Les tourbières boréales jouent un rôle important dans le cycle global du carbone en tant que puits de CO2 à long terme et en tant que l’une des plus grandes sources de méthane naturel (CH4). Ces importants réservoirs de carbone seront exposés à l’avenir au réchauffement et aux conditions plus humides caractérisant le changement climatique dans les hautes latitudes et, en raison de la grande quantité de carbone stockée dans les tourbières boréales, comprendre leurs dynamiques est important. Dans cette thèse, j'ai intégré une représentation du cycle de l'eau et du carbone dans les tourbières dans le modèle de surface terrestre ORCHIDEE-MICT (LSM), dans le but d'améliorer la compréhension du C des tourbes et de sa dynamique depuis l'Holocène, afin d'explorer les effets du changement climatique.Tout d'abord (chapitre 2), J'ai implémenté les tourbières en tant qu'unité hydrologique de sol (HSU) sous-réseau indépendante qui reçoit les eaux de ruissellement provenant des HSU non tourbeuses environnantes dans chaque cellule du réseau et ne possède pas de drainage, conformément la representation propose par Largeron et al. (2018). Pour modéliser les flux d’eau verticaux des sols tourbeux et non tourbeux, j’ai représenté les paramètres hydrologiques spécifiques à la tourbe pour l’HSU des tourbières, tandis que dans d’autres HSU, les paramètres hydrologiques sont déterminés par la texture dominante du sol de la cellule de la grille. j'ai choisi un modèle diplotelmique pour simuler la décomposition et l'accumulation de tourbe de C. Ce modèle à deux couches comprend une couche supérieure (acrotelm) inondée de manière variable et une couche inférieure (catotelm) inondée en permanence. Ce modèle a montré de bonnes performances dans la simulation de l'hydrologie des tourbières, du C et des flux d'énergie dans 30 tourbières boréales sur des échelles de temps quotidiennes à annuelles. Mais la simplification excessive de la dynamique du carbone pourrait limiter sa capacité à prévoir la réponse des tourbières boréales aux futurs changements climatiques.Deuxièmement (chapitre 3), j'ai remplacé le modèle carbone de tourbe diplotelmique par un modèle multicouche afin de prendre en compte les hétérogénéités verticales de la température et de l'humidité le long du profil de la tourbe. J'ai ensuite adapté TOPMODEL et les critères d'établissement des tourbières de Stocker et al. (2014) pour simuler la dynamique de la zone des tourbières dans une unité de la grille. Ici, la zone inondée donnée par TOPMODEL est traversée avec des conditions de croissance de tourbe appropriées pour définir la zone occupée par une HSU de tourbe. Ce modèle a été testé sur plusieurs sites de tourbières du nord et pour des simulations en 2D sur l'hémisphère nord (> 30 ° N). La superficie totale simulée de tourbières et le stock de carbone en 2010 est de 3,9 million de km2 et 463 PgC, conformément aux observations (3,4 à 4,0 million de km2 et 270 à 540 PgC).Enfin (chapitre 4), avec le modèle multicouche, j’ai réalisé des simulations factorielles à l’aide de données climatiques passées et futures issus des scenarios de trajectoire de concentration représentative (RCP) à partir de deux modèles de circulation générale (GCM) afin d’explorer les réactions des tourbières boréales au changement climatique. Les impacts des tourbières sur le futur bilan en carbone de l'hémisphère nord ont été examinés, notamment la réaction directe du bilan en carbone de la tourbière existante (simulée) et les effets indirects des tourbières sur le bilan de carbone terrestre lorsque les tourbières se modifient à l'avenir.Les travaux futurs se concentreront sur l’inclusion des influences du changement d’affectation des sols et des incendies sur les tourbières dans le modèle, étant donné que des pertes importantes de C pourraient survenir en raison de ces perturbations. Pour avoir une image complète du bilan C des tourbières, il faut prendre en compte les pertes de CH4 et de C organique dissous (DOC). / Northern peatlands play an important role in the global carbon (C) cycle as a long-term CO2 sink and the one of the largest natural methane (CH4) sources. Meanwhile, these substantial carbon stores will be exposed in the future to large warming and wetter conditions that characterize climate change in the high latitudes and, because of the large amount of C stored in northern peatlands, their fate is of concern. In this thesis, I integrated a representation of peatlands water and carbon cycling into the ORCHIDEE-MICT land surface model (LSM), with the aim to improve the understanding of peatland C and area dynamics since the Holocene, to explore effects of projected climate change to northern peatlands, and to quantify the role of northern peatlands in the global C cycle.Firstly (Chapter 2), I implemented peatland as an independent sub-grid hydrological soil unit (HSU) which receives runoff from surrounding non-peatland HSUs in each grid cell and has no bottom drainage, following the concept of Largeron et al. (2018). To model vertical water fluxes of peatland and non-peatland soils, I represented peat-specific hydrological parameters for the peatland HSU while in other HSUs the hydrological parameters are determined by the dominant soil texture of the grid cell. I chose a diplotelmic model to simulate peat C decomposition and accumulation. This two-layered model includes an upper layer (acrotelm) that is variably inundated and a lower layer (catotelm) that is permanently inundated. This model showed good performance in simulating peatland hydrology, C and energy fluxes at 30 northern peatland sites on daily to annual time scales. But the over simplification of the C dynamics may limit its capacity to predict northern peatland response to future climate change.Secondly (Chapter 3), I replaced the diplotelmic peat carbon model with a multi-layered model to account for vertical heterogeneities in temperature and moisture along the peat profile. I then adapted the cost-efficient version of TOPMODEL and peatland establishment criteria from Stocker et al. (2014) to simulate the dynamics of peatland area within a grid cell. Here the flooded area given by TOPMODEL is crossed with suitable peat growing conditions to set the area that is occupied by a peat HSU. This model was tested across a range of northern peatland sites and for gridded simulations over the Northern Hemisphere (>30 °N). Simulated total northern peatlands area and C stock by 2010 is 3.9 million km2 and 463 PgC, fall well within observation-based reported range of northern peatlands area (3.4 – 4.0 million km2) and C stock (270 – 540 PgC).Lastly (Chapter 4), with the multi-layered model, I conducted factorial simulations using representative concentration pathway (RCP)-driven bias-corrected past and future climate data from two general circulation models (GCMs) to explore responses of northern peatlands to climate change. The impacts of peatlands on future C balance of the Northern Hemisphere were discussed, including the direct response of the C balance of the (simulated) extant peatland area, and indirect effects of peatlands on the terrestrial C balance when peatlands area change in the future.Future work will focus on including influences of land use change and fires on peatland into the model, given that substantial losses of C could occur due to these disturbances. To have a complete picture of peatland C balance, CH4 and dissolved organic C (DOC) losses must be considered.

Dans l’éventualité où l’important réservoir de carbone que représentent les tourbières venait à être déstabilisé, les impacts sur le climat planétaire pourraient être majeurs. Pourtant, les facteurs influençant les taux d’accumulation de carbone à l’échelle décennale et centennale dans les tourbières n’ont pas clairement été déterminés et les dynamiques passées et contemporaines en matière d’accumulation de carbone ont rarement été comparées pour le même site d’étude. Ce projet visait à (1) reconstruire à l’échelle fine (cm) les taux d’accumulation de carbone pour la tourbière Degerö Stormyr (Suède), (2) identifier les principaux facteurs influençant ces taux d’accumulation et (3) comparer les taux reconstruits aux flux de carbone contemporains mesurés sur le site. Deux approches méthodologiques complémentaires ont été employées : les reconstructions paléoécologiques et la modélisation. Les principales conclusions de ce mémoire sont les suivantes : (1) les taux apparents d’accumulation de carbone sont principalement liés aux conditions hydroclimatiques dans l’acrotelme, mais sont influencés par la composition végétale de la tourbe dans le catotelme. (2) Les taux réels d’accumulation de carbone pour la période récente (≈ 130 dernières années) sont semblables au bilan écosystémique net de carbone mesuré sur le site. (3) La comparaison entre les dynamiques récentes et à plus long terme suggère que Degerö Stormyr a séquestré davantage de carbone au cours des dernières décennies. Les résultats de ce mémoire soulignent l’importance d’étudier les facteurs influençant les taux d’accumulation de carbone pour différentes échelles temporelles et suggèrent que l’accent doit être mis sur l’accumulation de carbone à l’échelle décennale et centennale. / In the event that the important carbon reservoir sequestered in peatlands were to be destabilized, the impacts on global climate could be major. However, the factors influencing carbon accumulation rates at decadal and centennial scale in peatlands have not yet been clearly identified and past and contemporary carbon accumulation dynamics of the same study site have rarely been compared. This project aimed to (1) reconstruct fine scale (cm) carbon accumulation rates for the Degerö Stormyr peatland (Sweden), (2) identify the key factors influencing accumulation rates and (3) compare the reconstructed rates to modern carbon fluxes measured at the site. Two complementary methodological approaches were used: paleoecological reconstructions and modelling. The main conclusions of this thesis are that: (1) Apparent rates of carbon accumulation are mainly related to hydroclimatic conditions in the acrotelm, but are influenced by the vegetation composition of the peat in the catotelm. (2) True rates of carbon accumulation for the recent period (≈ last 130 years) are similar to the net ecosystem carbon balance measured on site. (3) The comparison between recent and long-term carbon accumulation dynamics suggests that Degerö Stormyr has sequestered more carbon over the past decades. The results of this thesis highlight the importance of studying factors influencing carbon accumulation rates at different time scales and suggest that emphasis should be placed on decadal and centennial scales.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet SIMED fédérant les activités de modélisation à l'échelle méditerranéenne, et plus globalement dans le programme MERMEX qui vise à étudier les cycles biogéochimiques en mer Méditerranée et leurs évolutions futures. L'étape préliminaire a été de coupler la plateforme de modélisation hydrodynamique (NEMO) à celle de modélisation biogéochimique mécaniste (Eco3M), afin de réaliser une simulation (2000-2012) utilisant les sorties hydrodynamiques de la configuration NEMO-MED12 pour forcer le modèle biogéochimique Eco3M-MED. Les nombreuses comparaisons menées dans cette thèse (chlorophylle, sels nutritifs, production primaire, etc.) ont aidé à s'assurer de la capacité du modèle à reproduire les principales caractéristiques biogéochimiques de la Méditerranée. Ce travail a permis de généraliser le rôle majeur joué par le carbone organique dissous dans la pompe biologique à l'échelle de la mer Méditerranée. Les résultats montrent que la production de carbone organique particulaire est restreinte aux régions de forte dynamique physique, tandis que l'accumulation de carbone organique dissous dans les eaux de surface est commune à la plupart des régions du bassin. Ce dernier processus s'est avéré dépendant des contenus cellulaires du phytoplancton et des bactéries hétérotrophes. Finalement d'après le modèle, la fraction dissoute du carbone organique contribuerait à hauteur d'environ 64 % à l'exportation dans le bassin Ouest, et de 90 % dans le bassin Est. Le bassin Est -en dépit de sa plus forte oligotrophie- s'avère participer à près de 60 % à l'exportation de carbone organique en mer Méditerranée. / This work is part of the SIMED project which is dedicated to basin-scale modeling of the Mediterranean Sea. It also belongs to the MERMEX program which aims at studying biogeochemical cycles in the Mediterranean Sea and their evolution. The first step of this work was to couple the hydrodynamic modeling platform (NEMO) to the mechanistic biogeochemical modeling platform (Eco3M). We ran a simulation (2000-2012) using the hydrodynamic outputs from NEMO-MED12 configuration to force the biogeochamical model Eco3M-MED. The model evaluation was conducted using numerous field measurements (chlorophyll, nutrients, primary production, etc.). The simulation strengthens and extends to the whole basin the prominent role of dissolved organic carbon in the biological carbon pump in the whole Mediterranean Sea. A comprehensive analysis of organic carbon (particulate and dissolved) production processes production was performed. Results reveal that particulate organic carbon production is restricted to the highly dynamic areas, whereas dissolved organic carbon accumulation in the surface layers is a common process in much areas of the basin. This latter process appeared to dependant on the cellular contents of phytoplancton and heterotrophic bacteria, themselved being controled by low phosphate availability. Finally, the dissolved organic carbon contribution to carbon export is around 64 % in the Western basin, and up to 90 % in the Eastern basin. When taking into account the dissolved fraction, total organic carbon export in the Eastern basin -despite its higher oligotrophy- exceeds the one in the Western basin (60% against 40 %).

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. Thèse de doctorat effectuée en cotutelle au Département de Géographie Université de Montréal et à l'Institut Méditerranéen d'Écologie et de Paléoécologie Université de Droit, d'Économie et de Sciences d'Aix-Marseille 111 / La tourbière de Mirabel (basses terres du St-Laurent, Québec méridional) a été étudiée dans le but de préciser l'influence exercée par les différents paramètres autogènes et allogènes sur l'accumulation postglaciaire du carbone. (l) Les dynamiques végétales régionales révèlent un contrôle climatique général, modulé localement par le contexte paléogéographique, la physiographie et les processus écologiques. (2) L'histoire postglaciaire du climat régional fut reconstituée par la méthode des analogues modernes, contrainte par les fluctuations du niveau du lac Hertel (Mont St-Hilaire). Les résultats obtenus témoignent d'un important réchauffement entre 13 000 et 11 000 cal. BP, d'un optimum thermique autour de 8000 cal. BP, et de deux périodes sèches (10 000-6500 et 5000-3000 cal. BP). (3) Les dynamiques postglaciaires internes de la tourbière furent indépendamment reconstituées en trois dimensions par l'analyse pluridisciplinaire de sept profils. Ces derniers montrent des successions végétales similaires, conformes au modèle de terrestrialisation, mais asynchrones. Ils témoignent en outre de conditions de surface très humides avant 6700 cal. BP, suivies de nombreuses fluctuations asynchrones sur l'ensemble du site. L'accumulation du carbone présente en revanche des tendances similaires dans tous les profils, caractérisées par de fortes accumulations avant 6200 cal. BP (moyennes de 7.1 à 19.1 gC.m .an'1) et de faibles accumulations depuis (moyennes de 2.7 à 6.3 gC.m'2.an ). (4) Les différentes conditions postglaciaires du développement de la tourbière sont confrontées. L'accumulation du carbone paraît avoir été essentiellement contrôlée par les interrelations entre la physiographie (alimentation minérotrophe initiale) et les processus autogènes, qui ont progressivement isolé la végétation tourbigène de la nappe phréatique. Notamment, ni le climat, ni les feux ne semblent avoir joué de rôle significatif. / Mirabel bog (St. Lawrence lowlands, southern Quebec) was studied with the aim to specify the influences exerted by the different autogenic and allogenic parameters on postglacial carbon accumulation. (1) Regional vegetation dynamics reveal a general climatic control, locally modified by the palaeogeographical context, physiography and ecological processes. (2) The postglacial history of the regional climate was reconstructed by the modem analogues method, constrained by the water level fluctuations of Lac Hertel (Mont St- Hilaire). Obtained results provide evidence for an important climate improvement between 13 000 and 11 000 cal. BP, a thermal optimum around 8000 cal. BP and two dry periods (10000-6500 and 5000-3000 cal. BP). (3) Postglacial internal dynamics were independently reconstmcted in three dimensions by the multidisciplinary analysis of seven profiles. They show similar plant successions, conforming to the terrestrialisation model but were asynchronous. They moreover attest the occurrence of very humid conditions prior to 6700 cal. BP, followed by numerous asynchronous fluctuations throughout the site. By contrast, carbon accumulation presents similar trends in all proiïles, characterised by high accumulation rates prior to 6200 cal. BP (averages from 7.1 to 19.1 gC.m .year ) and low rates since this date (averages from 2.7 to 6.3 gC.m'2.year-l). (4) The different postglacial conditions of peatland development arc coirfronted. Carbon accumulation appears to have been essentially controlled by the interplay between physiography (initial minerotrophic supply) and autogenic processes, which progressively isolated the peat-forming vegetation from groundwater. Notably, neither climate nor fire seem to have played a significant role.