Sept hauts-marais du département de l'Allier ont fait l'objet d'une description, d'un diagnostic et d'une proposition de stratégie de conservation. Le travail en trois étapes : (1) définition du cadre conceptuel, le modèle ; (2) description des complexes ; (3) intégration du modèle et des données de terrain. La synthèse modèle-description a mené à la définition de trois types fonctionnels : (1) édifices en phase corrosive-érosive, ayant subi de fortes perturbations et en particulier le pâturage ; (2) édifices stagnants ; (3) hauts-marais supposés fonctionnels. Au regard de leur nature et de leur état, les représentants du dernier type devraient faire l'objet d'une attention particulière des gestionnaires d'espaces naturels et faire l'objet de recherches complémentaires sur leur activité turfigène et la nature des végétations qui sont à l'origine des bombements

L'extraction de la tourbe à des fins horticoles laisse parfois un écosystème résiduel avec une tourbe de type minérotrophe qui ne retrouve pas un couvert végétal représentatif d'un milieu naturel sans assistance humaine. Par contre, on peut y retrouver des couverts végétaux “spontanés” très importants. Mieux connaitre ces tourbières pourrait permettre de comprendre les facteurs favorisant le retour de la végétation après une perturbation importante. La tourbière de Moss Spur (Manitoba) fait partie de ces tourbières s'étant revégétées de façon naturelle et constitue l'objet de ce mémoire. Dix-neuf ans se sont écoulés entre la cessation des activités d'extraction et la collecte des données. Le site a été séparé en 24 secteurs, sur lesquels ont été répartis 97 quadrats de végétation et 47 puits de mesure de la nappe phréatique. En plus des données de végétation et de nappe phréatique, plusieurs variables environnementales ont été mesurées. Une analyse de groupement a été faite sur les données de végétation et des analyses multivariées ont été effectuées révélant que le pH de l'eau, l'épaisseur de tourbe résiduelle et la nappe phréatique sont les variables ayant le plus de pouvoir explicatif. Les trois groupes de quadrats inventoriés ont des assemblages végétaux bien distincts, s'apparentant à ceux qu'on trouve dans des fens modérément riches, des bogs ou des marais. Le pH de l'eau (allant de 4,27 à 6,88) est lié positivement avec le gradient de végétation bog-fen-marais et varie grandement à l'échelle de la tourbière, donnant ainsi un paysage de mosaïque qui représente les différences chimiques du site. Les résultats indiquent qu'une tourbière de type minérotrophe peut retrouver une végétation de milieu humide sans assistance humaine autre que certaines actions de remouillage.

Le patron de buttes et de dépressions représente l'hétérogénéité, au niveau de la microtopographie, de la plupart des tourbières ombrotrophes. L'évolution du patron a souvent été expliquée par les propriétés intrinsèques et hydro-physiques des sphaignes ainsi que par les interactions entre les plantes vasculaires et les sphaignes. Le but du projet de recherche est de déterminer si l'initiation du patron de buttes et de dépressions dans les tourbières ombrotrophes boréales est possible dans un court laps de temps grâce aux propriétés intrinsèques des espèces végétales présentes et aux interactions interspécifiques. Les tourbières restaurées ou abandonnées avec un retour spontané de la végétation ont été utilisées comme modèles. Dans les tourbières restaurées, nous avons démontré que 10 à 30 ans sont nécessaires pour le développement de microstructures comparables à celles des tourbières naturelles. Par contre, les microstructures dans les tourbières abandonnées sont encore différentes à celles des tourbières naturelles 70 ans après l'abandon. Le retour d'une végétation typique dans le gradient de buttes et de dépressions est également moins rapide que l'apparition des structures elles-mêmes. Notre étude donne des preuves de l'utilité des plantes vasculaires pour la formation et le maintien des buttes. La croissance verticale des sphaignes est favorisée par la structure des plantes vasculaires lorsque leur couvert est faible et que les conditions climatiques ne sont pas optimales. Une augmentation du couvert des plantes vasculaires empêche la formation d'un tapis de sphaignes dense et réduit l'accumulation de biomasse. Conséquemment, les buttes ne peuvent pas se former sous des densités importantes de plantes vasculaires. L'étendue et le chevauchement interspécifiques les plus grands ont été observés dans les tourbières naturelles. Les différences les plus importantes sont visibles entre les tourbières abandonnées et naturelles et une situation intermédiaire est présente dans les tourbières restaurées. Aucunes des hypothèses associées au concept de niches écologiques (p. ex. hypothèses du gradient de stress ou du chevauchement maximal) ne semblent expliquer parfaitement comment les niches réalisées des espèces préférentielles aux tourbières dominées par les sphaignes se développent, peu importe le niveau de perturbations. Finalement, les espèces ont des niches réalisées semblables dans les tourbières naturelles de l'est et de l'ouest du Canada. Les indices d'étendue et de chevauchement ont ainsi permis de vérifier les observations faites sur le terrain pour la position des espèces dans le gradient de buttes et de dépressions.

En me basant sur un modèle de changement des tourbières face au réchauffement climatique, j'ai reproduit les conditions d'assèchement auxquelles elles seront soumises au cours du présent siècle en abaissant artificiellement le niveau de la nappe phréatique. J'ai testé l'hypothèse que les changements de végétation et d'accumulation de la matière organique différeraient à l'échelle spatiale (buttes, platières et dépressions) et à l'échelle temporelle (court et long termes) dans une tourbière minérotrophe pauvre dominée par les sphaignes et représentative de la majorité des tourbières minérotrophes boréales pauvres du Canada. L'abaissement de la nappe phréatique a eu pour effet d'homogénéiser les communautés végétales des microhabitats ainsi que de modifier leur productivité végétale et leur taux de décomposition. Toutefois, c'est uniquement dans les buttes que l'accumulation de la matière organique a été réduite. Les changements observés à court terme n'ont pas toujours été semblables à ceux à long terme. Finalement, mes résultats montrent l'importance d'intégrer les réponses différentielles des microhabitats dans les modèles de changement des tourbières face au réchauffement climatique.

Dans le cas particulier des tourbières à sphaignes affectées par l'exploitation horticole par aspiration, l'objectif à long terme de la restauration écologique est de ramener l'écosystème à un état fonctionnel et autosuffisant, assurant entre autre le rétablissement du cycle des éléments nutritifs et permettant l’accumulation de nouvelle matière organique. Pour déterminer le succès de l'intervention il est donc nécessaire de se tourner vers une approche capable de relier les éléments structuraux et fonctionnels de l'écosystème et d'intégrer une dimension plus dynamique, dans l'espace et dans le temps. Durant mon doctorat, j’ai analysé le retour de ces fonctions dans la tourbière restaurée de Bois-des-Bel à l'aide de différentes approches. Tout d'abord, j'ai étudié l'évolution temporelle de la composition chimique de la tourbe, de l'eau et des tissus de trois espèces végétales (Chamaedaphne calyculata, Sphagnum spp., et Polytrichum strictum) pour les sept premières années suivant la restauration. J'ai établi que la restauration permet une recharge en élément nutritifs suffisante pour compenser les carences des terrains mis à nu par l'exploitation, tel que révélé par la composition chimique des tissus végétaux. J'ai ensuite caractérisé le compartiment microbien (taille, composition et activité) et la physico-chimie de la tourbe suivant la restauration, à travers deux études. La première a mis en évidence que la restauration amène une augmentation de la quantité d'éléments nutritifs, de la biomasse microbienne et de l'activité des micro-organismes dans les horizons supérieurs. Cependant la faible qualité du carbone composant la tourbe fortement décomposée ne permet pas un rétablissement des populations microbiennes aussi rapide que le retour de la végétation. La seconde étude montre que la production de CO2 et de CH4 en conditions anaérobies dans la tourbe de la section restaurée s'apparente davantage à celle de la tourbe non-restaurée qu'à celle de la tourbe naturelle. Enfin, j'ai complété une étude innovatrice sur les relations unissant la composition de la végétation en surface, les conditions environnementales; la structure du compartiment microbien et son potentiel pour la décomposition en tourbière restaurée. TI en ressort que le retour de la sphaigne et de certaines éricacées modifie la structure du compartiment microbien et son potentiel pour la décomposition. De plus, j'ai démontré que le potentiel de décomposition est largement influencé par les conditions environnementales, notamment la présence et l'épaisseur du tapis de sphaignes et la masse volumique apparente sèche, mais aussi par la structure du compartiment microbien. / In the particular case of cutover Sphagnum peatlands, the long-term objective of ecological restoration is to bring back the ecosystem to a functional and self-sustainable state. Among other, this means a system where the nutrient cycle is efficient, and where the organic matter can accumulate actively. Hence, in a long term perspective, it is necessary to find a monitoring approach capable of linking the structural and functional aspects of the ecosystem together, one that would integrate a more dynamic dimension to evaluate success. During my PhD, I evaluated the return of these functions in the Bois-des-Bel restored peatland, using different approaches. To begin with, I studied the temporal evolution of chemistry in the peat, the water and the tissues of three plant species (Chamaedaphne calyculata, Sphagnum spp., and Polytrichum strictum). I established that restoration allows a sufficient nutrient recharge to outcome the deficiencies visible in the cutover section, as reflected by plant tissue chemistry. Then, I characterized the microbial compartment (size, composition and activity) and the physicochemistry of the peat, following restoration through two studies. The first of two studies showed that restoration augments nutrient quantity, microbial biomass and microbial activity in the surface layers; however, the recovery of the microbial compartment is delayed in comparison with the return of a typical vegetation cover, as a consequence of the poor quality of carbon and organic matter in the highly decomposed peat. The second study demonstrated that under anaerobic conditions, restored peat is more similar to non-restored than natural peat in terms of CO2 and CH4 dynamics. Finally, 1 explored the relations linking above-ground vegetation composition, environmental conditions, below-ground microbial structure and. decomposition potential. This unique research work revealed that the return of mosses and ericaceous shrubs modifies the structure and the decomposition potential of the microbial community. Moreover, it highlighted that the latter was also greatly influencedby environmental factors, notably Sphagnum presence and thickness as well as peat bulk, density, but also by the structure of the microbial community.

Les écosystèmes des régions tempérées sont l'objet de pressions importantes dues aux activités anthropiques, notamment l'urbanisation et l'agriculture, et les tourbières ne font pas exception. Ces activités altèrent leur composition végétale, favorisant entre autres l'installation d'espèces généralistes au détriment de celles tourbicoles. Cette étude porte sur la dynamique végétale d'une tourbière forestière située dans les basses-terres du Saint-Laurent. Elle comprend des secteurs minérotrophes et ombrotrophes avec divers peuplements forestiers mixtes, dont une cédrière et un mélézin à érable rouge. Mes objectifs étaient 1) de caractériser la dynamique contemporaine (XX-XXIᵉ siècles) des peuplements forestiers de la tourbière par l'examen de photographies aériennes multidates, de la dendrochronologie et de la régénération des espèces arborescentes, puis 2) de décrire leur évolution à long terme (plusieurs millénaires) en identifiant et datant au ¹⁴C des pièces de bois fossiles conservées dans la tourbe. Ma première hypothèse est que l'état de référence des peuplements minérotrophes, c'est-à-dire l'état initial avant perturbations, serait une cédrière, tandis que celui des peuplements ombrotrophes serait une tourbière arbustive. Ma seconde hypothèse est que le couvert forestier de la tourbière se transforme graduellement en peuplements mixtes d'érable rouge, puis évoluera en érablières rouges. Les résultats révèlent que les secteurs minérotrophes sont dominés par une structure forestière coniférienne depuis au moins 5000 ans, et l'installation de l'érable rouge y est très récent. Les secteurs ombrotrophes étaient autrefois ouverts, mais le mélèze s'y est densifié depuis le milieu du XXᵉ siècle, suivie d'une propagation de l'érable rouge. Les coupes forestières ayant eu lieu sur la tourbière ont été un facteur important ayant favorisé l'érable rouge. Cette espèce pourrait devenir dominante dans les décennies à venir, ce qui représenterait un état alternatif. Un retour aux stades initiaux semble improbable naturellement.

Cette étude a permis d’acquérir une meilleure compréhension des implications potentielles du réchauffement climatique sur les tourbières dominées par les sphaignes. Le drainage d’une partie de la tourbière a débuté il y a 55 ans. La composition végétale des parties naturelle et drainée a été comparée à l’aide de six transects et analysée par des techniques d’ordination. Les flux de CO2 ont été mesurés durant la saison de croissance sur un transect de la partie drainée et modélisés. En réponse au drainage, la composition végétale a changé et ce n’était pas relié au gradient naturel centre-bordure. Dans la partie humide du transect (éloigné du canal de drainage), la photosynthèse et la respiration totale ont diminué. La captation du CO2 y était légèrement moins élevée que dans la partie sèche. Cette étude suggère que les effets des changements climatiques seraient atténués par un changement des communautés végétales. / This study is providing a better understanding of the potential implications of the global climatic warming on Sphagnum dominated peatlands. The drainage of a part of the peatland began 55 years ago. Vegetation composition of the drained and natural areas was compared along six transects and analysed by ordination techniques. CO2 fluxes were measured during the growing season on one transect of the drained area and inferred by modelling. In response to drainage, vegetation composition changed and it was not related to a natural mire margin-mire expanse gradient. In the wetter part of the transect (far from the drainage ditch), gross photosynthesis and total respiration decreased. There was also slightly less CO2 sequestration than in the drier part. This study suggests for Sphagnum dominated peatlands that the effect of climate change might be reduced by a change of vegetation communities.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Les conditions actuelles de réchauffement climatique provoquent d'importants changements dans les paysages subarctiques, notamment le dégel du pergélisol et la croissance des lacs de thermokarst. Ces lacs sont connus pour leur libération importante de gaz à effet de serre (GES), un processus conduit par l'activité microbienne. Ce projet utilise comme modèle la vallée de la rivière Sasapimakwananistikw (SAS), située dans la région de Whapmagoostui-Kuujjuarapik au Nunavik, pour tracer un portrait des populations virales de ces milieux afin de permettre une meilleure compréhension des changements liés au dégel du pergélisol. Les lacs de thermokarst sont peu profonds (< 3 m) et riches en matière organique. En été, leur colonne d'eau est stratifiée, avec des eaux chaudes et oxygénées en surface et des eaux froides et anoxiques en profondeur. En hiver, l'ensemble du lac est scellé par la neige et la glace, entravant les échanges avec l'atmosphère, et l'eau y devient entièrement anoxique. Ces conditions anoxiques favorisent l'activité des micro-organismes méthanogènes et la formation de GES. Les virus sont connus pour avoir un impact considérable sur l'environnement. Ils peuvent affecter les réseaux trophiques, l'équilibre des populations microbiennes et les cycles biogéochimiques. Puisque nombre de virus sont encore inconnus, leur impact sur les écosystèmes polaires reste mal documenté. Ce projet donne l'occasion de combler une lacune importante dans les connaissances actuelles. Dans ce projet, j'utilise une approche métagénomique pour étudier la communauté virale des lacs de thermokarst du nord du Québec dans le but de répondre aux questions suivantes : (1) Quelle est la diversité virale des lacs de thermokarst et comment varie-t-elle au fil des saisons? Et (2) Quel est le niveau de connectivité entre les communautés virales nordiques, du lac thermokarstique aux milieux marins en passant par les rivières les reliant? Deux études préliminaires ont été menées pour étudier les communautés virales et leurs hôtes cellulaires dans le lac SAS2A. La première étude présente la variation saisonnière des communautés virales intracellulaires dans ce lac; la seconde étude étudie les hôtes cellulaires retrouvés dans la « petite » fraction. Ces études ont mis en lumière la transition des communautés virales entre les saisons ainsi que la diversité et les rôles métaboliques des micro-organismes de petite taille. L'analyse d'échantillons du lac SAS2A a permis de décrire deux communautés virales distinctes dans un lac de thermokarst échantillonné en été et en hiver sur une période de trois ans. Une communauté saisonnière dynamique occupe la couche de surface oxygénée pendant l'été et une communauté plus stable occupe la couche d'eau anoxique au fond du lac en été et dans une grande partie de la colonne d'eau en hiver. La grande majorité des génomes viraux identifiés dans ces métagénomes ont été assignés à des familles virales appartenaient aux Caudovirales (Caudoviricetes), notamment les groupes morphologiques myovirus, siphovirus et podovirus. Une comparaison avec des métagénomes d'autres milieux nordiques a mis en évidence la composition distincte des communautés virales dans cet écosystème lacustre de dégel du permafrost. L'analyse d'échantillons de multiples habitats dans la vallée SAS, incluant le lac SAS2A, la tourbière et une palse de la vallée SAS2, et la rivière SAS qui draine le système vers la Baie d'Hudson, a révélé un niveau de connectivité variable dans la région. Les résultats dénotent une déconnexion complète des communautés virales de la palse et de la rivière, contrastée par une relation étroite entre les communautés de l'eau du lac et de ses sédiments. La comparaison avec les populations virales de nos études antérieures a confirmé la récurrence de certains génotypes viraux dans cet habitat sur plusieurs années. Les résultats de cette étude montrent la présence d'une grande diversité de virus dans le paysage pergélisolé et indiquent une connectivité très variable entre les habitats adjacents. Dans l'ensemble, les résultats de cette thèse enrichissent nos connaissances sur le fonctionnement interne des lacs de thermokarst, en approfondissant notre compréhension des communautés virales sur un spectre taxonomique, temporel et spatial plus large. Les lacs de thermokarst présentent une grande diversité virale en toutes saisons et des relations transitoires complexes à travers le temps et l'espace. Ce projet ouvre la voie à une meilleure compréhension et de nouvelles recherches sur l'écologie virale des environnements nordiques touchés par la dégradation du pergélisol. / Under current global warming conditions, subarctic landscapes are undergoing major changes, including permafrost thawing and the growth of thermokarst lakes. These lakes are known for their considerable release of greenhouse gases (GHG), a process driven by microbial metabolism. This metagenomics project uses the Sasapimakwananistikw (SAS) river valley, located in the Whapmagoostui-Kuujjuarapik region in Nunavik, as a model to portray viral populations in these environments, with a focus on better understanding the changes associated with permafrost thaw. Thermokarst lakes are shallow (< 3 m) and rich in organic matter. In summer, their water column is stratified, with warm, oxygenated water at the surface and cold, anoxic water at the bottom. In winter, the whole lake is sealed off by snow and ice, preventing exchanges with the atmosphere, and becomes entirely anoxic. These anoxic conditions favor the activity of methanogenic micro-organisms and the formation of GHG. Viruses, small intracellular parasites, are known to have a considerable impact on their host and environment. They can affect food webs, the balance of microbial populations and biogeochemical cycles. Since many viruses are still unknown, their impact on polar ecosystems is still poorly documented. This project was an opportunity to fill a major gap in current knowledge. This project used a metagenomic approach to study the viral community of thermokarst lakes in northern Quebec, with the aim of answering the following questions: (1) What is the viral diversity of thermokarst lakes, and how does it vary over the seasons? And (2) What is the level of connectivity between northern viral communities, from peatland soils and wetlands to thermokarst lakes, and to the marine environment via connecting rivers? Two preliminary studies investigated viral communities and their cellular hosts in thermokarst lake SAS2A. The first study focused on the seasonal variation of intracellular viral communities in this lake, while the second examined the cellular hosts found in a small size fraction (< 0.2 μm) of the microbial community. These studies highlighted the transition of viral communities between seasons, as well as the high diversity and broad metabolic potential of small microorganisms, generally poorly represented in traditional metagenomes. Analysis of SAS2A lake samples revealed two distinct viral communities in a thermokarst lake sampled in both summer and winter over a three-year period. A dynamic seasonal community occupied the oxygenated surface layer in summer, while a more stable community occupies the anoxic water layer at the bottom of the lake in summer and a large part of the water column in winter. The vast majority of viral genomes identified in these metagenomes were assigned to viral families belonging to the Caudovirales (Caudoviricetes), notably the morphological groups myovirus, siphovirus and podovirus. A comparison with other permafrost and northern lake metagenomes highlighted the distinct composition of viral communities in this permafrost thaw lake ecosystem. Analysis of samples from multiple habitats in the SAS valley, including SAS2A lake, the surrounding peatland, a palsa in the SAS2 valley, and the river that drains the system into Hudson Bay, revealed a variable level of connectivity across the landscape. The results show a clear and complete disconnection between the viral communities of the palsa and the river, contrasted by a close relationship between the communities of the lake bottom water and its sediments. Comparison with viral populations from our previous studies carried out in this thermokarst lake system confirmed the recurrence of certain viral genotypes in this habitat over several years. The results of this study show the presence of a high diversity of viruses in the permafrost landscape and indicate highly variable connectivity between adjacent habitats. Overall, the findings of this thesis add to our knowledge of the inner workings of thermokarst lakes, deepening our understanding of viral communities over a wider taxonomic, temporal and spatial spectrum. Thermokarst lakes exhibit high viral diversity in all seasons, as well as complex transitional relationships across time and space. This project paves the way for a better understanding and new research into the viral ecology of northern environments impacted by permafrost degradation.

La surface des tourbières minérotrophes que l'on trouve dans le Haut-Boréal québécois est constituée de deux éléments principaux : des lanières de végétation et des mares qui alternent de manière plus ou moins ordonnée. La surface de ces tourbières est dégradée par un phénomène nommé aqualyse, qui consiste en la formation et l'agrandissement des mares. La végétation meurt noyée dans les dépressions inondées. Une analyse morphométrique a été menée sur les tourbières des hautes terres de la Baie de James afin de mieux comprendre cet écosystème. L'analyse de la dynamique des mares dans des tourbières de superficie variable et à différents degrés de dégradation a été effectuée. Un modèle conceptuel du développement des tourbières a été conçu à l'aide des données quantitatives et spatiales de la répartition des mares dans le but d'avoir une meilleure compréhension de l'évolution de l'aqualyse. L'abondance, la superficie, la profondeur, le type de contour et la forme des mares ont été mesurés dans 4881 mares réparties dans 24 tourbières. Le modèle est basé principalement sur la structure de taille des mares, c'est-à-dire le nombre de mares présentes selon leur superficie. L'étude révèle que les tourbières minérotrophes de la Baie de James sont diversifiées tant par leur structure de surface que par leur degré de dégradation par l'aqualyse. La superficie et le degré de pente contribuent positivement au développement de la structure de la surface de la tourbière. La superficie du bassin versant, la structure de la surface et l'épaisseur de tourbe favorisent l'aqualyse d'une tourbière tandis que la pente nuit au processus. Les structures de taille des mares indiquent que les populations de mares sont soit en expansion, à l'équilibre ou en transition. Le modèle présenté suggère que davantage de tourbières à fort degré d'aqualyse seront présentes dans le futur dans le Haut-Boréal québécois à cause de la hausse des précipitations reliée au réchauffement climatique.

Les invasions d'arbres ont un impact appréciable sur la ressource eau, et ce, particulièrement dans les milieux humides. Plusieurs de ces milieux sont affectés par différentes activités anthropiques, ce qui les rend encore plus vulnérables aux impacts des invasions biologiques. C'est notamment le cas d'une bonne partie des tourbières exploitées et abandonnées de l'Est du Canada qui sont envahies par le bouleau. L'objectif de cette étude est de déterminer quels sont les facteurs qui favorisent l'envahissement d'un site par le bouleau et l'impact de cet envahissement sur le taux d'évapotranspiration d'une tourbière (pertes en eau). Pour ce faire, 80 quadrats ont été inventoriés (caractéristiques hydrologiques, pédologiques et dendrométriques) au sein de sections abandonnées de la tourbière de Saint-Henri-de-Lévis (Québec) afin de mieux comprendre la dynamique de l'envahissement par le bouleau. Un dispositif expérimental a aussi été mis en place pour mesurer le taux moyen de transpiration du bouleau. L'envahissement par le bouleau est particulièrement important dans les sites tourbeux les plus secs. Il ne s'agirait toutefois que d'un phénomène temporaire ne durant que quelques décennies. Par contre, l'envahissement d'un site par le bouleau, même s'il n'est que de courte durée, peut avoir un impact sur les pertes d'eau par transpiration d'une tourbière. En effet, dans un site fortement envahi par le bouleau, les pertes d'eau par transpiration pour la saison estivale peuvent atteindre plus de 5 700 000 litres par hectare (570 mm/année), soit une valeur deux fois plus élevée que la quantité d'eau qui aurait été perdue par évaporation si le site n'avait pas été envahi. Une invasion de bouleau pourrait empêcher ou retarder le retour des espèces typiques des tourbières et ainsi nuire à la régénération naturelle ou la restauration de cet écosystème. Cependant, comme le bouleau ne s'établit pas dans les sites très humides, le simple blocage des canaux de drainage pourrait être une mesure suffisante pour empêcher l'envahissement.