The role of food and extreme weather events in the fitness and foraging responses of a declining aerial insectivore breeding within modern agricultural landscapes

Abstract

L’influence de la disponibilité des ressources alimentaires est l’objet d’un intérêt constant en écologie. Une des raisons de l’attrait de ce lien trophique découle de sa nature intuitive, dans la mesure où les animaux ne peuvent survivre ou se reproduire sans nourriture et doivent donc se déplacer ou modifier leurs comportements quand elle est insuffisante. Par ailleurs, plusieurs exemples de changements significatifs de l'utilisation des terres sont corrélés avec le déclin de nombreuses populations animales. Par exemple, plusieurs populations d’insectivores aériens aviaires montrent un déclin coïncidant avec l’intensification des pratiques agricoles des dernières décennies et ce, à travers le monde. L’hypothèse que le recours croissant à certaines pratiques agricoles modifie l'abondance des insectes, leur composition en espèces, leur phénologie, et éventuellement leur distribution spatiale, et ainsi occasionne des effets négatifs sur la l’aptitude phénotypique et le taux de croissance des populations des insectivores aériens, a donc été émise. De plus, les effets négatifs des changement climatiques peuvent interagir et exacerber les conséquences liées à la reproduction de ces oiseaux dans les zones cultivées intensivement. Il est donc impératif de quantifier la force et la direction de ces interactions. J’utilise à ce titre les données d'une étude longitudinale de 11 ans sur l’écologie de la reproduction de l'Hirondelle bicolore (Tachycineta bicolor) et la disponibilité des diptères, leurs proies principales, à travers un gradient d'intensification agricole dans le Sud du Québec, Canada. Dans mon premier chapitre, j’évalue les caractéristiques du paysage affectant la disponibilité des proies et l’influence de cette relation sur le succès d'envol, le temps pris par les oisillons pour atteindre l’envol, ainsi que la masse corporelle et la longueur des ailes des oisillons à l’envol, car il est connu que ces variables influencent la dynamique de population de cette espèce. La disponibilité des diptères était plus élevée dans les paysages à prédominance forestière. Dans les paysages principalement agricoles, elle était marginalement plus faible dans ceux dominés par les cultures en rangs (maïs, soja et blé) et plus élevée dans ceux dominés par les champs de fourrages et les pâturages. Parmi les indicateurs d’aptitude phénotypique mesurés, le succès d'envol et le poids des oisillons à 16 jours de vie étaient positivement liés à la disponibilité des proies. Toutefois, après avoir contrôlé statistiquement pour l’effet de la disponibilité des proies, le succès d'envol était plus bas, le temps pris pour se rendre à l’envol plus long et la longueur des ailes des jeunes à l’envol plus courte dans les paysages plus agro-intensifs. Enfin, l'impact de la disponibilité des proies variait à travers le gradient agricole. En effet, le succès d’envol s'améliorait avec la disponibilité des proies dans les paysages fourragers, mais diminuait dans les paysages plus agro-intensifs. Nos résultats mettent en évidence les rôles interactifs que la disponibilité des proies et l'intensification agricole peuvent avoir sur l’aptitude phénotypique des insectivores aériens et, par extension, comment la disponibilité de la nourriture peut interagir avec d'autres aspects des habitats de reproduction pour influencer la dynamique des populations de prédateurs. Dans mon deuxième chapitre, j’ai évalué si les taux de gain énergétique, caractérisés par la biomasse totale des bolus alimentaires et le nombre de bolus alimentaires livrés par heure, variaient à travers le gradient d’intensification agricole. J’ai également suivi les déplacements des femelles hirondelles à l’aide de balises GPS afin d’évaluer les distances parcourues durant l’approvisionnement des oisillons. Le taux de gain énergétique était plus faible dans les paysages agro-intensifs, qui étaient pourtant associés aux distances de déplacement les plus courtes. Nos résultats soulignent que, pour maximiser le taux de gain énergétique moyen à long terme, les Hirondelles bicolore se reproduisant dans des paysages agro-intensifs doivent acquérir leur nourriture avec une plus grande intensité, peut-être à un coût pour elles-mêmes, sinon pour leurs couvées. Mes résultats montrent que la qualité de l'habitat de reproduction peut avoir un impact sur les comportements d'alimentation des individus et, pour les insectivores aériens se reproduisant dans des paysages agricoles, que le taux de gain énergétique peut être plus faible dans les paysages agro-intensifs. Dans mon troisième chapitre, j'ai identifié les températures menant à une réduction significative de la disponibilité des proies (coups de froid). J'ai ensuite évalué si la relation combinée des coups de froid et des précipitations sur le succès d’envol des Hirondelle bicolore variait avec le niveau d'intensification agricole. Le succès d’envol diminuait avec le nombre de jours de coup de froid subi par une couvée, et cet effet s'aggravait pendant les périodes de pluie prolongées. Plus particulièrement, j’ai constaté que les effets négatifs globaux des périodes de mauvais temps sont exacerbés dans les paysages plus agro-intensifs. Nos résultats indiquent que deux des principaux facteurs présumés du déclin des insectivores aériens, l’intensification des pratiques agricoles et les changements climatiques, pourraient effectivement interagir et amplifier le taux de déclin des populations de ces oiseaux.

Abstract : A continual interest in ecology has been the relationship between animals and the availability of food resources. This trophic link likely sparks ecologists’ interest because of its intuitive nature, inasmuch as animals cannot survive or reproduce without food and potentially modify their behavior when its availability is low. Moreover, several examples of significant land use change are correlated with declining populations of organisms acting on different trophic levels. For instance, avian aerial insectivores show global population declines coinciding with shifts in agricultural practices. Increasing reliance on certain agricultural practices is also thought to have changed insect abundance, species composition, phenology, and potentially spatial distribution in ways that negatively affects aerial insectivore fitness. Moreover, negative effects of global climate change may interact and exacerbate consequences stemming from breeding in more agricultural areas. The relationship between prey availability and the fitness and foraging behaviors of aerial insectivores may thus vary with the extent of agricultural production. It is therefore imperative to quantify the strength and direction of these associations. Here I used data from an 11-year study monitoring the breeding of Tree swallows (Tachycineta bicolor) and the availability of Diptera (their main prey) across a gradient of agricultural intensification in southern Quebec, Canada. In my first chapter, I evaluated how landscape habitat composition affect prey availability, and how this relationship influences the fledging success, the duration of the nestling period, and the fledgling body mass and wing length, as these variables are known to influence the population dynamics of this species. Diptera availability was greatest within predominately forested landscapes. Within principally agricultural landscapes, Diptera availability was marginally lower within areas dominated by more agro-intensive crops (e.g., corn, soybean, and wheat) and greater in areas dominated by less agro-intensive habitats (e.g., forage crops, pastures, and dairy farms). Of the measured fitness proxies, fledging success and nestling body mass at 16 days of age were positively related to prey availability. The impact of prey availability varied across the agricultural gradient as fledging success improved with increasing prey levels within forage landscapes yet declined in more agro-intensive landscapes. Once conditioning on prey availability, fledging success was lowest, nestling period longest, and fledgling wing length shortest within more agro-intensive landscapes. Our results highlight the interacting roles that aerial insect availability and agricultural intensification have on the fitness of aerial insectivores, and by extension how food availability may interact with other aspects of breeding habitats to influence the population dynamics of predators. In my second chapter, I expanded on my first by evaluating if hourly energetic gain rates, characterized by the total biomass of food boluses and number of delivered food boluses per hour, varied across the agricultural intensification gradient. We further used GPS locations of food provisioning females to evaluate distances traveled during nestling periods. Hourly gain rate was lower in agro-intensive landscapes, yet travel distances were longest within forage-dominated landscapes. Our results highlight that, in order to maximize long-term average gain rates, Tree swallows breeding within more agro-intensive landscapes must forage with greater intensity, perhaps at a cost to themselves, or else to the growing brood. These results showed that breeding habitat can impact the food provisioning behavior of individuals and, for aerial insectivores breeding in farmlands, that the rate of energetic gain can be lower in more agro-intensive landscapes. In my third chapter, I identified temperatures indicative of significant reductions in insect prey availability (cold snaps). I then evaluated if the combined relationship of cold snaps and precipitation on the fledging success of Tree swallows varied with the level of agricultural intensification. Fledging success decreased with the number of cold snap days experienced by a brood, and this relationship was worsened during prolonged periods of rain. Most notably, we found the overall negative effects of inclement weather are exacerbated in more agro-intensive landscapes. Our results indicate that two of the primary hypothesized drivers of declining aerial insectivores, namely agricultural intensification and climate change, may interact during the breeding season to further increase the rate of population declines.