Le biome boréal, emmagasinant d’importantes quantités de carbone en son sol et recouvrant une majorité du territoire alaskien, fennoscandien et russe, contribue grandement au système climatique. Toutefois, les variabilités climatiques et les propriétés de l’écosystème, notamment en ce qui a trait à la présence ou l’absence de pergélisol, complexifient la quantification de la variabilité des bilans de carbone du biome boréal, au sein duquel se retrouvent des écosystèmes forestiers, lentiques et de zones humides. Ces bilans de carbone sont grandement influencés par le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, étant à leur tour dépendants de plusieurs variables environnementales telles que la température de l’air et du sol, le contenu du sol en eau, les stades de développement de la végétation, etc. Cette recherche vise à quantifier l’impact de ces variabilités environnementales sur la variabilité des moments où se produisent le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, en distinguant les forêts boréales avec et sans pergélisol. La saison de croissance photosynthétique est caractérisée à partir de la productivité primaire brute dérivée de mesures covariance des turbulences provenant de 40 sites-années d’observation à travers la forêt boréale nord-américaine où l’épinette noire est l’espèce d’arbre dominante. Les variables environnementales considérées étaient les températures de l’air et du sol, les stades de développement de la végétation, le couvert nival, le rayonnement photosynthétiquement actif et le contenu du sol en eau. Le cadre statistique choisi incluait le calcul des coefficients de corrélations de Pearson, l’analyse des points communs et la modélisation par équations structurelles. Les résultats de cette étude montrent que la variabilité du début de la saison de croissance dans les sites sans pergélisol est contrôlée directement par la variabilité annuelle des stades de développement de la végétation ainsi que par le moment où survient le dégel du sol. Ce résultat souligne ainsi l’importance de l’accès à l’eau liquide du sol afin que la végétation initie la photosynthèse. Aucune variable environnementale ne pouvait significativement expliquer le contrôle du début de la photosynthèse au sein des sites avec pergélisol. À l’automne, le contenu du sol en eau ainsi que le début du couvert nival influencent directement la variabilité de la fin de la saison de croissance photosynthétique. Il est alors montré que la disponibilité de l’eau peut mener à une cessation plus hâtive de la photosynthèse à l’automne. L’effet de l’apparition du couvert nival est quant à lui opposé dans les sites avec et sans pergélisol. Son retard dans les sites sans pergélisol témoigne d’une température de l’air suffisamment élevée pour que les précipitations tombent sous forme liquide, prolongeant ainsi les activités photosynthétiques. Son retard dans les sites avec pergélisol signifie plutôt des précipitations neigeuses moindres, retardant ainsi l’apparition d’une couche isolante pour le sol, qui aurait pu allonger la saison de croissance photosynthétique. Cette étude contribue à clarifier les processus contrôlant le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique et aidera à améliorer la compréhension des effets des changements climatiques sur la force du puits de carbone de la forêt boréale nord-américaine. / The boreal forest, storing large amounts of carbon in its soil and covering a majority of the Alaskan, Canadian, Fennoscandian and Russian territory, is an integral part of the climate system. However, climatic variability and ecosystem properties, particularly with regards to the presence or absence of permafrost, limits our understanding of the carbon balance variability in the boreal biome, which comprises forest, lake and wetland ecosystems. The boreal carbon sink-source strength is greatly influenced by phenological events, including the start and end of the photosynthetic growing season, which are themselves dependent on several environmental variables such as air and soil temperature, soil water content, vegetation development stages, etc. This research aims to provide new insights on the influence of environmental variability on the variability in the timing of the photosynthetic growing season, by broadly distinguishing between boreal forests with and without permafrost. The photosynthetic growing season is characterized using gross primary productivity derived from eddy covariance measurements of net ecosystem carbon dioxide exchange. Data from 40 black spruce- dominated site-years of observation across the North American boreal forest are used. The considered environmental predictors were air and soil temperatures, vegetation development stages, snow cover, photosynthetically active radiation and soil water content. The statistical framework included the calculation of Pearson correlation coefficients, commonality analyses and structural equation modeling. This study shows that the variability in the start of the growing season in permafrost-free sites is directly controlled by the variability in vegetation development stage as well as by the thawing of seasonally frozen ground. This result thus emphasizes the importance of access to liquid soil water for the vegetation to initiate photosynthesis. No environmental variable could significantly explain photosynthesis recovery in sites with permafrost. In fall, the soil water content as well as the start of snow cover directly influence the variability in the end of the photosynthetic growing season. These results suggest that the availability of water can limit photosynthesis in the fall. The effect of snow cover is opposite in sites with and without permafrost. A delay in the appearance of continuous snow cover in sites without permafrost indicates that the air temperature is high enough for precipitation to fall in liquid form and for photosynthesis to continue. In contrast, its delay in sites with permafrost indicates less snowfall, thus delaying the appearance of an insulating layer for the soil, which could have lengthened the photosynthetic growing season. This study sheds light on the controls of the annual variation of the timing of the photosynthetic growing season and will help understanding of the effects of climate change on the strength of the North American boreal forest carbon sink.

L'association mycorhizienne implique nombre de plantes et de champignons, étant sans doute la symbiose mutualiste la plus importante et la plus répandue au sein des écosystèmes terrestres. Étant donné que la plupart des arbres forment des mycorhizes arbusculaires ou des ectomycorhizes qui se distinguent par leur écophysiologie, il est judicieux de caractériser les forêts en fonction de leur dominance mycorhizienne afin d'en mesurer les impacts sur les processus écologiques. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de quantifier les influences de la dominance mycorhizienne en forêt sur les propriétés abiotiques et biotiques du sol ayant un impact à l'échelle locale sur deux processus associés : la décomposition de la matière organique et la régulation de la diversité végétale. Les forêts étudiées, de dominance mycorhizienne très contrastée, présentent des propriétés physico-chimiques et des communautés microbiennes distinctes au niveau du sol, mais des patrons de distribution verticale des microorganismes du sol d'une similarité inattendue. Dans ces forêts nordiques décidues, la décomposition de la matière organique est favorisée dans les couches supérieures du sol, notamment grâce à la présence du réseau fongique et d'autant plus lorsque les ectomycorhizes prédominent, ce qui prouve l'aspect déterminant du contexte local. L'établissement d'arbres mycorhiziens arbusculaires peut être limité par la combinaison des conditions abiotiques et biotiques édaphiques de la forêt boréale, qui est dominée par les ectomycorhizes, contrairement aux forêts à dominance partagée entre mycorhize arbusculaire et ectomycorhize, où la diversité est favorisée à l'échelle de la communauté. Cette thèse démontre le rôle déterminant, au niveau local, exercé par la dominance mycorhizienne sur les processus écologiques, et soulève l'importance de l'hétérogénéité biotique et abiotique du sol pour mieux saisir le fonctionnement des écosystèmes terrestres. / Mycorrhizas, which involve plants and fungi, are probably the most important and widespread mutual symbioses in terrestrial ecosystems. Since most trees form arbuscular mycorrhizas or ectomycorrhizas that are ecophysiologically distinct from each other, it is useful to characterize forests according to their mycorrhizal dominance in order to measure their respective impacts on ecological processes. The objective of this thesis is to quantify the impacts of forest mycorrhizal dominance on the abiotic and biotic properties of the soil, which influence at the local scale two associated processes: the decomposition of organic matter and the maintenance of plant diversity. The forests studied have opposite mycorrhizal dominance exhibit distinct soil physico-chemical properties and microbial communities, but more similar vertical distribution patterns of microorganisms than expected. Decomposition is favored by organic matter in the upper soil layers, but also by the presence of the fungal network, especially when ectomycorrhizas predominate, illustrating the importance of the local environmental context. Establishment of arbuscular mycorrhizal tree may be limited by the combination of abiotic and biotic edaphic factors of the boreal forest, which is ectomycorrhizal-dominated, in contrast to forests with shared dominance between arbuscular mycorrhizas and ectomycorrhizas, where tree species diversity is favored at the community level. This thesis demonstrates the decisive role, at the local scale, played by mycorrhizal dominance on ecological processes, and raises the importance of soil biotic and abiotic heterogeneity to better understand the functioning of terrestrial ecosystems.

Dans la forêt boréale, l’augmentation de la fréquence et de la superficie d’îlots de pessières à lichens sur le territoire québécois a déjà été observée et pourrait résulter en une migration vers le sud de la limite nordique des pessières à mousses. Ce phénomène survient après des échecs de régénération, qui ont lieu lorsque le milieu est préalablement fragilisé lorsqu’une nouvelle perturbation affecte le peuplement. Avec la possibilité de détecter ce stress en analysant les propriétés spectrales de la végétation, les zones perturbées pourraient alors être identifiées. L’objectif principal de la présente étude est d’établir des liens entre d’une part, les informations extraites des signatures spectrales et d’autre part, les indices de végétation et les différents types de stress affectant les écosystèmes boréaux. Cela permettra de savoir s’il est possible d’identifier les pessières à mousses à risque de subir un accident de régénération en étudiant les propriétés spectrales de la végétation comme indicateur de stress. Pour répondre à cet objectif, des sites d’échantillonnage ont été positionnées aux 51e, 52e et 53e parallèles le long de la route de la baie James. Les placettes ont été regroupées en paires afin de faire des tests appariés et ainsi comparer les deux types de peuplements. Sur le terrain, les signatures spectrales ont été prises sur les feuilles aléatoirement prélevées sur cinq épinettes noires. Ces mesures ont été prises tout au long de la saison de croissance (3 campagnes d’échantillonnage). Quatre indices de végétation (NDVI, NDWI, PRI et SIPI) ont été extraits des signatures spectrales, et la pente moyenne du red-edge a été calculée. Les résultats obtenus ont permis de déterminer que certaines des pessières à mousses ont des valeurs très proches de celles des pessières à lichens, qui sont considérées comme des écosystèmes stressés. À partir de ces résultats, il est possible de supposer que le stress peut également être identifié à l’échelle du paysage (sur les images satellitaires) et ainsi permettre un suivi et une gestion après les feux et les épidémies afin de limiter les pertes de ce précieux écosystème. / In the boreal forest of northern Québec, the size and quantity of lichen woodlands patches is increasing, and taking over the spruce-moss forest territory. The phenomenon has been observed, and scientists now believe that the northern limit of the spruce-moss forest will slowly move south. This shift of ecosystem happens when the forest stand is already fragilized, and a perturbation occurs. Vegetation’s spectral properties can be used as a tool to assess and identify disturbed forest areas The main objective of this study is to establish relations between data extracted from spectral signatures, vegetation indexes and different types of stress that could affect boreal ecosystems. The identification spruce-moss woodlands prone to regeneration failure could be achieved with the study of spectral properties as stress indicators. In order to achieve this objective, sites from 3 latitudes (51, 52 and 53) have been sampled on James Bay Road. Plots have been regrouped in pairs for subsequent pairwise statistical tests to compare results from both forest stand types. Spectral signatures have been measured on 5 randomly chosen black spruces. These measurements were taken throughout the growing season (3 sampling campaigns). Four vegetation indexes have been extracted from spectral signatures (NDVI, NDWI, PRI and SIPI), and the mean slope of the red-edge area have been calculated. Results have shown that some of the spruce-moss stands have had very similar values to those from the lichen woodlands, that are considered as stressed ecosystems. From these results, it is possible to assume that stressed ecosystems can be detected at landscape level (on satellite images). Monitoring vegetation stress can help improve forest management after forest fires and insect’s epidemics to prevent the loss of this beautiful ecosystem.

Boreal forests are particularly vulnerable to climate change, experiencing a much more drastic increase in temperatures and having a limited amount of more northern refugia. The trees making up these vast and important ecosystems already had to adapt previously to environmental pressures brought about by the repeated glaciations during past ice ages. Studying the patterns of adaption of these trees can thus provide valuable insights on how to mitigate future damage. This thesis presents and analyses population structure, demo- graphic history and the distribution of fitness effects (DFE) of the diploid Betula pendula and tetraploid B. pubescens across Scandinavia. Birches–being widespread in boreal forests as well as having great economical importance–constitute superb model species. The analyses of this work confirm the expectations on postglacial population expansion and diploid-tetraploid introgression. They furthermore ascertain the presence of two genetic clusters and a remarkably similar DFE for the species. This work also contributes with a transparent, reproducible and reusable pipeline which facilitates running similar analyses for related species.