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Les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement du bison des plaines soumis à la prédation par le loup gris Mémoire Léa Harvey Maîtrise en Biologie Maître ès sciences (M. Sc.) Québec, Canada © Léa Harvey, 2013

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Les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement du bison

des plaines soumis à la prédation par le loup gris

Mémoire

Léa Harvey

Maîtrise en Biologie

Maître ès sciences (M. Sc.)

Québec, Canada

© Léa Harvey, 2013

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III

RÉSUMÉ

Cette étude visait à expliquer les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement

du bison des plaines. J’ai caractérisé les cratères d'alimentation des bisons dans la neige et

j’ai suivi des bisons et des loups munis de colliers émetteurs en hiver. Les bisons

s’alimentaient davantage dans les prés où le couvert de neige était mince et peu dense, de

même que dans les parcelles les plus profitables (énergie digestible/temps de manipulation)

du paysage. La cooccurrence spatiale entre les loups et les bisons indique que le prédateur

gagne le jeu spatial. Aussi, les bisons laissaient plus de végétation hautement profitable

dans les grands prés que dans les petits, une décision concordant avec la notion que les

bisons se déplacent fréquemment afin d'éviter que les prédateurs connaissent leurs

localisations. L'étude de l'approvisionnement du bison dans son milieu naturel révèle

comment des patrons spatiaux d'herbivorie émergent dans un paysage caractérisé par

plusieurs niveaux d’hétérogénéité.

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V

ABSTRACT

The aim of this study was to explain spatial variation in the feeding effort of plains

bison. I characterized feeding craters of bison in snow, and I radio-tracked bison and

wolves in winter. Bison foraged more intensively in meadows with shallow and light snow,

and in the most profitable (digestible energy / handling time) patches available in the

landscape. Bison and wolves intensively used the same meadows, a co-occurrence

indicating that wolves are ahead in the spatial game they play with bison. Also, bison left

more vegetation of higher-than-average profitability in large than in small meadows. This

decision is consistent with the notion that bison move frequently to prevent wolves from

knowing their location. The assessment of bison foraging in a natural setting reveals how

spatial patterns of herbivory emerge in landscapes characterized by multiple levels of

heterogeneity.

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VII

TABLE DES MATIÈRES

RÉSUMÉ ............................................................................................................................ III ABSTRACT .......................................................................................................................... V TABLE DES MATIÈRES ................................................................................................ VII

LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................. IX AVANT-PROPOS .............................................................................................................. XI

REMERCIEMENTS ...................................................................................................... XI

INTRODUCTION GÉNÉRALE ......................................................................................... 1 CADRE THEORIQUE ...................................................................................................... 1

L'effort d'approvisionnement ...................................................................... 1 Coûts liés aux dépenses énergétiques encourues durant l'alimentation .. 3 Coûts liés aux opportunités manquées ........................................................ 4

Coûts liés à la prédation ............................................................................... 5 POPULATION À L'ÉTUDE ............................................................................................... 8

OBJECTIF DE L'ÉTUDE ................................................................................................... 9

Approche empirique ..................................................................................... 9

CHAPITRE PRINCIPAL .................................................................................................. 11 ABSTRACT ................................................................................................................. 12 INTRODUCTION .......................................................................................................... 13

Energy costs of foraging (C) ....................................................................... 13 Missed opportunity costs (MOC) ............................................................... 14

Predation costs (P) ....................................................................................... 15 METHODS ................................................................................................................... 17

Study area .................................................................................................... 17 Crater characteristics ................................................................................. 17

Vegetation characteristics .......................................................................... 18 Plant biomass .................................................................................... 18 Plant profitability .............................................................................. 19

Snow characteristics .................................................................................... 20 Spatial association between wolves and bison .......................................... 21

Data analysis ................................................................................................ 21 Probability of meadow use ................................................................ 21 Probability of wolf-bison co-occurrence ........................................... 22

Foraging intensity ............................................................................. 22 Plant biomass consumed in a crater ................................................. 23 Unused forage profitability ............................................................... 23

RESULTS .................................................................................................................... 23

Probability of meadow use ......................................................................... 23 Foraging intensity ........................................................................................ 24 Plant biomass consumed in individual craters ......................................... 25

DISCUSSION ............................................................................................................... 26

Energy costs of foraging (C) and meadow attributes .............................. 27 Missed opportunity costs (MOC) ............................................................... 27

Predation costs (P) ....................................................................................... 28

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VIII

CONCLUSION ............................................................................................................. 30

ACKNOWLEDGEMENTS .............................................................................................. 30

REFERENCES CITED.................................................................................................... 31

CONCLUSION GÉNÉRALE ........................................................................................... 37 L'EFFORT D'APPROVISIONNEMENT ............................................................................. 38 PERSPECTIVES ........................................................................................................... 42

BIBLIOGRAPHIE GÉNÉRALE...................................................................................... 45

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IX

LISTE DES TABLEAUX

Table 1: Coefficients and standard errors for mixed-effects logistic regression model

predicting the probability that bison foraged in a given meadow in Prince Albert National

Park (Saskatchewan, Canada) during the winters of 1997, 1998 and 2011. Independent

variables included snow water equivalent, missed opportunity costs of foraging in that

meadow and not elsewhere (Meadow

LandscapeMOC ), wolf presence (absence = 0, presence = 1) and

meadow area (log-transformed). N = 221 surveys in 26 meadows. ..................................... 24

Table 2: Coefficients and standard errors of a linear mixed effects model relating total log-

transformed crater area (ha) in individual meadows to snow water equivalent, missed

opportunity costs of foraging in that meadow and not elsewhere (Meadow

LandscapeMOC ), wolf

presence (absence = 0, presence = 1) and meadow area (log-transformed). A total of 144

snow craters were recorded in 26 meadows in Prince Albert National Park (Saskatchewan,

Canada) during the winters of 1997, 1998 and 2011. Pseudo R2 = 0.60. ............................. 25

Table 3: Relative level of support by competing models explaining plant biomass

consumed in craters by plains bison in Prince Albert National Park (Saskatchewan, Canada)

during the winters of 1997, 1998 and 2011. Differences in AIC (AIC) between the current

model and the lowest scoring model are presented. ............................................................. 26

Table 4: Coefficients and standard errors for the top-ranking mixed effects linear model

relating average plant biomass consumed in a crater (g/m2) to snow water equivalent,

global MOC (Patch

LandscapeMOC ), wolf presence (absence = 0, presence = 1) and meadow area

(log-transformed). A total of 262 quadrats of plant biomass were assessed in individual

craters comprised in 26 meadows in Prince Albert National Park (Saskatchewan, Canada)

during the winters of 1997, 1998 and 2011. Pseudo R2 = 0.65. ........................................... 26

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XI

AVANT-PROPOS

Ce mémoire de maîtrise vise à mieux comprendre les variations de l'effort

d'approvisionnement du bison des plaines en hiver. Il comprend trois parties, dont une

introduction générale, un chapitre principal, rédigé en anglais dans le but d'être publié dans

une revue scientifique internationale, et une conclusion générale. En tant que première

responsable de ce projet, je serai la première auteure de l'article. Daniel Fortin, en tant que

directeur de recherche ayant contribué à l'élaboration du projet et du protocole de

recherche, ainsi qu'à la rédaction et à la révision de ce mémoire, sera co-auteur de l'article.

REMERCIEMENTS

Les premiers remerciements vont à mon directeur de recherche, Daniel Fortin, pour

l'opportunité qui m'a été offerte. Je lui suis reconnaissante d’avoir eu la chance de travailler

sur une espèce charismatique comme le bison et d'avoir pu réaliser mes travaux de terrain

en Saskatchewan. Les deux années passées dans son laboratoire m'ont permis de

développer plusieurs aptitudes essentielles sur le marché du travail. J'aimerais également le

remercier pour ses conseils judicieux. Sa passion et sa rigueur étaient belles à voir.

J'aimerais également remercier les membres du laboratoire de Daniel Fortin que j'ai

côtoyés tout au long de ma maîtrise. En plus de leurs conseils toujours pertinents, ils m'ont

apporté support et rires. J'aimerais remercier plus particulièrement Jerod Merkle, Marie

Sigaud et Angélique Dupuch pour leur aide lorsqu'est venu le temps de réviser mon

mémoire et mon manuscrit.

Évidemment, mes travaux de terrain n'auraient pas été possibles sans l'aide de mes

deux assistantes de terrain, Maude Gauthier-Bouchard et Viviane Fargeot, qui ont travaillé

sans relâche malgré la température parfois capricieuse. Elles ont contribué, chacune à leur

façon, à rendre mes travaux sur le terrain inoubliables.

Mes remerciements vont également aux membres du personnel du parc national de

Prince Albert, en particulier Glenn Rupert et Seth Cherry, pour leur support logistique lors

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des travaux de terrain. Leurs idées sur le projet étaient toujours les bienvenues et les soirées

passées en leur compagnie, remplies de rires. Je voudrais également remercier les gens du

centre de recherche sur la santé animale de Deschambault pour leur temps et leur aide

apportée au projet.

Un merci à Steeve Côté et Stéphane Boudreau pour leurs idées concernant le

proposé de recherche et un merci à Steeve Côté et Burt Kotler pour leurs commentaires sur

le mémoire.

Enfin, je tiens à remercier ma famille et mes amis pour leur support, leurs

encouragements et leurs conseils tout au long de ma maîtrise. Leur patience et leur oreille

attentive ont été grandement appréciées. Je suis bien chanceuse de vous avoir dans ma vie.

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1

INTRODUCTION GÉNÉRALE

CADRE THEORIQUE

L’intensité des interactions entre un consommateur et ses ressources, c'est-à-dire le

taux de la consommation d'une ressource par un consommateur, est l'une des propriétés

fondamentales qui façonnent un réseau trophique (Berlow et al. 2004). L'intensité de ces

interactions peut varier spatialement et donc structurer les assemblages d'espèces, et de

façon plus générale, le fonctionnement des écosystèmes. Lorsque ces interactions sont de

forte intensité, des changements à un niveau trophique élevé (p. ex., la suppression d'un

prédateur de sommet) peuvent entraîner des modifications majeures dans les interactions

entre les autres espèces, avec des répercussions pouvant se ressentir à travers l'écosystème

entier (Paine 1980).

L'effort d'approvisionnement

Les variations spatiales dans l’intensité des interactions entre un consommateur et sa

ressource peuvent refléter un comportement optimal du consommateur, qui lui permet de

maximiser son taux d’acquisition de ressource. Charnov (1976) a démontré comment des

décisions liées à un approvisionnement optimal peuvent entraîner des interactions

trophiques structurées spatialement. En effet, selon le théorème de la valeur marginale

(Charnov 1976), l’individu devrait optimiser le ratio coûts/bénéfices en équilibrant les

coûts qu’imposent la recherche et la manipulation de nourriture avec les gains associés à la

consommation de la nourriture (Mogerman 2010). Ainsi, le consommateur ne devrait pas

passer le même temps à s’alimenter dans toutes les parcelles, car ses gains énergétiques

seront maximisés s’il cesse de s’alimenter dans une parcelle dès que son taux

d’approvisionnement aura diminué pour atteindre le taux moyen attendu pour l’ensemble

de l’environnement (Charnov 1976). L’animal devrait alors abandonner la parcelle pour en

chercher une autre plus profitable (Danchin et al. 2005). Cette simple règle de décision

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pourrait engendrer une structuration spatiale dans l’intensité des relations ressource-

consommateur.

Brown (1988) a poussé le concept plus loin en prédisant que l'effort local

d'approvisionnement devrait être ajusté 1) aux coûts énergétiques encourus lors de

l'approvisionnement, 2) au taux de gains énergétiques attendu dans une parcelle donnée

comparativement au taux anticipé dans les autres parcelles disponibles et 3) au risque de

prédation. En d'autres termes, le taux d'approvisionnement (Harvesting rate; H) sera égal

aux coûts liés aux dépenses énergétiques encourues durant l'alimentation (Feeding costs;

C), aux opportunités manquées (Missed opportunity costs; MOC) et à la prédation

(Predations costs; P), ce qui se traduit par l'équation : H = C + MOC + P.

Ce concept a été utilisé afin d’identifier des facteurs (p. ex., régime alimentaire,

substrat d'alimentation, présence de refuges) pouvant influencer l'effort

d'approvisionnement des animaux. Des parcelles artificielles contenant une ressource

alimentaire, dont l'abondance est établie par l'expérimentateur, sont utilisées la plupart du

temps pour déterminer la densité de nourriture que le consommateur laisse dans la parcelle

lorsqu’il cesse de s’y alimenter (c.-à-d., la densité de nourriture à l’abandon, GUD de

l’anglais giving-up density; Brown 1988). L'approche permet ensuite de suivre les

changements temporels du taux d'acquisition de nourriture et de l’effort

d’approvisionnement du consommateur dans différents environnements (Hochman et

Kotler 2007). Une valeur de GUD élevée indique que le consommateur perçoit la période

d'alimentation comme étant relativement coûteuse par rapport aux bénéfices obtenus, tandis

qu'une valeur de GUD faible indique la perception d’un faible rapport coûts/bénéfices

(Mogerman 2010). Ces idées ont été testées avec succès notamment chez le bouquetin de

Nubie (Capra nubiana; Kotler et al. 1994, Hochman et Kotler 2007), le cerf de Virginie

(Odocoileus virginianus; Rieucau et al. 2007), le cerf mulet (Odocoileus hemionus;

Altendorf et al. 2001), la souris à pattes blanches (Peromyscus leucopus; Morris et

Davidson 2000), le campagnol à dos roux (Myodes gapperi; Lemaître et al. 2010), le lièvre

d'Amérique (Lepus americanus; Hodson et al. 2010), ainsi que le bison (Bison bison) et le

zèbre des plaines (Equus burchelli), tous deux captifs (Mogerman 2010). Des études

récentes ont suggéré qu'un « paysage de la peur » pourrait être cartographié en mesurant les

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densités de nourriture à l'abandon dans un environnement où le risque de prédation varie

spatialement. Dans ce cas, une valeur de GUD élevée indiquerait une perception du risque

de prédation élevée (Shrader et al. 2008, Abu Baker et Brown 2010, Abu Baker et Brown

2012, Iribarren et Kotler 2012). D'autres études ont utilisé le cadre général de Brown

(1988) pour esquisser les variations spatiales des MOC en plaçant de façon stratégique

différents types de parcelles artificielles dans le paysage (Rieucau et al. 2009, Vickery et al.

2011).

Les recherches basées sur les GUD utilisent pour la plupart un dispositif de

parcelles artificielles de nourriture. L'étude du comportement d'animaux évoluant en liberté

et s’alimentant dans des parcelles devrait toutefois informer de façon plus directe sur les

facteurs écologiques faisant varier spatialement l’intensité des interactions trophiques et le

fonctionnement des écosystèmes. Le cadre développé par Brown (1988) peut d’ailleurs être

utilisé dans un environnement naturel en adoptant une approche multivariée afin de

modéliser les covariables de l'habitat qui devraient influencer chacun des trois types de

coûts associés à l'approvisionnement : C, MOC, et P.

Coûts liés aux dépenses énergétiques encourues durant l'alimentation

Les coûts métaboliques liés à l'alimentation sont influencés par les dépenses

énergétiques associées à la recherche de nourriture (Brown 1988). Par exemple, la

température ambiante peut influencer l'énergie que les homéothermes doivent allouer à la

thermorégulation (Schwartz et al. 1988, Clavijo-Baque et Bozinovic 2012). Les conditions

de neige peuvent aussi avoir un impact considérable sur les dépenses énergétiques

encourues durant l'alimentation, et donc sur le comportement d'approvisionnement de

nombreux animaux. Par exemple, les déplacements du cerf mulet sont limités par la

profondeur de la neige (Parker et al. 1984) et la présence d'une croûte de neige (Kie 1999).

De même, le bison des plaines (B. b. bison; Fortin 2003, Fortin et al. 2003) et le wapiti

(Cervus canadensis; Fortin et al. 2005) ajustent leur effort d'approvisionnement à la

profondeur et à la densité de la neige, tout comme le wombat commun (Vombatus ursinus;

Matthews 2010).

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Coûts liés aux opportunités manquées

Les coûts liés aux opportunités manquées peuvent être associés à toutes les activités

qui pourraient augmenter la valeur adaptative d’un individu, mais que celui-ci doit délaisser

lorsqu’il se nourrit dans une parcelle de nourriture donnée. Parmi ces activités, on compte

la défense du territoire, la reproduction et l'approvisionnement dans une parcelle différente

(Shrader et al. 2008). Ici, on s'attardera aux coûts liés aux opportunités manquées induits

par la recherche de nourriture.

Pour un herbivore, ces coûts peuvent varier selon la profitabilité de la végétation (c.-

à-d., énergie digestible/temps de manipulation; Fortin 2001) dans une parcelle donnée par

rapport à la profitabilité des autres parcelles. La profitabilité inclut deux éléments

importants : l’énergie que l’herbivore peut extraire de la plante et le temps nécessaire pour

la brouter, la mastiquer et l’avaler. Une augmentation de la biomasse végétale entraîne

généralement une diminution de l'énergie digestible pour les grands herbivores, tandis que

cette augmentation diminue le temps de manipulation de chaque bouchée de végétation

(Wilmshurst et al. 1995, Bergman et al. 2001). Ainsi, une végétation hautement profitable,

qui offre une énergie digestible élevée et qui prend peu de temps à être manipulée, aura

souvent une biomasse intermédiaire. La profitabilité de la végétation peut varier

spatialement non seulement en fonction de la biomasse de la végétation (Wilmshurst et al.

1995, Bergman et al. 2001), mais selon les espèces composant les communautés végétales

(Fortin et al. 2002, Courant et Fortin 2010). Lorsqu'un animal vit dans un environnement où

la nourriture est hautement profitable, les coûts liés aux opportunités manquées deviennent

élevés après relativement peu de temps dans une parcelle. Afin de maximiser sa valeur

adaptative, l'individu devrait alors s'approvisionner de façon sélective et quitter la parcelle

de nourriture relativement tôt (Murden et Risenhoover 1993).

La recherche de nourriture chez les herbivores résulte de décisions à plusieurs

niveaux (Bailey et al. 1996). Par conséquent, les opportunités manquées peuvent aussi être

définies à plusieurs niveaux (Olsson et Molokwu 2007, Vickery et al. 2011, von Post et al.

2012). Les coûts liés aux opportunités manquées peuvent être estimés, par exemple, comme

la différence entre la profitabilité moyenne de la végétation présente dans l'ensemble du

paysage et la profitabilité de la végétation présente dans la parcelle où l’animal s'alimente.

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5

D’un autre côté, les MOC peuvent être définies comme étant la différence entre la

profitabilité moyenne de la végétation présente dans l'ensemble du paysage et la

profitabilité de la végétation présente dans un site d'approvisionnement occupant une partie

du paysage (p. ex., un pré). Enfin, les MOC peuvent se calculer comme étant la différence

entre la profitabilité moyenne de la végétation présente dans un site et la profitabilité de la

végétation présente dans la parcelle où l’animal s'alimente à l’intérieur de ce site.

La profitabilité de la végétation constitue une bonne devise de comparaison

puisqu'elle sous-tend le fait que l’animal fait des choix alimentaires qui maximisent ses

gains énergétiques, une hypothèse supportée par le comportement de plusieurs espèces de

grands herbivores (Wilmshurst et al. 1995, Courant et Fortin 2012b). En effet, les gains

énergétiques influencent la répartition de certaines espèces animales. Par exemple, les

bisons du parc national des Prairies ajustent leur répartition à celle des plantes offrant un

apport rapide en énergie digestible plutôt qu’à celle des plantes offrant un apport rapide en

sodium ou en phosphore (Babin et al. 2011).

Coûts liés à la prédation

Les coûts liés à la prédation (P) sont relativement élevés dans les zones où il y a un

fort risque de prédation, comme dans un habitat fortement utilisé par les prédateurs (Brown

1988, Brown et Kotler 2004, Fortin et al. 2004) ou un habitat qui permet un meilleur succès

de chasse (Gese et al. 1996, Hopcraft et al. 2005, Balme et al. 2007, Lecomte et al. 2008).

Un risque de prédation accru incitera les proies à être plus vigilantes, entraînant ainsi une

augmentation des coûts liés à la prédation (Brown et Kotler 2004, Fortin et al. 2004) et une

diminution de l'utilisation d'un site particulier. La taille de groupe de proies peut aussi

influencer les coûts liés à la prédation, car la présence d'autres individus peut offrir

plusieurs avantages pour contrer la prédation. D'abord, la présence de congénères crée un

effet de dilution, c'est-à-dire que plus il y a d'individus dans un groupe, plus il y a de proies

alternatives pour un prédateur et moins un individu risquera d'être pris pour cible (Hamilton

1971). Ensuite, un groupe de grande taille permet aux individus de réduire le temps passé à

être vigilant (Elgar 1989, Roberts 1996, Li et al. 2009). Dans ce cas, la présence de

congénères augmente la probabilité qu'au moins un membre du groupe détecte le prédateur,

ce qui permettrait à chacun des membres du groupe de diminuer le temps passé à être

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vigilant et d'augmenter le temps alloué à l'alimentation (Danchin et al. 2005). Enfin, un

groupe de grande taille permet de réduire les coûts liés à la prédation grâce à une défense

concertée contre un prédateur éventuel (Danchin et al. 2005). Par exemple, chez le bœuf

musqué (Ovibos moschatus), les mâles forment une ligne défensive autour des femelles et

des jeunes pour les protéger lorsqu'ils sont menacés par les loups (Garay 2009). Il a

également été observé que chez certaines espèces d'oiseaux, des adultes se regroupent près

des nids pour empêcher un prédateur potentiel d'atteindre les œufs (Krebs 1985, Krebs et

Davies 1993).

Les coûts associés à la prédation et la stratégie anti-prédatrice adoptée par la proie

dépendent de l'importance donnée à l’acquisition des ressources par rapport à l’évitement

de la prédation. Par exemple, la répartition des ressources alimentaires dans le paysage

influence fortement les déplacements des individus vivant dans un milieu où la nourriture

est fortement concentrée dans un habitat particulier. Dans ce cas, le coût en valeur

adaptative associé à l'utilisation d'un autre type d'habitat, moins riche en ressources

alimentaires, peut dépasser les gains en valeur adaptative associés à l'évitement du

prédateur. Les coûts associés au risque de prédation peuvent aussi varier grandement selon

la taille de la proie, puisque le risque de mortalité résultant de la prédation tend à être plus

faible chez les grandes proies que chez les petites (Sinclair et al. 2003). Les coûts associés

au risque de prédation et la perception qu'un individu a de ce risque peuvent se refléter dans

son effort d'approvisionnement (Kotler et al. 1994, Rieucau et al. 2007, Hodson et al. 2010,

Lemaître et al. 2010), de même que dans le jeu spatial joué avec son prédateur (Sih 1987).

Le jeu prédateur-proie tient du fait qu’une proie va tenter d’éviter son prédateur

alors que le prédateur va chercher à rencontrer sa proie (Sih 1987, Lima 1998). Dans la

terminologie du jeu spatial, la proie gagne le jeu spatial lorsqu'il y a ségrégation spatiale

entre la proie et le prédateur, alors qu'une association spatiale positive implique que le

prédateur gagne ce jeu spatial (Sih 2005). Ce jeu peut prendre plusieurs formes et mener à

différents résultats selon les aptitudes de la proie et du prédateur : 1) le jeu de passe-passe

(predator-prey shell game; Mitchell et Lima 2002, Laundré 2010), 2) l'effet saute-mouton

(leapfrog effect; Sih 1998, Sih 2005) ou 3) l'absence d'évitement spatial du prédateur par la

proie (Sih 2005).

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Le jeu de passe-passe se caractérise par des déplacements fréquents et relativement

imprévisibles de la proie à travers le paysage afin d'empêcher le prédateur de connaître sa

position (Mitchell et Lima 2002, Laundré 2010). Dans ce cas, le « gagnant » dépend de la

capacité de la proie à être imprévisible, de la capacité du prédateur à trouver la proie, et

dans le cas d'un paysage hétérogène, du type d'habitat. Par exemple, dans le cas d'un jeu

spatial prenant place entre le cougar (Puma concolor) et le cerf mulet, le cougar gagne ce

jeu spatial à la lisière de la forêt, alors que le cerf mulet remporte le jeu dans les zones

ouvertes et dégagées (Laundré 2010).

Lorsque le prédateur est incapable d’anticiper la localisation de sa proie, il peut lui

être avantageux de visiter les zones riches en nourriture pour la proie. Ce comportement du

prédateur peut chasser la proie hors de ces parcelles productives, entraînant alors un effet

saute-mouton selon lequel le prédateur sélectionne les parcelles productives tandis que la

proie sélectionne des parcelles moins riches en nourriture (Sih 2005). Cette situation

semble plus susceptible d'apparaître lorsque la proie est généraliste et donc lorsqu’elle peut

trouver une certaine quantité de nourriture dans plusieurs types de milieu. C'est notamment

le cas du puceron du pois (Acyrthosiphon pisum) qui se nourrit sur les plants de fèves

(Vicia faba). Son prédateur, la coccinelle à sept points (Coccinella septempunctata), utilise

les plants de fèves comme indice de la présence du puceron dans une parcelle, tandis que la

présence du prédateur pousse le puceron vers des parcelles de moins bonne qualité

(Williams et Flaxman 2012).

La proie peut également simplement subir le risque de prédation sans être capable

ou disposée à se séparer de son prédateur. Cette situation entraîne une similarité entre la

répartition de la proie et celle de son prédateur, permettant ainsi au prédateur de gagner le

jeu spatial. La proie peut néanmoins modifier son comportement à une échelle plus fine

afin de minimiser les coûts associés au risque de prédation. Par exemple, la proie peut

augmenter le temps passé en vigilance, utiliser certains milieux lui permettant de se

dissimuler du prédateur (Mao et al. 2005) ou élargir son régime alimentaire parce que

l'appréhension d’une attaque la pousse à partager son temps entre l'alimentation et la

vigilance (Fortin et Fortin 2009, Périquet et al. 2012).

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8

POPULATION À L'ÉTUDE

L’étude des variations spatiales de l’effort d’approvisionnement du bison peut

générer des connaissances utiles tant sur le plan de la conservation que sur le plan

fondamental. Il y a trois cents ans, des dizaines de millions de bisons peuplaient les plaines

d’Amérique du Nord. À la fin du 19ème

siècle, les populations de bisons ont été décimées

par la colonisation européenne, réduisant ainsi les effectifs à quelques centaines seulement

(COSEPAC 2004, Fortin et al. 2010). Aujourd’hui, même s’il y a près d’un demi-million

de bisons en Amérique du Nord, moins de 1% de ceux-ci se déplacent librement dans leur

aire de répartition historique au Canada (Fortin et al. 2010). C’est pour cette raison que le

comité sur la situation des espèces en péril au Canada (COSEPAC) considère le bison des

plaines comme menacé depuis 2004 (COSEPAC 2004) et que l’Union internationale pour

la conservation de la nature (UICN) indique sur leur Liste rouge que les bisons sont quasi

menacés (Gates et Aune 2008). Des conflits potentiels entre les bisons et les humains,

comme la compétition pour l’espace, font partie des menaces actuelles pouvant nuire au

maintien et au rétablissement des populations de l’espèce. Il devient donc nécessaire de

comprendre les facteurs qui influencent la qualité de l’habitat du bison, de même que ceux

pouvant causer des conflits avec les humains.

L’habitat des 150 bisons (Parcs Canada, données non publiées) du parc national de

Prince Albert est caractérisé par l’agglomération des ressources alimentaires dans les prés,

situés à l’intérieur d’une matrice forestière. L’étude des changements de l’effort

d’approvisionnement peut améliorer notre compréhension des facteurs qui augmentent ou

diminuent la qualité des différents prés pour l’espèce. Le suivi simultané des loups gris

(Canis lupus) dans cette région peut aider à comprendre dans quelle mesure ce prédateur

influence l’approvisionnement du bison des plaines. Plusieurs meutes de loups sont

présentes dans le parc et certains bisons montrent des signes d'altercation avec les loups (p.

ex., queue manquante et cicatrices). Depuis 2007, au moins cinq femelles parmi celles qui

étaient munies de colliers GPS ont été tuées par des loups. Comme la population évolue

librement, il arrive que des individus s’aventurent sur les terres agricoles privées adjacentes

au parc. Cette situation pourrait éventuellement compromettre la possibilité de préserver

cette population en toute liberté. Cette population est toutefois d’importance nationale, car

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9

elle est la seule population de bisons des plaines qui évolue librement dans son aire de

répartition historique au Canada (Fortin et al. 2010). Des stratégies visant à réduire les

déplacements des individus dans certains secteurs sont en cours de développement. Afin de

maximiser leur efficacité, elles devraient prendre en compte les variations spatiales de

l'utilisation de l'habitat par le bison et les facteurs qui peuvent influencer ces variations.

OBJECTIF DE L'ÉTUDE

L’objectif général de mon étude consistait à identifier les facteurs qui déterminent

l’effort d’approvisionnement hivernal du bison des plaines exposé à la prédation par le loup

gris, de même que la façon dont ces facteurs font varier l’intensité de l’herbivorie du bison

dans le parc national de Prince Albert. Plus spécifiquement, j’ai évalué la variation de

l'effort d'approvisionnement du bison des plaines en hiver en fonction des coûts associés

aux dépenses énergétiques encourues durant l'approvisionnement, aux opportunités

manquées et au risque de prédation. Dans le cas des coûts associés aux opportunités

manquées, il s'agissait également de comparer deux niveaux (coûts globaux : Pré

PaysageMOC ou

Cratère

PaysageMOC et coûts locaux : Cratère

PréMOC ) en fonction desquels les opportunités manquées

peuvent être quantifiées. Dans le cas des coûts associés à la prédation, il s’agissait aussi

d'identifier le jeu spatial entre le bison et le loup.

Approche empirique

L’étude évalue l'effort d'approvisionnement du bison des plaines en caractérisant les

cratères que les bisons forment en hiver en repoussant la neige avec leur tête pour accéder à

la végétation. Dans le parc national de Prince Albert, la végétation de haute profitabilité

pour le bison est organisée en une mosaïque à plusieurs niveaux d’hétérogénéité : des prés

riches en nourriture se trouvent à l'intérieur d'une matrice forestière, et chacun des prés

comprend plusieurs communautés végétales variant en profitabilité (Fortin 2003, Fortin et

al. 2003).

Une approche multivariée a été utilisée afin de modéliser l'effort

d'approvisionnement en fonction d’attributs de l’habitat associés aux coûts liés aux

dépenses énergétiques encourues lors de l'alimentation (C), aux opportunités manquées

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(MOC) et au risque de prédation (P). La probabilité qu'un pré soit utilisé par les bisons,

l'aire totale couverte par les cratères dans un pré, la proportion d'un pré couverte par des

cratères ainsi que la biomasse végétale consommée dans un cratère sont les variables qui

ont été utilisées pour caractériser l'effort d'approvisionnement du bison. Au total, 221

relevés ont été effectués à l'intérieur de 26 prés dans lesquels 144 cratères ont été

caractérisés. Comme l'étude s'est déroulée en hiver, les C sont estimés à partir des

conditions de neige. Dans le cas des MOC, j'ai testé lequel des deux points de référence,

MOC globaux et MOC locaux, expliquait le mieux la variation de l'effort

d'approvisionnement local. Les MOC globaux sont calculés en prenant comme point de

référence la profitabilité de la végétation dans l'ensemble du paysage tandis que les MOC

locaux se définissent en utilisant comme valeur de référence la profitabilité de la végétation

présente dans l’ensemble du pré où l’animal s’alimente. Enfin, le jeu spatial entre les bisons

et les loups a été caractérisé en identifiant la nature de l'association spatiale entre les deux

espèces, en utilisant notamment les 18 716 localisations de bisons et de loups munis d'un

collier GPS (système de géolocalisation par satellite; de l'anglais Global Positioning

System).

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11

CHAPITRE PRINCIPAL

Spatial heterogeneity in the strength of plant-herbivore interactions

under predation risk: the tale of bison foraging in wolf country

LÉA HARVEY1 & DANIEL FORTIN

1

1Laboratoire d'Écologie Comportementale et de Conservation de la Faune; Département de

biologie et Centre d'étude de la Forêt; Université Laval, Québec, QC, G1V 0A6, Canada.

LH: [email protected]; DF: [email protected]

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12

ABSTRACT

Spatial heterogeneity in the strength of trophic interactions is a fundamental

property of food web spatial dynamics. The feeding effort of herbivores should reflect

adaptive decisions that only become rewarding when foraging gains exceed 1) the

metabolic costs (C), 2) the missed opportunity costs (MOC) of not foraging elsewhere, and

3) the foraging costs of anti-predator behaviour (P). Two aspects of these costs remain

largely unexplored: the link between the strength of plant-herbivore interactions and the

spatial scale of food-quality assessment, and the predator-prey spatial game. We modeled

the foraging effort of free-ranging plains bison (Bison bison bison) in winter, within a

mosaic of discrete meadows. Spatial patterns of bison herbivory were largely driven by a

search for high net energy gains and, to a lesser degree, by the spatial game with grey

wolves (Canis lupus). Bison decreased local feeding effort with increasing C and MOC.

Bison herbivory was most consistent with a broad-scale assessment of food patch quality,

i.e., bison grazed more intensively in patches with low MOC relative to other patches

available in the landscape. Bison and wolves had a higher probability of using the same

meadows than expected randomly. This co-occurrence indicates wolves are ahead in the

spatial game they play with bison. Wolves influenced bison foraging at fine scale, as bison

consumed less biomass at each feeding station when in meadows where the risk of a wolf’s

arrival was relatively high. Also, bison left more high-quality vegetation in large than small

meadows. This behavior does not maximize their energy intake rate, but is consistent with

bison playing a shell game with wolves. Our assessment of bison foraging in a natural

setting clarifies the complex nature of plant-herbivore interactions under predation risk, and

reveals how spatial patterns in herbivory emerge from multi-scale landscape heterogeneity.

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INTRODUCTION

The interaction strength between a consumer and its resources is one of the most

fundamental properties shaping food webs (Paine 1992, Berlow et al. 2004). Spatial

variation in the strength of resource-consumer interactions can reflect adaptive decisions by

foragers. Charnov’s (1976) landmark paper demonstrates how optimal foraging decisions

can produce spatial structure in trophic interactions. The general principle is that no

foraging opportunity is lost by remaining at a given feeding site until resource availability

in that feeding site drops below a given threshold. Accordingly, foragers should experience

fitness gains by consuming prey only at feeding sites where they experience at least the

average net energy intake rate available in the landscape (Charnov 1976). Brown (1988)

expanded the concept by predicting that local feeding effort should be adjusted to 1) the

energy costs (C) of foraging, 2) the missed opportunity costs (MOC), such as those

experienced by not foraging at a different site, and 3) the foraging costs of predation (P).

Optimal foragers should leave a patch when their harvest rate (H) equals their foraging

costs: H = C + MOC + P.

This framework has been successfully used to explain spatial variation in foraging

effort by a number of species, such as Nubian ibex (Capra nubiana; Kotler et al. 1994,

Hochman and Kotler 2007), white-tailed deer (Odocoileus virginianus; Rieucau et al.

2007), mule deer (O. hemionus; Altendorf et al. 2001), captive bison (Bison bison) and

plains zebra (Equus burchelli; Mogerman 2010). These studies generally evaluate the rate

of forage gain in artificial food patches. The behaviour of free-ranging animals foraging on

natural food in an unaltered setting, however, might provide more direct insight into the

ecological determinants of spatial variation in the strength of trophic interactions.

Following Brown’s (1988) framework, local foraging efforts in natural settings can be

related to habitat covariates associated with each of the three foraging costs: C, MOC, and

P.

Energy costs of foraging (C)

Metabolic costs of foraging depend on a variety of habitat features influencing

energy expenditures (Brown 1988). For example, environmental temperature influences the

energy that homeotherms allocate to thermoregulation (Schwartz et al. 1988, Clavijo-Baque

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and Bozinovic 2012). Snow conditions can also impact foraging costs in temperate regions

(Parker et al. 1984) by influencing the costs of searching, handling and extracting food

from the snow. As a result, mule deer, plains bison (B. b. bison), elk and wombats

(Vombatus ursinus) adjust their movements and local foraging efforts to snow depth and

density (Kie 1999, Fortin 2003, Fortin et al. 2005, Matthews 2010). The pawing rate of

muskoxen (Ovibos moschatus) is also influenced by snow characteristics (Schaefer and

Messier 1995).

Missed opportunity costs (MOC)

Missed opportunity costs include any fitness enhancing activity given up while an

individual forages in a particular feeding site, such as defending a territory, breeding, or

foraging at another site (Shrader et al. 2008). Here we focus on foraging-related MOCs.

When an individual lives in an environment rich in high-quality food, MOCs are high, and

there should be fitness benefits to feed selectively and leave individual patches relatively

soon (Charnov 1976, Stephens and Krebs 1986, Murden and Risenhoover 1993). For

example, white-tailed deer and Angora goats (Capri hircus) respond to habitat enrichment

by feeding more selectively on natural forage (Murden and Risenhoover 1993).

The foraging patterns of consumers result from behavioural adjustments to multi-

level patterns of resource distribution (Boyce et al. 2003, Courant and Fortin 2012a). The

food bites of a herbivore can be clustered into plant patches, which in turn, can be

aggregated in foraging sites, and several of these sites ultimately comprise the animal’s

home range (Bailey et al. 1996). Accordingly, MOCs can be quantified at multiple levels

(Olsson and Holmgren 1999, Olsson and Molokwu 2007, Vickery et al. 2011). At the

landscape level (e.g., home range level for wide-ranging species), foraging-related MOC

can be quantified as the difference between the average food profitability (profitability: E =

digestible energy / handling time) of all feeding sites available over the landscape and food

profitability of the feeding site currently occupied (Site

LandscapeMOC = ELandscape - ESite).

Assuming that the number of feeding sites is large (i.e., negligible impact of removing or

adding one site on the coefficient of variation for average food profitability), average food

profitability in the landscape can be seen as a constant (Fortin 2003, Olsson and Molokwu

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2007) related to the forager’s long-term expectations. In this case, -ESite can serve as a

surrogate for Site

LandscapeMOC because the two variables would be directly proportional to one

another.

Animals can also assess food quality based on their local foraging experience

(Fortin 2003, Dias et al. 2009). MOC when foraging in a given plant patch within a feeding

site can thus be quantified at two levels: 1) by comparing the patch to other patches

available in the landscape (Patch

LandscapeMOC = ELandscape - EPatch), and 2) by comparing the patch

to the vegetation available in the rest of the feeding site ( Patch

SiteMOC = ESite - EPatch). In the

first case, Patch

LandscapeMOC should be proportional to -EPatch, assuming that a large number of

foraging patches are available in the landscape. This estimation of MOC would be

consistent with McNamara et al.’s (1993) contention that patch residency time (i.e., local

foraging effort) depends on the long-term expectations of energy gain. In the second case,

Patch

SiteMOC would reveal adjustments to the local potential of energy gain. This approach is

more consistent with foragers making foraging decisions based on short-term sampling

experiences (Krebs and Inman 1992, Real 1992, Searle et al. 2007, Wolf et al. 2009).

Multi-level definition of MOCs has remained largely unexplored, but might be the key to

understanding the spatial structure in foraging effort.

Predation costs (P)

Foraging costs of predation (P) increase with predation risk, such as in habitats

often used by predators (Brown 1988, Brown and Kotler 2004, Fortin et al. 2004b) or

where predators are most likely to succeed in capturing prey (Gese et al. 1996, Hopcraft et

al. 2005, Balme et al. 2007, Lecomte et al. 2008). Prey are predicted to forage less in risky

areas because they spend more time scanning their surroundings (Altendorf et al. 2001, Li

et al. 2009). The impact of predation risk on local feeding effort, however, may depend on

the spatial game between predators and prey (Sih 2005).

Prey have an evolutionary incentive to lessen the foraging costs of predation risk

because of their fitness consequences (Sih 1987, Lima 1998). The prey’s ability to do so

may depend on their capacity to win the spatial game they play with predators. If prey can

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segregate themselves from predators, they are considered as being ahead in the spatial

game, whereas a positive spatial association would imply that predators are the game's

winners.

The predator-prey spatial game can take many forms. Prey may play a shell game

by making frequent and relatively unpredictable movements across the landscape to prevent

the predator from knowing their location (Lima 2002, Mitchell and Lima 2002, Laundré

2010). When predators are unable to predict the location of their prey, they may benefit

from surveying sites rich in their prey’s food. This behaviour can drive prey out of these

productive sites, and may result in a leapfrog effect, whereby predators select sites rich in

their prey’s food, while prey select poorer sites (Sih 2005). This situation more likely

occurs when prey use a variety of habitats (Schmitz et al. 2004) and, therefore, do not have

strong spatial constraints or anchor points within the landscapes. Leapfrog effects imply

less intensive plant-herbivore interactions in productive patches comprised of highly

profitable plant species. Prey would therefore not maximize their energy intake rate, and

the relevant foraging currency would be more closely linked to a ratio between foraging

gains and predation costs (Sih 1998).

Alternatively, prey may simply undergo predation risk without being able (or

willing) to segregate themselves from predators, resulting in the predator winning the

spatial game (Sih 2005). This lack of response still allows the prey to play a shell game

with their predators, in which case, both use patches rich in profitable vegetation for the

prey, but not necessarily at the same time. Playing the shell game might lead to earlier

departure than expected from energy-maximization principles (i.e., before patch depression,

sensu Illius and Fryxell 2002, Kotler et al. 2002). The cumulative impact of herbivory on

vegetation could then also strongly depend on the return rate of herbivores to individual

patches. The nature of the spatial game between predator and prey can therefore largely

control strength of plant-herbivore interactions (Schmitz et al. 2004).

In this study, we evaluated the foraging efforts of free-ranging plains bison during

winter in Prince Albert National Park, Canada, by characterizing snow craters that bison

dug to access the graminoids growing in meadows. In the park, high-quality forage for

bison is organized in a multi-level mosaic: several plant communities differing in

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profitability (i.e., foraging patches) are found in meadows (i.e., feeding sites), which are

imbedded in a forest matrix (i.e., landscape). We used a multivariate approach to model

foraging efforts as a function of covariates associated with each of C, MOC and P. In the

case of MOC, we tested the relative empirical support provided by different reference

points used to assess food quality: global (Meadow

LandscapeMOC or Patch

LandscapeMOC ) and local (

Patch

MeadowMOC ) MOC. Finally, we also evaluated the wolf-bison spatial game by

characterizing the spatial association between wolves and bison, using location data from

GPS-collared individuals of both species.

METHODS

Study area

The study was conducted in the southwestern corner of Prince Albert National Park

(Saskatchewan, Canada). The area harbours one of the few free-ranging populations of

plains bison in North America. The bison occupy a landscape composed of forest (85%),

meadows (10%), and water bodies (5%; Fortin et al. 2003). The area included few roads

that are accessible to park staff and researchers. The most abundant plants found in wet and

mesic meadows consist of three tall plants (Carex atherodes, C. aquatilis, and Scolochloa

festucacea), three mid-size plants (wheatgrasses, Calamagrostis inexpansa and Juncus

balticus) and two short plants (Hordeum jubatum and Poa spp.). The main wheatgrasses are

Elymus trachycaulus and Pascopyrum smithii. These nine plants constitute 95% of the

bison diet in such meadows (Fortin et al. 2003). Multiple wolf packs are present in the

study area. A number of bison show signs of altercation with wolves (e.g., missing tails),

and since 2007, at least five of the radio-collared, adult female bison likely died from wolf

predation (Unpublished data).

Crater characteristics

During the winters of 1997, 1998 and 2011, we repeatedly surveyed 26 meadows

(25 visited 4 times in 1997-1998 and 11 visited 1 to 3 times in 2011) for fresh foraging

snow craters (i.e., those that were created since the previous visit) from 11 January to 27

March. We then estimated the area and the vegetation characteristics of each crater found.

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The area was estimated assuming simple geometric shapes (Fortin 2003). In most cases, the

crater was simply circular and its diameter was measured to estimate the area.

Vegetation characteristics

Plant biomass

During the surveys, we estimated the biomass of vegetation available and the

biomass consumed. Plant biomass available in each quadrat (0.25 m2) was visually scored

on a 0-9 scale in 1997-1998 and on a 0-5 scale in 2011 (i.e., from small to large amount of

vegetation). We established a relationship between plant biomass and visual scores after

clipping above-ground vegetation in ≥ 30 random quadrats, then weighing the samples and

allowing to dry for 60 h at 50°C (Fortin 2003). The resulting relationships were: dry

biomass (g/m2) = 82.229e

0.29(visual estimate), R

2 = 0.91, n = 39 for 1997-1998; and dry biomass

(g/m2) = 29.466e

0.5431(visual estimate), R

2 = 0.81, n = 30 for 2011.

In 1998 and 2011, plant biomass consumed (g/m2) in a given crater was

characterized based on 1 to 11 pairs of 0.25 m2 quadrats, depending on crater area (range:

0.9-5465 m2), and average values were used in subsequent analyses. A pair consisted of one

quadrat inside the crater and one at 30 cm outside the crater where the plant community

was similar (same species present in similar proportion) to the interior quadrat. Available

biomass was estimated from the exterior quadrat, and the biomass remaining after the

departure of bison was estimated from the interior quadrat. To obtain the plant biomass

consumed, the remaining biomass was subtracted from the available biomass for each pair

of quadrats.

In 1997, for each plant species in each quadrat, we visually estimated the percent

grazed and the proportion of the quadrat area covered by each plant species. Total plant

biomass consumed (Biom) in a quadrat (g/m2) was then calculated as:

1       0.40         

n

ii iBiom V Prop grazed

where Propi is the proportion of quadrat area comprised of plant species i among the n

species present in the quadrat, grazedi is the proportion of all plants of species i that were

grazed, and V (g/m2) is the visual estimate of total plant biomass in the quadrat. V was

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multiplied by 0.40 because bison generally consume only the top 40% of the vegetation

layer (Fortin et al. 2002, Courant and Fortin 2010).

Plant profitability

To assess the percent digestibility of the vegetation (%), we collected the top 40%

of the vegetation layer (Fortin et al. 2002, Courant and Fortin 2010) in ungrazed quadrats.

Samples were dried at 50°C for 60 h, ground, and their digestibility estimated following the

methods of Tilley and Terry (1963) with bovine rumen fluid (Bergman et al. 2001, Fortin et

al. 2002, Babin et al. 2011). Percent digestibility of vegetation was converted to digestible

energy (e, kJ/g) using the following equation: e = Digestibility (%) 18.4096 kJ/g

(Bergman et al. 2001), whereas dry matter intake (F, g/min) was estimated from our

estimate of dry plant biomass (V, g/m2) based on the functional response provided in Fortin

et al. (2002):

72.68      

141.61   

VF

V

We then estimated the expected profitability (E, kJ/min) of the vegetation in a given

quadrat as e (kJ/g) × F (g/min).

In 1997-1998, surveys were conducted by sampling 16-90 evenly spaced quadrats,

adjusted to meadow area, covering the entire focal meadows (see Fortin et al. 2002 for

details). The expected profitability of the vegetation was then calculated for the entire

meadow as the average of the expected profitability of all quadrats in the meadow. In 2011,

the sampling was done 1) for each snow crater (1-11 quadrats depending on crater area),

and 2) randomly in the unused part of the meadow (10-15 quadrats depending on meadow

area). Therefore, we estimated the expected profitability of the vegetation for the entire

meadow (EMeadow, kJ/min) following a two-step procedure. First, the average profitability

EPatch (kJ/min) for all n craters found in a given meadow followed:

 1

1

    

n

i iiPatch n

ii

Area EE

Area

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where Ei is the profitability of the vegetation (kJ/min) in crater i among the n craters, and

Areai is the area (m2) of crater i. The average profitability in the unused area Enc (kJ/min)

was estimated as the average profitability calculated from the 10-15 quadrats randomly

distributed in the meadow, outside foraging craters. Second, we estimated EMeadow as:

               Meadow Patch Patch nc ncE Prop E Prop E

where PropPatch is the proportion in the meadow area that is covered by craters, Propnc is

the proportion in the meadow area that is not covered by craters.

MOC were calculated differently, depending on the reference point considered to

assess food quality. We used -EMeadow and -EPatch as surrogates for Meadow

LandscapeMOC and

Patch

LandscapeMOC , respectively, whereas we estimated Patch

MeadowMOC by subtracting the

profitability expected within a patch to the profitability expected over the rest of the

meadow (EMeadow - EPatch).

We estimated plant profitability in unused parts of each meadow after bison left the

area. Following each vegetation survey, we determined the proportion of quadrats

comprised of vegetation with a profitability (Equadrat) higher than the average profitability of

all quadrats surveyed in the landscape (ELandscape).

Snow characteristics

In 1997-1998, snow was characterized 1) at 1-4 locations (depending on crater

area), at 30 cm of each crater in an area of undisturbed snow, and 2) in 16-90 evenly spaced

quadrats, adjusted to meadow area, covering the entire focal meadow (see Fortin et al. 2002

for details). In 2011, snow depth and density was measured 1) at 1-5 locations (depending

on crater area), at 30 cm of each crater in an area of undisturbed snow, and 2) at each of 10-

15 vegetation quadrats, adjusted to meadow area and randomly distributed in the

undisturbed snow areas of the focal meadows. Snow density (g/cm3, which also

corresponds to the proportion of water per 1 cm3) was estimated by weighing, with a spring

scale, a sample of the snow column collected using a metal tube, and dividing it by the

volume of snow gathered. Snow depth was evaluated by measuring the height (in cm) of

the snow column from the ground with a ruler. We then calculated snow water equivalent

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(SWE, cm) by multiplying the snow depth by its density (Turner et al. 1994). SWE has the

advantage of combining information on depth and density into a single estimate.

Spatial association between wolves and bison

The relative use of the focal meadows by wolves was assessed during the crater

surveys by recording the presence of wolf tracks. The presence of tracks in a given meadow

was then considered a dichotomous variable taking a value of 1 when at least one track was

observed in the meadow, and 0 otherwise.

To assess the spatial association between wolves and bison, we first estimated the

distribution of radio-collared wolves over the bison range. We followed 8 wolves from 3

packs equipped with Global Positioning System collars (GPS collar 3300 from Lotek

Engineering, Newmarket, ON, Canada) scheduled to take locations every 4 hours during

the winters of 2008, 2009, 2011 and 2012. During the same four winters, we followed 23

female bison equipped with Global Positioning System collars (GPS collar 4400 from

Lotek Engineering, Newmarket, ON, Canada) taking a location every 3 hours. The

locations were used to assess the probability of wolf-bison co-occurrence.

Data analysis

Probability of meadow use

We modeled the probability that bison use a particular meadow by relating meadow

use (value of 1 if at least one foraging crater was present in the meadow, and 0 otherwise)

to SWE, global missed opportunity costs (Meadow

LandscapeMOC ), the index of wolf presence and

meadow area (log-transformed) using mixed effects logistic regression (GLIMMIX, SAS

9.2, SAS Institute Inc. 2008), with an adaptive Gaussian quadrature procedure to obtain

accurate log-likelihood approximations (Bolker et al. 2009). Meadow and year were

considered as random effects, and model performance was assessed based on the area under

the ROC (Receiver Operating Characteristic) curve (AUC; Hosmer and Lemeshow 2000).

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Probability of wolf-bison co-occurrence

To assess the spatial association between wolves and bison, we first estimated the

wolf utilization distribution (UD) using bivariate normal kernels (using smoothing

parameter href and a 10 m resolution; Worton 1989). Because GPS locations from

individuals of the same pack were non-independent, we calculated a UD for each wolf, and

then averaged those values among pack members to obtain a single UD per pack. Each

pack-level UD was then standardized between 0 and 100 to quantify the relative use of the

landscape by wolves. When packs were overlapping, pack-level UDs were summed to

account the additive effect of two wolf packs in the same area.

We tested if the probability of occurrence of bison varied with wolf UD. To do so,

1) we determined the wolf UD value for every bison location observed within the area (n =

18 716), 2) we randomly drew 18 716 random locations within the same area and 3) we

determined the UD value for those random locations. We then related the observed and

random locations using mixed effects logistic regression (GLIMMIX, SAS 9.2, SAS

Institute Inc. 2008), with an adaptive Gaussian quadrature procedure (Bolker et al. 2009).

Year and individual bison were considered as random effects and the robustness of the

model was based on k-fold cross-validation (Boyce et al. 2002). With this approach, higher

Spearman's rank correlation coefficients ( rs ) are indicative of more robust models (see

Boyce et al. 2002 for details).

Foraging intensity

To explain the spatial variation in foraging intensity, we tested the relationship

between total area of snow craters in a given meadow and SWE, Meadow

LandscapeMOC , the index of

wolf presence, and meadow area (untransformed and log-transformed). Models with

untransformed meadow area and log-transformed meadow area were compared based on

Aikaike Information Criteria (AIC; Burnham and Anderson 2002). We also estimated the

relationship between the proportion of the meadow comprised of craters (arcsine[total area

of snow craters / meadow area]0.5

) and SWE, Meadow

LandscapeMOC , the index of wolf presence, and

meadow area (log-transformed).

Page 35: Les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement ... · Bison and wolves intensively used the same meadows, a co-occurrence indicating that wolves are ahead in the spatial

23

Models of total area of snow craters in meadows and the proportion of the meadow

comprised of craters were both estimated using a linear mixed-effects model (MIXED, SAS

9.2, SAS Institute Inc. 2008; Gaussian distribution), with meadow and year as random

effects. Model fit was assessed based on the pseudo R2 statistic defined as the square of the

Pearson correlation statistic between marginal predictions and observed values (Vonesh

and Chinchilli 1997).

Plant biomass consumed in a crater

Finally, we tested the relationship between the average plant biomass consumed in

individual craters and SWE, Patch

LandscapeMOC or Patch

MeadowMOC , the index of wolf presence, and

meadow area (log-transformed), using a linear mixed-effects model (MIXED, SAS 9.2,

SAS Institute Inc. 2008; Gaussian distribution), with meadow and year as random effects.

We evaluated the level of empirical support by the two models (i.e., one with Patch

LandscapeMOC

and the other with Patch

MeadowMOC ) based on AIC (Burnham and Anderson 2002). Model fit

was assessed based on the pseudo R2 (Vonesh and Chinchilli 1997).

Unused forage profitability

The relationship between the proportion of quadrats surveyed

(arcsine[prop_quadrats]0.5

) in unused parts of meadows with negative MOC (ELandscape <

Equadrat) and meadow area (log-transformed) was tested using a linear model with Gaussian

distribution (MIXED, SAS 9.2, SAS Institute Inc. 2008). No random effects were used due

to a lack of convergence. Model fit was assessed based on the pseudo R2 (Vonesh and

Chinchilli 1997).

RESULTS

Probability of meadow use

Our model explaining whether or not bison create feeding snow craters in meadows

had “good” predictability, with an AUC = 0.84. The model indicated that the probability of

bison foraging in a meadow (i.e., created at least one feeding crater) increased with

meadow area (Table 1). Further, meadows in which bison foraged were more likely to be

Page 36: Les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement ... · Bison and wolves intensively used the same meadows, a co-occurrence indicating that wolves are ahead in the spatial

24

visited by wolves. We did not detect any significant relationship with MOC or SWE (Table

1).

Table 1: Coefficients and standard errors for mixed-effects logistic regression model

predicting the probability that bison foraged in a given meadow in Prince Albert National

Park (Saskatchewan, Canada) during the winters of 1997, 1998 and 2011. Independent

variables included snow water equivalent, missed opportunity costs of foraging in that

meadow and not elsewhere (Meadow

LandscapeMOC ), wolf presence (absence = 0, presence = 1) and

meadow area (log-transformed). N = 221 surveys in 26 meadows.

Variable (unit) SE P

Intercept -1.41 1.67 0.41

Snow water equivalent (cm) 0.06 0.09 0.48 Meadow

LandscapeMOC (kJ/min) -0.003 0.004 0.51

Wolf presence 1.91 0.96 0.05

Ln(Meadow area, ha) 0.46 0.19 0.02

Random effects Variance SE

Intercept 0.49 0.47

Year 0.32 0.55

Foraging intensity

Once foraging in a meadow, bison created larger craters if the Meadow

LandscapeMOC of

foraging in that meadow was relatively low (Table 2). Feeding intensity further increased in

meadows with relatively low SWE. Bison also created larger crater areas in larger meadows

(Table 2), but this increase was at a diminishing rate. First, the increase relationship was

stronger (AIC = 90.8) with log-transformed meadow area (AIC = -128.9) than without

any transformation (AIC = -38.1). Second, the proportion of meadows comprised of craters

(Prop) decreased with meadow area: arcsine(Prop)0.5

= 0.25 - 0.02(SWE) - 0.0007(

Meadow

LandscapeMOC ) + 0.04(Wolf Presence) - 0.08ln(Meadow Size) (n = 144 ratios and Pseudo R2

=0.46, all coefficients had P<0.05, except for wolf presence and intercept). These findings

indicate that, although bison make larger craters in large than small meadows, there was a

larger area without foraging activity in large meadows. Moreover, the proportion of

ungrazed feeding stations with profitability higher than the landscape’s average was similar

in small and large meadows: arcsine(Prop_quadrats)0.5

= 0.83 - 0.007ln(MS) (P = 0.88, n =

Page 37: Les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement ... · Bison and wolves intensively used the same meadows, a co-occurrence indicating that wolves are ahead in the spatial

25

45). In other words, after leaving, bison left more vegetation of relative high profitability in

large than in small meadows.

Finally, we found that bison foraged more intensively in meadows where we found

wolf sign than where we did not (Table 2). This relationship indicates that both species

made intensive use of the same meadows. Indeed, using radio-telemetry, we found that the

relative probability of occurrence of radio-collared bison (p) increased with the utilization

distribution of radio-collared wolves (UD): p/(1-p) = -0.45 + 2.57(UD) (P <0.0001; n = 18

716 bison locations for 23 female bison). This model was robust to cross-validation ( rs =

0.82 ± 0.10).

Table 2: Coefficients and standard errors of a linear mixed effects model relating total log-

transformed crater area (ha) in individual meadows to snow water equivalent, missed

opportunity costs of foraging in that meadow and not elsewhere (Meadow

LandscapeMOC ), wolf

presence (absence = 0, presence = 1) and meadow area (log-transformed). A total of 144

snow craters were recorded in 26 meadows in Prince Albert National Park (Saskatchewan,

Canada) during the winters of 1997, 1998 and 2011. Pseudo R2 = 0.60.

Variable (unit) SE p

Intercept -2.48 0.67 0.001

Snow water equivalent (cm) -0.12 0.04 0.003 Meadow

LandscapeMOC (kJ/min) -0.004 0.001 0.003

Wolf presence 0.42 0.21 0.05

Ln(Meadow area, ha) 0.36 0.08 <0.001

Random effects Variance SE

Intercept 0.03 0.09

Year 0.16 0.13

Plant biomass consumed in individual craters

The model of plant biomass consumed in individual craters with the most empirical

support included missed opportunity costs at a global rather than a local scale (Table 3).

Page 38: Les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement ... · Bison and wolves intensively used the same meadows, a co-occurrence indicating that wolves are ahead in the spatial

26

Table 3: Relative level of support by competing models explaining plant biomass

consumed in craters by plains bison in Prince Albert National Park (Saskatchewan, Canada)

during the winters of 1997, 1998 and 2011. Differences in AIC (AIC) between the current

model and the lowest scoring model are presented.

Hypothesis Model AIC AIC Rank

H1: ELandscape - EPatch SWE + Patch

LandscapeMOC + Wolf + ln(MS) 3132.8 0 1

H2: EMeadow - EPatch SWE + Patch

MeadowMOC + Wolf + ln(MS) 3148.7 15.9 2

Note: E = Plant profitability, SWE = Snow water equivalent, MOC = Missed opportunity

costs, Wolf = Index of wolf presence, ln(MS) = Meadow size (log-transformed).

The top-ranking model (H1, Table 3) indicates that bison ate less vegetation in

patches where global missed opportunity costs (Patch

LandscapeMOC ) and SWE were high and

where there was evidence of wolf presence (Table 4).

Table 4: Coefficients and standard errors for the top-ranking mixed effects linear model

relating average plant biomass consumed in a crater (g/m2) to snow water equivalent,

global MOC (Patch

LandscapeMOC ), wolf presence (absence = 0, presence = 1) and meadow area

(log-transformed). A total of 262 quadrats of plant biomass were assessed in individual

craters comprised in 26 meadows in Prince Albert National Park (Saskatchewan, Canada)

during the winters of 1997, 1998 and 2011. Pseudo R2 = 0.65.

Variable (unit) SE P

Intercept 75.68 26.84 0.02

Snow water equivalent (cm) -15.25 2.85 <.0001 Patch

LandscapeMOC (kJ/min) -0.54 0.05 <.0001

Wolf presence -44.19 18.09 0.02

Ln(Meadow area, ha) -10.11 6.06 0.10

Random effects Variance SE

Intercept 0

Year 315.37 631.49

DISCUSSION

By relating feeding efforts to energy (C), missed opportunity (MOC) and predation

(P) costs of foraging, we showed that the strength of plant-bison interactions is largely

driven by the search of bison for high net energy gains (C and MOC) and, to a lesser extent,

by their management of predation risk. Our assessment of the foraging behaviour of free-

ranging animals in a natural setting underscores the complex nature of the trophic

interactions, and reveals spatial determinants of plant-herbivore interaction strengths.

Page 39: Les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement ... · Bison and wolves intensively used the same meadows, a co-occurrence indicating that wolves are ahead in the spatial

27

Energy costs of foraging (C) and meadow attributes

Snow water equivalent (SWE) did not influence the probability that bison used a

particular meadow. Once in a meadow, however, bison foraged over smaller areas if SWE

was relatively high, and consumed less vegetation in craters where SWE was relatively

high, a result consistent with previous reports (Fortin 2003, Fortin et al. 2003, Fortin and

Fortin 2009). A high SWE imposes a high energy cost (Parker et al. 1984, Boertje 1985,

Fancy and White 1985), and large herbivores tend to adjust foraging efforts to spatial

patterns in snow conditions (Schaefer and Messier 1995, Fortin 2003, Fortin et al. 2005).

To reduce travel costs and increase the rate of energy intake, bison should benefit

from foraging more intensively in areas where highly profitable food is concentrated. This

objective can explain the influence of landscape physiognomy on plant-herbivore

interactions. Bison were more likely to use large than small meadows, and they used larger

meadows more intensively. Factors controlling meadow characteristics thus determine, to a

certain extent, the strength of bison herbivory. The shape and size of meadows in Prince

Albert National Park result from ecological succession that followed the retreat of

Laurentide glacier, during late Pleistocene (Flint 1971, Strong and Hills 2005). Meadow

dynamics are now linked to multiple processes. Beaver activity can create or maintain

meadows (Pinay and Naiman 1991, Naiman et al. 1994, Westbrook et al. 2011), and fire

helps maintain meadows by eliminating woody plants (Bailey and Wroe 1974, Anderson

and Bailey 1980, Taylor et al. 2012). In absence of a natural fire and beaver activities,

meadows gradually decrease in size due to tree and shrub encroachment (Bailey and Wroe

1974, Anderson and Bailey 1980), a process that induces a gradual loss of high-quality

foraging patches for bison. Spatial variation in the strength of bison-plant interactions are

thus linked to abiotic (e.g., fire and geological processes) and biotic factors (e.g. shrub

encroachment, beaver activity), through their influence on meadow dynamics.

Missed opportunity costs (MOC)

MOC did not influence whether or not bison used a particular meadow. Once in a

meadow, however, they fed more intensively (i.e., larger area covered by craters) if

Meadow

LandscapeMOC were relatively low. This observation is in line with previous work showing

Page 40: Les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement ... · Bison and wolves intensively used the same meadows, a co-occurrence indicating that wolves are ahead in the spatial

28

that the presence of the highly profitable slough sedge (C. atherodes) does not influence the

probability that bison use individual meadows (Fortin et al. 2003). However, bison remain

longer each time they enter meadows offering this plant (Fortin et al. 2003, Courant and

Fortin 2012b) and spend more total time in these meadows over a season (Babin et al.

2011).

We contrasted two reference points that foragers can use to assess local food

quality: global MOC (Patch

LandscapeMOC ) and local MOC ( Patch

MeadowMOC ). We found that the

accumulation of craters in a meadow was best explained by broad-scale MOC (Patch

LandscapeMOC

), which supports the general idea that residency time at feeding sites should depend on the

broad-scale expectations of long-term energy gains (McNamara et al. 1993). This

observation is not consistent, however, with foragers adjusting their decisions based on

short-term sampling experience (Krebs and Inman 1992, Real 1992, Fortin 2003, Wolf et

al. 2009). Bison are among those foragers, where they adjust their foraging intensity based

on the vegetation encountered over the past 2 m2 of digging in the snow (Fortin 2003).

Therefore, these short-term foraging decisions should relate to local MOC ( Patch

MeadowMOC ).

Considering this information and our current observations, we suggest that bison assess

their MOC based on the information they acquire along their foraging path (Fortin 2003),

but over time, the accumulation of foraging activities results in the most profitable foraging

sites of the landscape being used more intensively (i.e., bison herbivory most consistent

with Patch

LandscapeMOC ). Multi-level assessment of MOCs is rare, and our results show how

short-term processes can accumulate over time and result in long-term resource-consumer

interactions that seemingly reflect other currencies. In any case, MOCs decrease the

intensity of herbivory, as the theory predicts (Brown 1988).

Predation costs (P)

Bison had a higher probability of occurrence in areas of high, rather than low, UD

of wolves, and both species made strong use of meadows with low MOC for bison. The

positive spatial association found between wolves and bison at broad-scales indicates that

bison might not be able to, or willing to, segregate themselves from wolves, allowing the

wolves to win the spatial game (cf. Sih 2005). The observation that wolves were more

Page 41: Les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement ... · Bison and wolves intensively used the same meadows, a co-occurrence indicating that wolves are ahead in the spatial

29

likely to visit meadows rich in highly profitable bison forage could reflect an adaptive

response to an elusive prey. Selecting patches of its prey's resource may be less costly than

trying to track a highly mobile prey (Flaxman and Lou 2009, Laundré 2010, Williams and

Flaxman 2012).

Contrary to elk in Yellowstone National Park (USA) during summer (Mao et al.

2005) and winter (Fortin et al. 2005), and boreal caribou (Rangifer tarandus caribou) in

Québec (Canada) during autumn and winter (Labbé 2012), bison did not select land cover

types that would allow them to avoid wolves. Undermatching resource distribution to avoid

predators may not always outweigh the fitness costs of reducing the use of food-rich

patches (Sih 2005). Such a situation may occur when alternative food patches are of poor

profitability. In Prince Albert National Park, graminoid biomass is more than 7 times higher

in meadows than in forests (Fortin 2007). Meadows would thus be a strong spatial anchor

(Sih 2005), which generally increases the likelihood of spatial associations between prey

and predators (Bell et al. 2009).

Prey may still use multiple anti-predator tactics. For example, bison consumed less

biomass at individual feeding stations in meadows where the arrival of a wolf was more

likely (i.e., where we observed their tracks). Accordingly, behavioural observations in

winter indicated that bison decrease their selection for highly profitable plant species in

meadows that wolves use heavily (Fortin and Fortin 2009). This pattern may reflect

foraging under the apprehension of an attack, where bison would then reduce their attention

devoted to feeding and reallocate their attention to detecting wolf presence. The long-term

impact of bison herbivory in presence versus in absence of predators would then depend on

the accumulation of foraging activities over time at any given location.

Bison appeared to play a shell game with wolves by being constantly on the move.

Although bison dug larger craters in larger meadows, there was a larger area without

foraging activity in large than in small meadows. This result does not support optimal

foraging theory based on the maximization of energy intake rate (Charnov 1976, Stephens

and Krebs 1986, Fortin et al. 2002), which predicts an animal should feed at a site as long

as its rate of energy intake does not drop under a given threshold. Bison left larger

meadows when there were more areas of high-quality vegetation with no previous foraging

Page 42: Les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement ... · Bison and wolves intensively used the same meadows, a co-occurrence indicating that wolves are ahead in the spatial

30

activities than in small meadows. This observation is consistent with previous reports that

bison consume only a small proportion of C. atherodes before leaving an area (Courant and

Fortin 2012b). The proportion of meadows comprised of craters should not necessarily vary

with meadow area, but with the energy gain function, which is likely to increase rather

linearly over time for large mammalian herbivores (Illius et al. 1992, Fortin et al. 2004a).

The fact that larger meadows were characterized by a lower proportion of craters than small

meadows likely indicates that bison stopped foraging before their instantaneous intake rate

of digestible energy dropped to the long-term expected rate. This early departure from

meadows has already been suggested by Fortin et al. (2009) and Courant and Fortin

(2012b), and would be consistent with the predictions of a shell game (Mitchell and Lima

2002, Laundré 2010).

CONCLUSION

Our study demonstrates that the search for high rates of net energy intake by bison

results in spatial heterogeneity in the intensity of plant-herbivore interactions. Foraging

decisions by bison depended on structural features of the landscape, with individuals

increasing foraging intensity with meadow size, but at a decelerating rate. The relatively

early departure from large meadows is consistent with the notion that bison do not spend

too much time at any one place because they are involved in a shell game with wolves. This

anti-predator tactic gives bison the opportunity to use highly profitable patches even if

wolves also frequent the same patches. Given the absence of broad-scale segregation

between wolves and bison, however, predation risk appears unlikely to have cascading

effects on plant community through trait-mediated indirect interactions (Schmitz et al.

2004, Matassa and Trussell 2011).

ACKNOWLEDGEMENTS

We thank D. Frandsen, Lloyd O'Brodovich, S. Cherry and G. Rupert for providing

logistic support in Prince Albert National Park, and R. Pilote, V. Fargeot and C. Nersesian

for their help in the field. We also thank M. Andruskiw and CRSAD employees for their

help in the laboratory work. We are also thankful to A.-S. Julien for statistical advice and to

B. Kotler, S. Côté, J. Merkle, M. Sigaud and A. Dupuch for comments on the paper. This

work was supported by Parks Canada Species at Risk Action and Education Fund, the

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31

Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada and the Canada Foundation

for Innovation to D.F.

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CONCLUSION GÉNÉRALE

L'étude a montré que l'effort d'approvisionnement du bison des plaines varie de

façon importante à l'intérieur de son domaine vital en fonction des coûts énergétiques

encourus lors de l'approvisionnement (C), des coûts liés aux opportunités manquées (MOC)

et des coûts liés au risque de prédation (P). Dans son article, Brown (1988) met en avant

l'idée d’utiliser la densité de nourriture à l'abandon (GUD) pour mesurer l’intensité

d'utilisation de parcelles d'alimentation par les animaux et il avance que cette valeur de

GUD devrait refléter la somme des trois différents types de coûts (C, MOC et P). L'idée a

été largement reprise pour expliquer les variations spatiales de l'effort d'approvisionnement

de diverses espèces (Kotler et al. 1994, Altendorf et al. 2001, Hochman et Kotler 2007,

Rieucau et al. 2007, Mogerman 2010) et informer sur la perception qu'ils ont de la qualité

de leur habitat. Les GUDs ont aussi été utilisées dans l'optique d'étudier la perception du

risque de prédation de certaines espèces animales (Kotler et al. 1994, Morris et Davidson

2000, Altendorf et al. 2001, Hochman et Kotler 2007, Rieucau et al. 2007, Hodson et al.

2010, Lemaître et al. 2010) et quelques études ont même cartographié les variations

spatiales du risque de prédation (Laundré et al. 2001, Brown et Kotler 2004, Shrader et al.

2008, Abu Baker et Brown 2010, Abu Baker et Brown 2012, Iribarren et Kotler 2012). Par

ailleurs, les coûts liés aux opportunités manquées ont été très peu étudiés (Rieucau et al.

2009) tandis que les coûts énergétiques encourus lors de l'approvisionnement ont été

abordés par plusieurs études (Parker et al. 1984, Boertje 1985, Fancy et White 1985, Parker

et al. 1996, Kie 1999, Fortin 2003, Fortin et al. 2003, Matthews 2010, Robinson et Merrill

2012), mais rarement en considérant simultanément l’influence du risque de prédation et

des opportunités manquées sur l’effort d’approvisionnement. En plus de quantifier

l’influence de chacun des trois types de coûts sur l’approvisionnement du bison, l’étude se

base sur le comportement de bisons se nourrissant en liberté dans un système naturel. Cette

approche a alors permis de révéler la complexité des décisions d’approvisionnement des

herbivores en milieu naturel, tout en mettant en évidence les facteurs qui déterminent les

variations spatiales dans l’intensité des relations entre le bison et les plantes.

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L'EFFORT D'APPROVISIONNEMENT

L'effort d'approvisionnement du bison des plaines en hiver dans le parc national de

Prince Albert peut être largement expliqué par sa recherche de forts gains énergétiques. Par

exemple, l'utilisation des prés par les bisons diminuait avec l'augmentation des dépenses

énergétiques encourues lors de l'alimentation et celle des coûts associés aux opportunités

manquées. De plus, les décisions d'approvisionnement du bison dépendent du jeu spatial

ayant lieu avec les loups. En effet, les bisons semblent être constamment en déplacement

afin d'empêcher les loups de connaître leur emplacement.

L'importance des coûts liés aux dépenses énergétiques encourues lors de

l'alimentation sur l'effort d'approvisionnement du bison a été révélée par une variation de

cet effort selon les caractéristiques de la neige. L'équivalent en eau de la neige (snow water

equivalent; SWE) n'influençait pas la probabilité qu'un pré soit utilisé par les bisons, mais

une fois dans un pré, les bisons diminuaient leur effort d'approvisionnement suivant

l'augmentation de SWE. En effet, l'aire totale des cratères ainsi que la proportion du pré

couverte par les cratères diminuaient lorsque la neige était dense et profonde. Il a également

été observé que la biomasse de végétation consommée dans un cratère diminuait avec

l'augmentation de SWE. Ce résultat corrobore les observations d'autres études ayant

souligné l’influence négative d'un couvert de neige dense et épais sur les déplacements et la

recherche de nourriture du bison (Fortin 2003, Fortin et al. 2003, Fortin et Fortin 2009).

Fortin (2003) a ainsi observé que les bisons tendent à creuser dans la neige et former un

cratère lorsque le couvert de neige est mince et peu dense. Aussi, Schaefer et Messier

(1995) ont noté un taux de coups de pattes chez les bœufs musqués qui augmentait suivant

l'augmentation de l'épaisseur du couvert de neige, ce qui laissait moins de temps pour

s'alimenter et demandait plus d'énergie pour se nourrir dans le cratère.

Toujours dans l'optique de maintenir de faibles dépenses énergétiques lors de

l'alimentation, les bisons semblaient chercher à réduire les coûts de déplacement et à

augmenter leur taux d'apport énergétique puisqu’ils se nourrissaient dans les prés de grande

taille, là où la nourriture était concentrée et de grande qualité. La taille des prés est

influencée par divers processus. L'activité des castors peut créer et maintenir des prés

(Westbrook et al. 2011) et la colonisation de ces prés par des saules ou par d'autres arbustes

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est ralentie par la consommation des semences et plantules par des herbivores (Bailey et

Wroe 1974, Anderson et Bailey 1980, Taylor et al. 2012). De plus, le feu peut limiter

l'envahissement des prés par des arbres et arbustes (Bailey et Wroe 1974, Anderson et

Bailey 1980). En l'absence de ces processus, la taille des prés diminue, menant ainsi à une

diminution graduelle de sites d'alimentation de haute qualité pour le bison.

Comme dans le cas des conditions de neige, les opportunités manquées n'ont pas

influencé la probabilité qu'un pré soit utilisé, mais une fois à l'intérieur d'un pré, les bisons

l'utilisaient de façon plus intensive si les Pré

PaysageMOC étaient relativement faibles, donc

lorsque la végétation du pré était de haute profitabilité par rapport à la végétation retrouvée

dans l’ensemble du paysage. Il avait déjà été noté dans ce système que la présence d’une

Cypéracée hautement profitable (Carex atherodes) n'influençait pas la probabilité qu'un pré

soit utilisé (Fortin et al. 2003), mais les bisons restaient plus longtemps dans les prés qui

offraient cette plante profitable (Fortin et al. 2003, Courant et Fortin 2012) et les utilisaient

de façon plus intensive (Babin et al. 2011). L'une des particularités de notre étude est que,

sachant que les opportunités manquées peuvent être définies à plusieurs niveaux (Olsson et

Holmgren 1999, Stenberg et Persson 2006, Olsson et Molokwu 2007, Vickery et al. 2011,

von Post et al. 2012), nous avons comparé deux points de référence pouvant être utilisés

pour déterminer la qualité relative de la nourriture locale : des MOC globaux (Parcelle

PaysageMOC )

et des MOC locaux ( Parcelle

PréMOC ). Les résultats obtenus montrent que les bisons ajustaient

l'intensité de leur approvisionnement aux MOC à une échelle étendue (Parcelle

PaysageMOC ), ce qui

suit l'idée générale que le temps de résidence dans un site d'alimentation devrait dépendre

des gains énergétiques attendus à long terme dans le paysage (McNamara et al. 1993). Par

contre, ce résultat n'est pas cohérent avec le fait que certains herbivores basent leurs

décisions d'approvisionnement sur leur expérience d'échantillonnage récente (Krebs et

Inman 1992, Real 1992, Fortin 2003, Wolf et al. 2009). Les bisons font partie de ces

herbivores puisqu'ils ajustent l’intensité de leur approvisionnement selon les

caractéristiques de la végétation rencontrée dans les derniers 2 m2 de neige qu’ils ont

creusés (Fortin 2003). L'ensemble des observations sur le terrain indiquerait donc que les

bisons déterminent leurs opportunités manquées à mesure qu'ils acquièrent de l'information

durant la recherche de nourriture (Fortin 2003), mais qu’au fil du temps, leurs activités

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d'approvisionnement mèneraient à une plus grande accumulation d'épisodes d'herbivorie

dans les parcelles de végétation les plus riches du paysage. L'évaluation des opportunités

manquées à plusieurs échelles spatiales est rare et mes résultats montrent comment des

processus à court terme peuvent s'accumuler au fil du temps et se solder par des patrons

spatiaux dans les interactions plantes-herbivores. Dans tous les cas, des opportunités

manquées élevées diminuent l'intensité d'approvisionnement, comme la théorie le prédit

(Brown 1988).

Contrairement à C et MOC, une relation positive entre la présence de traces de

loups et l'effort d'approvisionnement des bisons a été notée. En effet, une association

spatiale positive a été observée entre les loups et les bisons, suggérant ainsi que les bisons

ne seraient pas disposés ou capables de se ségréguer des loups. Les bisons doivent trouver

un compromis entre les gains énergétiques liés à l'approvisionnement et les coûts liés au

risque de prédation (Fortin et Fortin 2009), comme c'est le cas pour les autres espèces

animales (Lima et Dill 1990, Peacor et Werner 2000, Krivan et Schmitz 2004, Schmitz et

al. 2004, Bell et al. 2009). Les gains possibles en valeur adaptative qui pourraient résulter

de l’évitement des parcelles riches en nourriture afin de réduire le risque de prédation

peuvent ne pas dépasser les coûts associés à une diminution de la valeur adaptative qui

résulterait de la sélection d’un autre type de milieu (Sih 2005, Labbé 2012). Dans un tel

cas, la proie devrait opter pour les sites les plus riches, même s'ils sont plus fréquemment

visités par les prédateurs. La répartition spatiale des ressources alimentaires exercerait alors

une certaine contrainte sur les déplacements des bisons, les empêchant de se dissocier des

loups (Sih 2005). Il a déjà été observé qu'une répartition hétérogène des ressources (c.-à-d.,

sites riches en ressources répartis à l'intérieur d'une matrice pauvre en ressource), comme

c'est le cas dans le système étudié, pouvait influencer les déplacements des animaux. La

forte sélection qui s’ensuivrait augmenterait les chances d'une association spatiale positive

entre les prédateurs, les proies et leurs ressources (Bell et al. 2009). En effet, dans plusieurs

cas, les prédateurs comme les proies tendent à être plus abondants dans les parcelles riches

en ressources, c'est-à-dire que les prédateurs et les proies sont associés positivement entre

eux, de même qu’avec les ressources de la proie (Sih 1998). La cooccurrence spatiale

observée indique que les loups seraient les gagnants du jeu spatial joué avec le bison (cf.

Sih 2005).

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Cet attrait du loup envers les sites riches en nourriture hautement profitable pour le

bison pourrait refléter une réaction du loup à une proie qui est constamment en déplacement

(Sih 1998, Sih 2005). En effet, la sélection des sites où les ressources alimentaires de la

proie abondent peut entraîner des dépenses énergétiques inférieures à celles qui seraient

encourues si le prédateur essayait de suivre une proie mobile, alors qu'il n'a que peu de

connaissances quant à la localisation de cette proie (Flaxman et Lou 2009, Laundré 2010,

Williams et Flaxman 2012). Dans le cas présent, cette tactique permet aux loups de visiter

les mêmes prés sélectionnés par les bisons, ce qui permet aux loups de remporter le jeu

spatial entre les deux espèces (Sih 1998, Sih 2005).

Les bisons peuvent toutefois utiliser d'autres tactiques pour diminuer les coûts

associés au risque de prédation. Par exemple, mes résultats montrent que les bisons

consomment moins de végétation à l'intérieur des cratères creusés dans les prés où des

traces de loup ont été relevées. De la même façon, d'autres observations comportementales

en hiver indiquent que les bisons diminuent leur sélection pour les espèces végétales

hautement profitables dans les prés fortement utilisés par les loups (Fortin et Fortin 2009).

Ce patron peut refléter un comportement d’approvisionnement réalisé en appréhendant une

attaque : les bisons réduiraient l’attention qu’ils dédient à l'alimentation pour en réallouer

une partie à la détection de la présence de loup. L'effet à long terme de l'herbivorie du bison

sur la végétation locale dépendrait alors de l'accumulation des activités d'alimentation

réalisées en présence versus en absence de prédateurs à un endroit donné.

De plus, il semblerait que les bisons soient impliqués dans un jeu de passe-passe

avec les loups en étant constamment en déplacement. En effet, même si les bisons créaient

des cratères plus larges dans les prés de grande taille, mes résultats montrent que la surface

inutilisée des prés est proportionnellement supérieure dans les grands prés que dans les

petits prés. Cette superficie ne devrait toutefois pas nécessairement varier avec la taille des

prés, mais plutôt en fonction du taux de gains énergétiques, qui peut rester relativement

constant dans le temps durant l’approvisionnement des grands herbivores (Illius et al. 1992,

Fortin et al. 2004). De plus, les résultats montrent que la profitabilité de la végétation non

consommée par les bisons ne varie pas avec la taille des prés, suggérant que les bisons

laissaient plus de végétation hautement profitable lorsqu’ils quittaient les grands prés que

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lorsqu'ils quittaient les petits. Ce résultat va à l’encontre de certains principes de la théorie

d'approvisionnement optimal visant la maximisation des gains énergétiques (Charnov 1976,

Stephens et Krebs 1986, Fortin et al. 2002). En effet, selon la théorie, un individu devrait se

nourrir dans une parcelle aussi longtemps que la disponibilité de la ressource ne tombe pas

sous un certain seuil. Toutefois, ce seuil ne semble pas être atteint dans le cas du bison.

Cette dernière observation est cohérente avec de précédents résultats qui montrent que le

bison consomme seulement une petite proportion de C. atherodes, une ressource hautement

profitable, avant de quitter un pré (Courant et Fortin 2012). L'augmentation dans la quantité

de végétation de haute profitabilité restante dans le pré avec la taille du pré indiquerait que

les bisons quittent le pré trop rapidement pour maximiser leur taux de gain énergétique à

long terme. Ce départ précipité des prés de grande taille peut refléter les déplacements

fréquents et relativement imprévisibles qui caractérisent le jeu de passe-passe entre une

proie et son prédateur (Mitchell et Lima 2002, Laundré 2010).

PERSPECTIVES

Cette étude offre une contribution scientifique originale sur les facteurs influençant

l'effort d'approvisionnement des grands herbivores et donc sur les interactions plante-

herbivore. En effet, elle permet d'établir un lien entre l'intensité de ce type d'interaction et

l'échelle spatiale utilisée par un grand herbivore pour déterminer la qualité de sa nourriture,

en plus d'identifier le jeu spatial qui prend place entre celui-ci et son prédateur, deux

aspects encore peu étudiés. Néanmoins, certaines perspectives de recherche restent encore à

explorer. Par exemple, il m'a été possible d'identifier le jeu spatial entre le bison et le loup,

mais en hiver seulement. Labbé (2012) a trouvé qu'il y avait une variation durant l’année

dans le jeu spatial entre le caribou forestier et le loup gris sur la Côte-Nord. Il est donc

possible que ce soit également le cas pour le bison des plaines dans le parc national de

Prince Albert, et que la stratégie anti-prédatrice qu'il adopte en hiver soit différente durant

le reste de l’année. Ce même genre d'étude en automne serait particulièrement intéressant

puisqu'à cette saison, les bisons font des excursions à l'extérieur du parc, sur les terres

agricoles voisines. Ce problème est récurrent et peut mener à des conflits entre les bisons et

les humains.

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Il serait également intéressant d'étudier comment la relation entre C, MOC et P et

l'effort d'approvisionnement pourrait être modulée par la taille de groupe. Nous savons que

la taille de groupe peut influencer plusieurs aspects de l'écologie du bison (Fortin et Fortin

2009, Courant et Fortin 2012), que ce soit par la compétition, la perception du risque de

prédation et l'apport d'informations sociales sur la répartition des ressources. De telles

études permettraient de mieux comprendre la perception que le bison a de son habitat,

offrant ainsi une information utile à la gestion de la population du parc national de Prince

Albert en clarifiant ce que l’espèce recherche au cours de ses déplacements.

Il est important toutefois de préciser que le fait que la taille de groupe n'a pas été

prise en compte dans mon étude ne l'invalide pas pour autant. En effet, plusieurs des

résultats obtenus ne semblent pas être influencés par la taille de groupe, telle que la

probabilité qu'un pré soit utilisé par les bisons et la cooccurrence entre les loups et les

bisons dans les mêmes sites. En effet, puisque la présence d’un seul cratère signifie que le

pré est considéré comme ayant été utilisé, le nombre d’individus devrait avoir peu d’impact

sur les résultats de cette analyse. Ensuite, le résultat de la cooccurrence loup-bison ressort

dans plusieurs analyses. Ces analyses se basant également sur l'existence d'un seul signe de

présence des bisons à un site (p. ex., présence d'un seul cratère ou présence d'une

localisation GPS), le résultat de cooccurrence spatiale semble également être robuste.

La biomasse de végétation consommée en moyenne dans un cratère (en g/m2)

pourrait être influencée par la taille de groupe (Fortin et Fortin 2009), mais cet effet serait

simplement additif à ceux observés des divers types de coûts étudiés (C, MOC et P). En

effet, les études réalisées indiquent que le bison fait des choix alimentaires qui maximisent

ses gains énergétiques rapides, peu importe la taille de groupe (Fortin et al. 2002, Fortin et

al. 2003, Fortin et Fortin 2009, Courant et Fortin 2010, Babin et al. 2011, Courant et Fortin

2012b, Courant et Fortin 2012a), la taille de groupe ayant simplement un effet additif aux

autres relations observées (Fortin et Fortin 2009, Courant et Fortin 2012). L’aire totale

couverte par les cratères dans un pré est également une relation susceptible d’être

influencée par la taille de groupe. Néanmoins, mes conclusions devraient être robustes aux

variations possibles de cette variable. Par exemple, les grands groupes demeurent plus

longtemps dans les prés (Fortin et al. 2009) et sont plus susceptibles d’être retrouvés dans

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un grand pré que dans un petit pré. Sur cette base, on pourrait s’attendre à ce que les grands

prés soient utilisés d’une façon plus intensive (c.-à-d., surface inutilisée des prés

proportionnellement plus petite) que les petits prés. Mes résultats montrent toutefois le

contraire, en plus de montrer que les bisons laissent plus de nourriture dans les grands prés

que ce que la théorie prédit, représentant un départ relativement hâtif et appuyant la thèse

du jeu de passe-passe entre les bisons et les loups. Ainsi, considérer la taille de groupe dans

l'étude n'aurait probablement pas changé la direction des relations observées, mais aurait

certainement permis de comprendre encore mieux les relations bison-plante en milieu

naturel.

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