. Ecol. 14: 523‐536. 

Tremblay C. & Chapman A.R.O. (1980). The local occurrence of Agarum cribrosum in relation to the presence or absence of its competitors and predators. Proc. N. S. Inst. Sci. 30: 165‐170. 

Trowbridge  C.D.  (1995).  Establishment  of  the  green  alga  Codium  fragile  ssp. tomentosoides  on  New  Zealand  rocky  shores:  current  distribution  and invertebrate grazers. J. Ecol. 83: 949‐965. 

Underwood A.J.  (1999). Physical disturbances  and  their direct  effect on  an  indirect effect: responses of an intertidal assemblage to a severe storm. J. Exp. Mar. Biol. Ecol. 232: 125‐140. 

Underwood  A.J.  &  Jernakoff  P.  (1981).  Effects  of  interactions  between  algae  and grazing gastropods on the structure of a low‐shore intertidal algal community. Oecologia 48: 221‐233. 

Vadas R.L. (1968). The ecology of Agarum and the kelp bed community. Ph.D. Thesis, University of Washington, Seattle. 

Vadas R.L. (1977). Preferential feeding: an optimization strategy in sea urchins. Ecol. Monogr. 47: 337‐371. 

Vadas R.L. (1990). Comparative foraging behavior of tropical and boreal sea urchins. In: Hughes R.N.  (Ed.),  Behavioural mechanisms  of  food  selection.  Springer‐Verlag, Berlin, pp. 479‐514. 

Page 152: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

140

Vadas R.L. & Elner R.W. (1992). Plant‐animal interactions in the north‐west Atlantic. In: John D.M., Hawkins S.J. & Price J.H. (Eds.), Plant‐animal interactions in the marine benthos. Oxford University Press, Oxford, pp. 33‐60. 

Vadas R.L., Wright W.A. & Miller S.L.  (1990). Recruitment of Ascophyllum nodosum: wave action as a source of mortality. Mar. Ecol. Prog. Ser. 61: 263‐272. 

Vadas R.L., Elner R.W., Garwood P.E. & Babb I.G. (1986). Experimental evaluation of aggregation  behavior  in  the  sea  urchin  Strongylocentrotus  droebachiensis.  A reinterpretation. Mar. Biol. 90: 433‐448. 

Van Alstyne K.L.  (1988). Herbivore  grazing  increases polyphenolic defenses  in  the intertidal brown alga Fucus distichus. Ecology 69: 655‐663. 

Van Alstyne K.L., Ehlig J.M. & Whitman S.L. (1999). Feeding preferences for juvenile and adult algae depend on algal stage and herbivore species. Mar. Ecol. Prog. Ser. 180: 179‐185. 

Vasquez J.A. (1993). Effects on the animal community of dislodgment of holdfasts of Macrocystis pyrifera. Pac. Science 47: 180‐184. 

Vasquez  J.A.  &  Buschmann  A.H.  (1997).  Herbivore‐kelp  interactions  in  Chilean subtidal communities: a review. Rev. Chil. Hist. Nat. 70: 41‐52. 

Vasquez J.A. & McPeak R.H. (1998). A new tool for kelp restoration. Calif. Fish Game 84: 149‐158. 

Velimirov  B.  &  Griffiths  C.L.  (1979).  Wave‐induced  kelp  movement  and  its importance for community structure. Bot. Mar. 22: 169‐172. 

Walker L.R., Zasada J.C. & Chapin III F.S. (1986). The role of life history processes in primary succession on an Alaskan floodplain. Ecology 67: 1243‐1253. 

Weis  A.E.  &  Berenbaum  M.R.  (1989).  Herbivorous  insects  and  green  plants.  In: Abrahamson W.G.  (Ed.), Plant‐animal  interactions. McGraw‐Hill, New York, pp. 123‐162. 

White P.S.  (1979). Pattern, process, and natural disturbance  in vegetation. Bot. Rev. 45: 229‐299. 

Witman  J.D.  (1985). Refuges, biological disturbance, and  rocky  subtidal community structure in New England. Ecol. Monogr. 55: 421‐445. 

Witman  J.D.  (1987).  Subtidal  coexistence:  storms,  grazing,  mutualism  and  the zonation of kelps and mussels. Ecol. Monogr. 57: 167‐187. 

Witman  J.D. & Dayton P.K.  (2001). Rocky  subtidal  communities.  In: Bertness M.D., Gaines  S.D.  &  Hay  M.E.  (Eds.),  Marine  community  ecology.  Sinauer Associates, Sunderland, pp. 339‐366. 

Wood  D.M.  &  del  Moral  R.  (1987).  Mechanisms  of  early  primary  succession  in subalpine habitats on Mount St. Helens. Ecology 68: 780‐790. 

Zamora R., Hodar  J.A. & Gomez  J.M.  (1999). Plant‐herbivore  interaction: beyond  a binary vision. In: Pugnaire F.I. & Valladares F. (Eds.), Handbook of functional plant ecology. Marcel Dekker, Inc., New York, pp. 677‐718. 

Page 153: Dynamique de répartition et mécanismes de défense des ... · III Abstract In the northern Gulf of St. Lawrence, the green sea urchin, Strongylocentrotus droebachiensis, is the

141

Zar J.H. (1999). Biostatistical analysis. Prentice‐Hall, New Jersey.