Une estimation des quantités de carbone organique dissous dans les millions de lacs boréaux est nécessaire pour améliorer notre connaissance du cycle global du carbone. Les teneurs en carbone organique dissous sont corrélées avec les quantités de matière organique dissoute colorée qui est visible depuis l’espace. Cependant, les capteurs actuels offrent une radiométrie et une résolution spatiale qui sont limitées par rapport à la taille et l’opacité des lacs boréaux. Landsat 8, lancé en février 2013, offrira une radiométrie et une résolution spatiale améliorées, et produira une couverture à grande échelle des régions boréales. Les limnologistes ont accumulé des années de campagnes de terrain dans les régions boréales pour lesquelles une image Landsat 8 sera disponible. Pourtant, la possibilité de combiner des données de terrain existantes avec une image satellite récente n'a pas encore été évaluée. En outre, les différentes stratégies envisageables pour sélectionner et combiner des mesures répétées au cours du temps, sur le terrain et depuis le satellite, n'ont pas été évaluées. Cette étude présente les possibilités et les limites d’utiliser des données de terrain existantes avec des images satellites récentes pour développer des modèles de prédiction du carbone organique dissous. Les méthodes se basent sur des données de terrain recueillies au Québec dans 53 lacs boréaux et 10 images satellites acquises par le capteur prototype de Landsat 8. Les délais entre les campagnes de terrain et les images satellites varient de 1 mois à 6 ans. Le modèle de prédiction obtenu se compare favorablement avec un modèle basé sur des campagnes de terrain synchronisées avec les images satellite. L’ajout de mesures répétées sur le terrain, sur le satellite, et les corrections atmosphériques des images, n’améliorent pas la qualité du modèle de prédiction. Deux images d’application montrent des distributions différentes de teneurs en carbone organique dissous et de volumes, mais les quantités de carbone organique dissous par surface de paysage restent de même ordre pour les deux sites. Des travaux additionnels pour intégrer les sédiments dans l’estimation sont nécessaires pour améliorer le bilan du carbone des régions boréales. / A remote sensing approach to estimate carbon stocks in the millions of boreal lakes is highly desirable to improve our understanding of carbon cycles. Lakes carbon content is often correlated to colored dissolved organic matter (CDOM) content, which is visible from space. Meanwhile, current sensors offer limited radiometry and spatial resolution in regard to boreal lakes opacity and size. Landsat 8, launched in February 2013, offers improved radiometry and spatial resolution, and will provide large-scale coverage of boreal regions. Limnologists gathered years of field campaigns in the boreal regions for which a clear Landsat 8 image will be available. Yet the possibility to combine legacy field data with new satellite imagery has not been assessed yet. Furthermore, the different strategies to select and combine timely repeated lakes measurements in the field and on the satellite have not been assessed either. In this study, we address the opportunities and limits to combine legacy field data with new satellite imagery to develop CDOM predictive models. Methods are based on field data from Quebec collected in 53 boreal lakes and 10 satellite images acquired with the prototype of Landsat 8. Delays between field campaigns and satellite overpasses varied from 1 month to 6 years. Results show that a CDOM predictive model based on existing field data compares favorably with models based on carefully coordinated field campaigns. The quality of the model does not improve by adding repeat measurements in the field and on the satellite, or by using atmospherically corrected images. Two images from different sites show different distributions of lakes dissolved organic carbon concentrations and volumes, but the total dissolved organic carbon storage per landscape unit in the two sites are in the same range. Additional work to link satellite data to lakes sediments carbon content is needed to refine the global carbon budget in the boreal regions.

Dissolved organic matter (DOM) is a central component of the global carbon cycle. Thus, small changes to the amount of DOM imported, processed and produced within lakes can have a large effect on regional carbon budgets. In addition to being a vital energy source at the base of the aquatic food web, DOM is physico-chemically reactive. However, identifying and understanding the controls of DOM processing has remained challenging due to the complex composition of DOM. DOM comprises a mixture of decomposition by-products of terrestrial origin as well as newly synthesized material from in situ production. DOM compounds form gradients of reactivity to biogeochemical processes, such as photodegradation, biodegradation, and flocculation, and they perform a suite of functions in aquatic systems. The overarching goal of this thesis was to investigate controls of DOM processing in Swedish lakes. We do this in two ways: 1) by characterizing the molecular-level composition of DOM in lakes, and 2) by investigating interactions between very labile and relatively recalcitrant DOM. The first three chapters utilize ultrahigh resolution mass spectrometry to show that the detailed chemical composition of DOM varies along a hydrology gradient, and secondarily along a temperature gradient that co-varies with agriculture and nutrients. Next, we illustrate the coherence between molecular-level characteristics and bulk optical characteristics. Together, these studies suggest that protein-like fluorescence, aliphatic compounds, and N-containing compounds are either resistant to degradation or tightly cycled in the system, and thus persist at long water residence times. The most oxidized compounds, such as vascular plant-derived polyphenolic compounds, are abundant in areas with high precipitation and are lost with increasing water residence time. Vascular plant-derived polyphenolic compounds were most strongly related to DOM with high apparent molecular weight, suggesting that hydrophobic interactions drive aggregate formation. Furthermore, the association of high molecular weight DOM with polyphenolic compounds suggests that aggregates are hotspots of reactivity in aquatic systems. Finally, we find no indication that the addition of labile organic matter enhances the biodegradation of less reactive DOM. Thus, we suggest that in freshwaters, intrinsic molecular properties, such as the basic structural features of compounds, dominate over extrinsic factors.

To investigate effects of nitrogen on in-lake CO2 and CH4 production during winter, three pair of lakes was subject for a fertilizing experiment in which one lake in each pair was fertilized with nitric acid (HNO3) directly into the water column in the summer of 2012. The lakes in each pair are assumed to be morphologically, hydrologically and biologically similar, that is, the non-fertilized lakes are considered references. The pairs do differ in one major way by being progressively less humic, going from around 25 mg/l to 10 mg/l DOC. Sampling and analysis was carried out at the end of the frozen period in 2013. Results show a significantly higher concentration of both CO2 (p<0,001) and CH4 (α=0,1, p=0,053) between impact and reference sites in the two less humic pairs. The very humic pair generated lower concentrations of CO2 and CH4 after fertilization in the impact site compared to the reference site. The lakes with low and intermediate humic content are assumed to have increased their biomass production during the ice-free season which contributed to elevated amount of available organic carbon to be mineralized to gas during winter. The absence of a fertilization effect in the very high humic lake is most likely due to light-limitation being the key limitator in that lake, thus preventing an elevated biomass production during the ice-free season. Northern boreal lakes can be expected to react differently to elevated N-deposition and runoff depending on the amount of catchment derived terrestrial carbon transported to the lake.

Climate change is one the greatest environmental challenges of our time, both due to direct eectssuch as global warming but also due to the potential of the climate acting as a driver for otherenvironmental problems. This thesis aims to evaluate the impact of climate change on thermal properties and the content and distribution of dissolved oxygen in boreal lakes. By calibrating the one-dimensional, process based model MyLake with data from three, long-time monitored lakes in Sweden, vertical proles of temperature and oxygen could be studied over time. Changes in air temperature, precipitation and discharge showed to have a great impact on the thermal properties of the lakes. Simulations 30 and 80 years in the future with high impact climate scenarios indicated an overall increase in lake water temperature and reduced duration of icecover. The increase in lake water temperature decreased with depth, indicating enhanced thermal stratication. Climate change also had a profound impact on the content and distribution of dissolved oxygen, DO, in the lakes. Climate-induced increases in dissolved organic carbon, DOC, had an overall negative impact on the DO content in the water column. The impact of changes in air temperature, precipitation and discharge however had an overall positive impact on lake water DO, most likely due to increased oxygen supply during the winter months due to the shorter duration of ice cover. The risk of summer anoxia increased due to the combined effect of increased air temperatures and elevated DOC concentrations. In conclusion, the impact of climate change will, directly or indirectly, have a profound impacton both the thermal conditions and the content and distribution of oxygen in lakes. This may drastically change future lake water quality as well as the living conditions for the aquatic life. / De pågaende klimatförändringarna är ett av vår tids mest utmanade miljöhot, dels påa grund av direkta effekter såsom global uppvärmning men också på grund av klimatets potential att agera som en drivande faktor i många miljösammanhang. Målet med denna studie var att undersöka hur klimatförändringarna påverkar temperatur- och syrgasgasförhallanden i sjöar. Genom att kalibreraden den dimensionella, processbaserade modellen MyLake, med data från tre svenska sjöar, kunde vertikala temperatur- och syrgasprofiler undersökas över tid. Förändringar i lufttemperatur, nederbörd och flöde, baserade pa vedertagna klimatscenarier med hög klimatpåverkan, visade sig ha en tydlig påverkan på sjörnas temperaturförhållanden. Simuleringar 30 och 80 år fram i tiden resulterade i forhöjda vattentemperaturer i hela vattenkolumnen samt förändringar i tidpunkt for isbildning och smältning. Vattentemperaturen ökade for samtliga undersökta djup, men ökningshastigheten minskade med ökat djup. Detta tyder på starkare skiktning av vattenkolumnen i framtiden. Förandringar i klimatet visade sig också ha en stor inverkan pa sjöarnas syrgasförhållanden. Ökande halter av löst organiskt kol, orsakade av klimatförändringar, hade negativ inverkan på sjöarnas syrgasförhållanden. Förändringar i lufttemperatur, nederbörd och flöde hade däremot en överlag positiv inverkan pa sjöarnas syrgasförhållanden. Detta beror troligtvis på att tillflödet av syrgas ökar i och med att tiden då sjön är täckt av is förkortas. Risken for syrefattiga förhållanden under sommarmånaderna ökade dock, på grund av den kombinerade effekten av förhöjd lufttemperatur och ökande DOC halter. Sammanfattningsvis förväntas klimatförändringar ha en tydlig effekt på både temperatur- och syrgasforhallanden i sjöar. Detta riskerar att avsevärt försämra både sjöarnas vattenkvalitet och levnadsförhållanden för vattenlevande organismer.

Les processus anthropiques et naturels modifient et régulent la concentration et le stockage du carbone (C) et du mercure (Hg) dans les sédiments des lacs boréaux. Cependant, la manière dont ces deux éléments sont couplés dans les sédiments de lacs largement répandus et la manière dont leurs concentrations, leur composition et leur couplage ont pu changer dans les archives sédimentaires restent mal comprises. Ici, nous avons mesuré la concentration de Hg et de C dans les sédiments de surface de 42 lacs (dont 5 lacs inondés par des barrages hydroélectriques) dans trois régions boréales du Québec et nous avons obtenu des carottes de sédiment de ~1m dans deux de ces régions, allant de la région de la Baie James (JB) à l'ouest jusqu’à la Côte-Nord à l'est. Nous avons constaté que la concentration de Hg total (THg) était plus élevée dans les sédiments récents (post-industriels), probablement en raison des perturbations anthropiques ainsi que du contexte environnemental et climatique. La concentration de THg augmente avec un pourcentage plus élevé de C total (%TC) dans les sédiments à l'intérieur des carottes de sédiments et entre elles, avec des pentes plus élevées pour les relations THg-%TC dans les sédiments récents. La fluorescence de la matière organique dissoute (MOD) dans l'eau interstitielle était un bon prédicteur du THg dans les carottes de sédiments JB, probablement en raison d'une affinité préférentielle et le co-transport du THg avec la matière organique de type humique. Il existe une variabilité inter-régionale de la concentration de THg et du pourcentage de matière organique (%OM) dans les sédiments de surface, avec une distinction inter-régionale (HSP, JB, VRD) liée au contexte géographique (par exemple, profondeur du lac, superficie, altitude, chimie de l'eau). Ces résultats suggèrent des niveaux de variation naturels et anthropiques en termes de concentration et de composition de la MO et du Hg s'accumulant dans les sédiments, avec une augmentation préférentielle de l'accumulation du Hg dans les sédiments récents qui est associée à des groupes spécifiques de MO d'origine terrestre. Les réponses des lacs aux changements futurs ne seront peut-être pas homogènes, et une meilleure compréhension des facteurs géographiques du stockage du carbone et du mercure dans les sédiments lacustres permettra d'améliorer la prévision de ces éléments imparfaitement couplés au niveau des bassins versants. / Anthropogenic and natural processes modify and regulate carbon (C) and mercury (Hg) concentration and storage in boreal lakes sediments. However, how these two elements are coupled in sediments of widely distributed lakes and how their concentrations, composition and coupling may have changed over sediment records remain poorly understood. Here, we measured the concentration of Hg and C in surface sediments of 42 lakes (including 5 lakes flooded by hydro-electric damming) in three boreal regions of Quebec, Canada and further obtained ~1m sediment records in two of these regions, ranging from the James Bay (JB) area to the west to the Cote-Nord area to the east. We found that total Hg (THg) concentration was higher in recent sediments (post-industrial), likely because of anthropogenic disturbance as well as environmental and climatic context. THg concentration increased with a higher percent total C (%TC) in sediments within and among sediment cores, with higher slopes for the THg-%TC relationships for recent sediments. Porewater dissolved organic matter (DOM) fluorescence was a good predictor of THg in JB sediment core, likely because of a preferential affinity and co-transport of THg with humic-like material. There was inter-regional variability in THg concentration and percent organic matter (%OM) in surface sediment with inter-regional distinction (HSP, JB, VRD) related to geographic context (e.g. lake depth, area, elevation, water chemistry). These results suggest natural and anthropogenic levels of variation both in terms of the concentration and composition of OM and Hg accumulating in sediments, with a preferential increase in Hg accumulation in recent sediments that is associated with specific groups of terrestrial-derived OM. Lake responses to future changes may thus not be homogeneous, and a better understanding of the geographic drivers of C and Hg storage in lake sediments will help improve prediction of these imperfectly coupled elements at the watershed level.

L'intensité et la fréquence des feux de forêt ont augmenté dans les paysages nordiques, perturbant le cycle et le transport du carbone dans les continua terrestres-aquatiques. Cependant, l’effet des feux de forêt sur la dynamique du carbone lacustre reste méconnu en raison du manque d'études comprenant des comparaisons interrégionales et des bilans de carbone incluant différentes formes avec des destins (évasion, export, stockage) contrastés. Nous avons analysé la concentration et la proportion des formes dominantes du carbone (Carbone Organique Dissout (COD), Carbone Inorganique Dissout (CID), Carbone Organique Particulaire (COP), CO2, CH4) dans 54 lacs situés dans des bassins versants brûlés par rapport à des bassins versants témoins dans 3 régions nordiques tempérées et boréales du Québec et du Minnesota, sur un gradient de 3 ans après le feu. Dans l'ensemble, les lacs étaient plus semblables à l'intérieur des régions qu'entre les régions, indépendamment du feu, mais il y avait des effets intrarégionaux du feu. Le COD a augmenté dans les lacs des bassins versants brûlés malgré l'absence d'effet significatif sur les concentrations de CO2 et de CH4. En outre, les feux de forêt augmentent la contribution du COD aux bilans total de carbone du lac, ce qui favorise la réduction de la transparence de l'eau et augmente le potentiel de transformation in-situ du carbone par minéralisation. Ce changement de la dynamique de C dans les lacs, qui se traduit par une augmentation de la quantité et de la proportion de COD, suggère que les feux de forêt causent une exportation de carbone dans les bassins versant boréaux, dont le destin reste inconnu. Grâce à l'intégration de diverses formes de carbone ayant des taux de renouvellement et des destins différents, cette étude met en évidence un effet supplémentaire du feu sur le cycle du carbone, détectable à plus long terme que la perte directe de carbone terrestre due à la combustion de la végétation, dont l'importance au niveau du bassin versant reste à déterminer et qui pourrait avoir un impact sur le cycle du carbone à l'échelle mondiale. / Wildfires' intensity and frequency have increased across northern landscapes, disrupting carbon cycling and transport across terrestrial-aquatic continua. However, it remains unclear how lake carbon dynamics respond to fires due to the lack of studies including cross-regional comparisons and carbon budgets with more than two C forms. We analyzed the concentration and distribution of the dominant C forms (Dissolved Organic Carbon (DOC), Dissolved Inorganic Carbon (DIC), Particulate Organic Carbon (POC), CO2, CH4,) in 54 lakes in burned vs control catchments in three north temperate and boreal regions of Quebec and Minnesota within a 3-year post-fire gradient. Overall, lakes were more similar within than among regions regardless of fire, but there were intraregional fire effects. DOC increased in lakes in burned watersheds despite no significant effect on concentrations of CO2 and CH4. We showed that the fire effect was most apparent when accounting for climate and local geomorphologic lake properties. In addition, wildfires increase the contribution of DOC to whole-lake C budgets favouring reduction of water transparency and greater opportunity for in-situ carbon processing through mineralization. This lake C dynamic change through an increased quantity and proportion of DOC suggests a potential long-term firemediated carbon export with a yet undetermined fate in boreal watersheds. Through the integration of various C forms with different turnover rates and fates, this study highlights an additional fire effect on C cycling that is detectable at a longer time scale than the direct terrestrial C loss from burned vegetation which importance at the watershed level remains to be determined and may impact global C cycling.

Previous research has shown a close relationship between the terrestrial and aquatic carbon (C) cycles, namely that part of the C fixed via terrestrial net primary production (NPP) is exported to inland waters. In turn, it has been demonstrated that once in the freshwater system C can not only be transported laterally as dissolved organic carbon (DOC), particulate organic carbon (POC) and dissolved inorganic carbon (DIC) but is also mineralized and evaded back to the atmosphere as CO2, or buried in sediments. A number of hotspot areas of aquatic CO2 evasion have been identified but there are considerable gaps in our knowledge, particularly associated with understanding and accounting for the temporal and spatial variation of aquatic C fluxes at regional to global scales, which we know from local scale studies, to be substantial. In this thesis, three important regional hotspots of LOAC activity were identified, where significant gaps in our understanding remain.For the boreal region, an empirical model is developed to produce the first high resolution maps of boreal lake pCO2 and CO2 evasion, providing a new estimate for total evasion from boreal lakes of 189 (74–347) Tg C yr-1, which is more than double the previous best estimate. The model is also used along with future projections of terrestrial NPP and precipitation, to predict future lake CO2 evasion under future climate change and land-use scenarios, and it is found that even under the most conservative scenario CO2 evasion from boreal lakes may increase 38% by 2100. For the Amazon Basin, the ORCHILEAK land surface model driven by a newly developed wetland forcing file, is used to show that the export of C to and CO2 evasion from inland waters is highly interannually variable; greatest during wet years and lowest during droughts. However, at the same time overall net ecosystem productivity (NEP) and C sequestration is highest during wet years, partly due to reduced decomposition rates in water-logged floodplain soils. Furthermore, it is shown that aquatic C fluxes display greater variation than terrestrial C fluxes, and that this variation significantly dampens the interannual variability in NEP of the Amazon basin by moderating terrestrial variation. Finally, ORCHILEAK is applied to the Congo Basin to investigate the evolution of the integrated aquatic and terrestrial C fluxes from 1861 to the present day, and in turn to 2099 under a future climate and land-use scenario. It is shown that terrestrial and aquatic fluxes increase substantially over time, both over the historical period and into the future, and that these increases are largely driven by atmospheric CO2. The proportion of terrestrial NPP lost to the LOAC also rises from 3% in 1861 to 5% in 2099 and this trend is driven not only by atmospheric CO2 but also by climate change. This is in contrast to the boreal region where the proportion of NPP exported to inland waters is predicted to remain relatively constant, and to the Amazon, where a decrease has been predicted, due to differences in projected climate change. / L’état de l’art dans le domaine a montré qu’il y avait un lien étroit entre les cycles du carbone terrestre et aquatique :en effet, une partie du carbone fixé par photosynthèse (productivité primaire brute) est transférée vers les milieux aquatiques continentaux pour être ensuite transporté latéralement sous forme de carbone organique dissous (COD), de carbone organique particulaire (COP), de carbone inorganique dissous (CID). Durant ce transfert latéral, le carbone peut être minéralisé puis réémis vers l’atmosphère sous forme de CO2 ou enfoui dans les sédiments. Cependant, nous sommes encore loin de bien comprendre et surtout de quantifier les variations temporelles et spatiales des flux de carbones à l’échelle régionale et globale, même si les études faites à l’échelle locale nous montrent qu’elles sont importantes. Au cours de cette thèse, nous nous sommes focalisés sur 3 grandes régions pour lesquelles la connaissance des flux de carbone le long du continuum aquatique reliant les écosystèmes terrestres aux océans étaient encore très parcellaire.Pour la région boréale, un modèle empirique a été développé afin de produire les premières cartes à haute résolution de pCO2 et d’émission de CO2 pour les lacs boréaux. Les résultats du modèle nous ont permis de contraindre les émissions totales de CO2 pour les lacs boréaux à 189 (74-347) Tg C an-1, soit plus du double des estimations précédentes. Ce modèle a ensuite été couplé aux projections de production primaire brute terrestre et de précipitations afin de prédire les émissions de CO2 pour ces lacs pour différents scénarios de changement climatique et d’occupation des sols. Les résultats montrent que même en prenant le scénario le plus conservatif, les émissions de CO2 des lacs boréaux augmenteraient de 38% d’ici 2100.Pour le bassin de l’Amazone, le modèle d’écosystème terrestre ORCHILEAK, paramétré par de nouvelles donnés de forçage des zones humides, a été utilisé pour démontrer que l’export de carbone terrestre vers les réseaux fluviaux ainsi que les émissions de CO2 ont une très grande variabilité interannuelle :émissions élevées lors des années à forte précipitation et basses lors des années sèches. Cependant, la productivité nette de l’écosystème (PNE) Amazone et la fixation nette de carbone à l’échelle du bassin sont plus élevées lors des années humides, en partie dû au taux de décomposition de carbone organique réduit lorsque les sols sont saturés en eau. De plus, les résultats montrent que les flux de carbone des systèmes aquatiques ont une plus grande variabilité que les flux terrestres, ce qui atténue considérablement la variabilité interannuelle de la PNE du bassin de l'Amazone.Pour finir, nous avons appliqué ORCHILEAK au bassin du Congo afin d’étudier l’évolution intégrée des flux de carbone terrestres et aquatiques de 1861 à nos jours, ainsi que de projeter leur devenir au cours du 21eme siècle selon les scénarios de changement climatiques et de changement d’occupation des sols. Nous avons montré que les flux terrestres et aquatiques augmentent de façon significative durant la période historique et dans le futur, cette augmentation étant largement induite par l’augmentation du CO2 atmosphérique et, dans une moindre mesure, par le changement climatique. En particulier, la proportion de la productivité primaire brute terrestre exportée vers le continuum aquatique passe de 3% en 1861 à 5% en 2099. Ce résultat contraste avec ceux obtenu pour la région boréale où cette proportion reste relativement constante et pour l’Amazone où c’est une baisse qui est en fait prédite. Ces différences s’expliquent par des trajectoires de changement climatique distinctes pour ces 3 régions. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished