Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2005. / Titre de l'écran-titre (visionné le 23 février 2006). Bibliogr.

Les changements climatiques ont entraîné une augmentation de la productivité végétale à l'échelle des régions circumpolaires. Ce phénomène, appelé verdissement, est documenté par des données de télédétection démontrant une augmentation de l'indice de végétation par différence normalisée (NDVI) et est principalement attribuable au phénomène d'arbustation. Le verdissement et l'arbustation suscitent un intérêt grandissant pour l'étude de la réponse des espèces arbustives aux changements climatiques et des facteurs responsables de l'hétérogénéité du verdissement. L'étude de la réponse des espèces arbustives nécessite toutefois des méthodes dendrochronologiques adaptées à leur forme de croissance particulière. De plus, peu d'études se sont concentrées sur la réponse différentielle des espèces arborescentes et arbustives aux changements climatiques. Les deux objectifs principaux de ce projet de recherche étaient donc de déterminer si la conversion des largeurs de cernes en surface peut être utilisée comme méthode de standardisation en dendrochronologie des arbustes et de déterminer si une réponse différentielle des espèces arbustives et arborescentes aux changements climatiques pourrait être à l'origine de l'hétérogénéité du verdissement des régions nordiques. L'utilisation des surfaces de cernes au lieu des largeurs standardisées de façon conventionnelle nous a permis d'obtenir des résultats de sensibilité climatique plus robustes et constants et de diminuer l'écart de sensibilité entre les branches et les collets. Nos résultats démontrent aussi que les arbres et les arbustes présentent des différences de réactivité aux changements climatiques et que la contribution aux augmentations de NDVI d'une espèce peut varier spatialement. Ce projet représente une contribution majeure au domaine de l'écologie nordique en adaptant les méthodes en dendrochronologie des arbustes et en améliorant notre compréhension du verdissement des régions circumpolaires. / Climate change has triggered an increase in plant productivity across circumpolar regions that can be seen on satellite images through increases in the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). This Arctic greening, mainly linked to shrub expansion, has triggered a growing interest in studying the response of shrub species to global warming as well as the factors responsible for the Arctic greening heterogeneity. To study the response of shrubs, dendrochronological methods need to be adapted to the particular growth form of shrub species. Moreover, very few studies have focused on the differential response of trees and shrubs species to climate change. Therefore, the two main objectives of this project were to determine if the conversion of ring width into ring area is an appropriate detrending method when shrub stems are used in dendrochronological studies and to determine whether differential responses of shrub and tree species to climate change could partially explain the greening heterogeneity of the Arctic and subarctic regions. We obtained more robust and consistent climate sensitivity results and a reduced sensitivity gap between stems and root collars of shrubs when using ring areas instead of conventionally standardized ring widths. Our results also showed that trees and shrubs differ in their response to climate change and that the contribution of a given species to the NDVI may vary spatially. This project represents a major contribution to the field of northern ecology by adapting methods in shrub dendrochronology and by improving our understanding of the greening of circumpolar regions.

Les changements climatiques ont entraîné une augmentation de la productivité végétale à l'échelle des régions circumpolaires. Ce phénomène, appelé verdissement, est documenté par des données de télédétection démontrant une augmentation de l'indice de végétation par différence normalisée (NDVI) et est principalement attribuable au phénomène d'arbustation. Le verdissement et l'arbustation suscitent un intérêt grandissant pour l'étude de la réponse des espèces arbustives aux changements climatiques et des facteurs responsables de l'hétérogénéité du verdissement. L'étude de la réponse des espèces arbustives nécessite toutefois des méthodes dendrochronologiques adaptées à leur forme de croissance particulière. De plus, peu d'études se sont concentrées sur la réponse différentielle des espèces arborescentes et arbustives aux changements climatiques. Les deux objectifs principaux de ce projet de recherche étaient donc de déterminer si la conversion des largeurs de cernes en surface peut être utilisée comme méthode de standardisation en dendrochronologie des arbustes et de déterminer si une réponse différentielle des espèces arbustives et arborescentes aux changements climatiques pourrait être à l'origine de l'hétérogénéité du verdissement des régions nordiques. L'utilisation des surfaces de cernes au lieu des largeurs standardisées de façon conventionnelle nous a permis d'obtenir des résultats de sensibilité climatique plus robustes et constants et de diminuer l'écart de sensibilité entre les branches et les collets. Nos résultats démontrent aussi que les arbres et les arbustes présentent des différences de réactivité aux changements climatiques et que la contribution aux augmentations de NDVI d'une espèce peut varier spatialement. Ce projet représente une contribution majeure au domaine de l'écologie nordique en adaptant les méthodes en dendrochronologie des arbustes et en améliorant notre compréhension du verdissement des régions circumpolaires. / Climate change has triggered an increase in plant productivity across circumpolar regions that can be seen on satellite images through increases in the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). This Arctic greening, mainly linked to shrub expansion, has triggered a growing interest in studying the response of shrub species to global warming as well as the factors responsible for the Arctic greening heterogeneity. To study the response of shrubs, dendrochronological methods need to be adapted to the particular growth form of shrub species. Moreover, very few studies have focused on the differential response of trees and shrubs species to climate change. Therefore, the two main objectives of this project were to determine if the conversion of ring width into ring area is an appropriate detrending method when shrub stems are used in dendrochronological studies and to determine whether differential responses of shrub and tree species to climate change could partially explain the greening heterogeneity of the Arctic and subarctic regions. We obtained more robust and consistent climate sensitivity results and a reduced sensitivity gap between stems and root collars of shrubs when using ring areas instead of conventionally standardized ring widths. Our results also showed that trees and shrubs differ in their response to climate change and that the contribution of a given species to the NDVI may vary spatially. This project represents a major contribution to the field of northern ecology by adapting methods in shrub dendrochronology and by improving our understanding of the greening of circumpolar regions.

La plantation d'arbres ou d'arbustes fruitiers figure parmi les options de réaménagement complémentaires à la restauration des tourbières résiduelles. Aucune étude n'avait toutefois été effectuée concernant le potentiel de telles plantations dans l'est du Canada. Le présent projet avait pour principal objectif de dresser un portrait des plantations existantes en tourbières résiduelles canadiennes, afin de connaître le potentiel de différentes essences forestières et d'une espèce d'arbuste fruitier (l'Aronia noir) à croître sur substrat tourbeux. Les essences forestières montrant de bonnes croissances sont l'Épinette noire et le Mélèze laricin. L'Érable rouge, le Pin gris, le Pin sylvestre et l'Aronia noir ont présenté certaines difficultés d'implantation ou de croissance, mais demeurent potentiellement intéressants. Les plantations de Peupliers hybrides sur tourbière résiduelle se sont avérées un échec. Une régie de la fertilisation comportant de faibles doses d'azote, de phosphore et de potassium est un atout pour des plantations forestières ou fruitières de ce type. Le présent projet a donc permis de mettre en évidence le réel potentiel d'établissement de certaines espèces forestières et fruitières en tourbières résiduelles dans l'Est du Canada.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / On observe présentement une augmentation du couvert arbustif à l'échelle circumpolaire, mais les déterminants de cette arbustation à l'échelle du paysage sont encore mal compris. Dans cette étude, nous avons adopté une approche de modélisation des changements de couvert afin d'identifier les variables déterminant l'augmentation du couvert arbustif à proximité d'Umiujaq, Québec. Nous avons modélisé les changements survenus entre 1990/1994 et 2010 et avons utilisé ces modèles afin de générer des prédictions sur l'augmentation du couvert arbustif. Nous avons trouvé que les arbustes tendent à coloniser plus facilement les sites à basse altitude ainsi que les pentes modérées, alors que leur couvert est plus susceptible d'augmenter à proximité de peuplements arbustifs déjà existants. Les probabilités d'arbustation prédites dans la région étaient cohérentes avec les patrons de changement inférés par les observations sur le terrain, mais pas par les changements récents de NDVI (normalized difference vegetation index, ou indice de végétation par différence normalisée) dans la région. Nos résultats indiquent que davantage de recherche est requise sur les impacts à grande échelle de l'arbustation sur les écosystèmes nordiques et sur le lien entre les changements de couvert végétal et les variations dans les indices dérivés de données de télédétection. / A circumpolar increase in shrub cover has been underway in northern ecosystems in recent decades, but the landscape-scale drivers of this shrubification are not well understood. In this study, we adopted a land cover change modelling approach to identify variables driving shrub cover increase near Umiujaq, Québec. We modelled land cover change in this area over the period 1990/1994-2010 and used these models to generate spatially explicit predictions of shrub cover increase. We found that shrubs tended to colonize low-elevation areas and moderate slopes more easily, whereas their cover was more likely to increase in the vicinity of existing shrub stands. The predicted probabilities of shrub cover increase in the region were consistent with patterns of change inferred from field observations, but not from recent local changes in NDVI (normalized difference vegetation index). Our findings warrant further research on the large-scale impacts of shrubification on ecosystem function and the link between land cover changes and variations in indices derived from remote sensing.

La respiration microbienne du carbone ancien stocké dans le pergélisol représente une rétroaction positive au réchauffement climatique. Toutefois, l’avancée récente des arbustes dans l’Arctique pourrait en partie compenser ces émissions, compte tenu de leur biomasse supérieure à celle de la végétation de la toundra et à la litière qui s’accumule. Il est cependant difficile de quantifier ce puits de carbone puisque la minéralisation concomitante du carbone ancien rend l’attribution des changements de la teneur en carbone des sols incertaine. Dans cette étude, la contribution des arbustes au réservoir de carbone terrestre est quantifiée dans un site au Nunavik, pour lequel les teneurs en carbone ancien des sols sont parmi les plus faibles de la région Arctique. Nous rapportons que l’avancée des arbustes Betula gladulosa Michx. dans la toundra lichénique augmente les stocks de carbone terrestre de 3.9 ± 1.3 kg m-2. Dans les milieux plus humides, les arbustes massifs et le remplacement des lichens par des mousses ont induit un gain de 6.6 ± 3.6 kg m-2 de carbone. Le puits de carbone issu de l’avancée des arbustes dans la région d’étude de 1994 à 2010 est estimé à 2.4 ± 0.8 Gg. Des études par pyrolyse couplée à la chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (pyGCMS) démontrent que l’avancée des arbustes modifie la nature chimique du réservoir de carbone des sols. Deux biomarqueurs potentiels ont ensuite été étudiés par pyGCMS, l’acide usnique et l’acide bétulinique, dans le but de développer une méthode pour comparer la labilité de la MO des sols de la toundra de lichens à celle de la toundra arbustive de la région. Notre étude sur l’avancée des arbustes à Umiujaq indique que ce processus peut constituer un puits de carbone. Son intensité à l'échelle de l'Arctique mérite donc des études supplémentaires, mais les données obtenues sur un seul site ne peuvent pas être extrapolées à l'ensemble de l'Arctique pour évaluer si ce puits est susceptible de compenser les émissions de carbone ancien liées au dégel du pergélisol. / The microbial respiration of ancient carbon stored in permafrost represents a positive feedback to climate warming. However, the recent expansion of shrubs in circumpolar latitudes may partly compensate for this carbon release, due to greater biomass and litter inputs than that of tundra vegetation. Quantifying this carbon sink is challenging, as the concomitant mineralization of ancient carbon often renders the attribution of changes in soil carbon stocks uncertain. Here, we measure the contribution of shrubs to the terrestrial carbon reservoir in a Low-Arctic tundra site in Nunavik where soil ancient carbon stocks are among the lowest in the Arctic. We find that the emergence of Betula glandulosa Michx. shrubs increased the terrestrial carbon stocks by 3.9 ± 1.3 kg m-2. Further increases in carbon were mostly found along water tracks, where the more massive shrubs and the replacement of the lichen understory by mosses resulted in an addition of 6.6 ± 3.6 kg m-2 of carbon. From 1994 to 2010, we estimate the carbon sink provided by shrub expansion in our study area to be of 2.4 ± 0.8 Gg. The analysis of soil organic matter (SOM) using pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry (pyGCMS) revealed that this recent shrub expansion has modified the chemical nature of the soil organic carbon (SOC) reservoir. Lastly, two potential biomarkers for shrub and lichen biomass, betulinic acid and usnic acid, were studied using pyGCMS in hopes of developing a method to compare the lability of the various soil carbon pools of the region. This natural case study in Umiujaq shows that shrub expansion represents a carbon sink. However, further studies throughout the Arctic are needed to evaluate the significance of this sink with respect to permafrost ancient carbon emissions, as the result of one local study cannot be extrapolated to the entire Arctic.

L’augmentation du couvert arbustif est observée de façon généralisée à l’échelle circumpolaire en réponse aux effets directs et indirects des changements climatiques. Celle-ci causerait d’importantes transformations des environnements biotique et abiotique, principalement en réponse à l’augmentation en hauteur des arbustes au port érigé. Nous avons caractérisé la dynamique des espèces arbustives de la toundra arctique en réponse aux changements climatiques et au broutement du caribou migrateur. Pour ce faire, nous avons établi la dynamique des espèces arbustives dominantes et évalué expérimentalement les mécanismes de réponse des arbustes en utilisant Betula glandulosa comme modèle d’étude. Nos résultats montrent que le couvert arbustif à Baie Déception est principalement dominé par B. glandulosa dont le recrutement semble augmenter depuis les années 2000. Toutefois, cette espèce reste pour l’instant relativement prostré, ne provoquant pas nécessairement les conséquences attendues sur l’environnement abiotique. Nous avons également montré expérimentalement que l’augmentation de la croissance arbustive se produirait en réponse à l’augmentation de la disponibilité en azote, un traitement appliqué pour simuler l’augmentation de l’activité des micro-organismes dans le sol en réponse au réchauffement. Nous avons aussi démontré que le broutement du caribou migrateur a un effet négatif cumulatif sur la croissance de B. glandulosa. Cette étude nous a donc permis de montrer d’une part que l’augmentation du couvert arbustif semble plutôt limitée à Baie Déception où elle pourrait être freinée par les effets combinés de conditions climatiques rigoureuses et de l’herbivorisme. D’autre part, nous avons montré que les herbivores ont un rôle non négligeable pour expliquer les changements de végétation dans les régions arctiques et subarctiques. / Generalized shrub expansion has been observed over the circumpolar Arctic in response to climate change. This phenomenon is causing major alterations to the biotic and abiotic environments, a consequence of the increased shrub growth in height. We characterised tundra shrub species dynamics in response to climate change and migratory caribou browsing. To do so, we evaluated dominant erect shrub species dynamics and tested experimentally how shrub responds to these disturbances, using Betula glandulosa as model species. Our results show that shrub cover in Deception Bay is mainly driven by B. glandulosa, a species with increasing recruitment since early 2000s. However, it seems that this species’ vertical structure remains low which might not modify the biotic and abiotic environment normally associated with shrub expansion. We also showed experimentally that increase in shrub growth is a result of enhanced soil nitrogen fertility, a proxy of increase microbiological activity in response to global warming. Moreover, we demonstrated that caribou browsing has a negative cumulative effect on B. glandulosa growth. Thus, we showed in this study that shrub expansion is rather limited in Deception Bay and might be slowed down by the combined effects of harsh climatic conditions and herbivores. Moreover, our study stressed that herbivores must be taken into account when predicting vegetation change in the tundra.

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