Abstract : As atmospheric temperatures at the Earth’s surface increase due to global warming, the capacity of lower atmospheric levels to hold water vapor rises and thus, precipitations and floods will be influenced. In turn, extreme precipitation and flood events are subject to potential modifications under climate change, namely, Probable Maximum Precipitation (PMP) and Probable Maximum Flood (PMF). This research aims at analyzing climate change influences on PMP and PMF in three watersheds with different climatic conditions across the province of Québec, Canada. The watersheds are located in the south, center and north of the province. They have been selected in a manner which reflects climate diversity across Québec. In order to study climate change conditions, the data output of the Canadian Regional Climate Model (CRCM) was used. This database covers a time horizon from 1961 up to 2100 and includes daily precipitation, temperature, specific humidity and Convective Available Potential Energy (CAPE). These data were used to estimate PMP. The World Meteorological Organization (WMO) method was adapted to estimate PMP values under climate change conditions. The 100-year return period precipitable water (W100) was selected as an upper limit of precipitable water in establishing maximization ratio. The time series for estimating W100 was established from annual maximum precipitable water values that have similar atmospheric variables of the event to be maximized. The atmospheric variables used in this research were atmospheric temperature at the Earth’s surface and CAPE. This method does not require setting any upper bound limit to the maximization ratio and is therefore more amenable to calculate the PMP in a climate change context. The PMP was used to run a distributed hydrological model to estimate PMF. PMP and PMF values were estimated in three 45-year time horizons: recent past (centered on 1985), near future (2030) and far future (2070). In regions where snowmelt plays a key role in the annual hydrological cycle, winter-spring flooding could be the major discharge. Consequently, PMP and PMF were separately analyzed in two seasons: summer-fall (snow-free) and winter-spring (snow accumulation and melt). The largest value obtained was identified as the all-season PMP/PMF. Summer-fall PMF was estimated by inserting the PMP in each day of the simulated time horizon. Therefore, all soil moisture conditions prior to PMP occurrence were included. Accordingly, a distribution of PMF values based on different initial conditions (soil wetness levels) was obtained. Winter-spring PMF was estimated by inserting the PMP value at the end of a warm melting period and for an extreme snow accumulation. Our results show that the PMF of three watersheds would occur in the winter-spring season in current and future climate projections. Furthermore, all-season PMP and PMF in southern Québec would decrease, but trends in central and northern of Québec would be reversed and the PMP and PMF would increase in projected climate conditions. In the center and north of Québec, the PMF would increase by 25 and 23% respectively, at the end of the 21st century. For the same period, PMF would have a reduction of 25% in the south of Québec. Of the three watersheds, the PMF always occurs at the end of winter-spring season when the snow accumulation is the greatest. / Résumé: Quand la température atmosphérique à la surface a des augmentations en raison du réchauffement climatique mondial, la capacité des niveaux atmosphériques inférieurs à contenir de la vapeur d’eau s’élève. Ceci peut influencer les précipitations et les inondations. C’est pourquoi le réchauffement mondial conduit au changement climatique. Les précipitations extrêmes et les inondations extrêmes peuvent potentiellement subir des changements, à savoir, la précipitation maximale probable (PMP) et la crue maximale probable (CMP). Cette recherche vise à analyser les influences du changement climatique sur la PMP et la CMP dans trois bassins versants avec différentes conditions climatiques à travers la province de Québec, Canada. Les bassins versants sont situés dans le sud, le centre et le nord du Québec. Ils ont été sélectionnés d’une manière qui reflète la diversité du climat à travers le Québec. Afin d'étudier les conditions du changement climatique, les sorties du modèle régional canadien du climat (MRCC) ont été utilisées. Cette base de données couvre un horizon de temps à partir de 1961 jusqu'à 2100. Les données comprennent la précipitation quotidienne, la température, l'humidité spécifique et l’énergie potentielle de convection disponible (EPCD). Ces données ont été utilisées pour estimer la PMP. La méthode de l’Organisation Météorologique Mondiale (OMM) a été adaptée pour estimer les valeurs de la PMP dans des conditions de changements climatiques. L'eau précipitable centennale (W100) a été choisie comme une limite supérieure de l'eau précipitable pour déterminer le rapport de maximisation. Les séries chronologiques pour estimer W100 ont été établies à partir de valeurs annuelles maximales d'eau précipitable qui sont associées à des valeurs de variables atmosphériques similaires à l'événement qui doit être maximisé. Les variables atmosphériques utilisées dans cette recherche sont la température atmosphérique à la surface et l'EPCD. Cette méthode ne nécessite pas de fixer une limite supérieure au rapport de maximisation et est donc plus propice à la détermination de la PMP dans un contexte des changements climatiques. La PMP résultante a été utilisée pour forcer un modèle hydrologique distribué afin d’estimer la CMP. Les valeurs de la PMP et de la CMP ont été estimées en trois horizons de temps: le passé récent, les futurs proches (2030) et lointains (2070). Dans les régions où la fonte des neiges joue un rôle clé dans le cycle hydrologique annuel, les crues printanières en climat actuel correspondent habituellement au débit maximum annuel. La PMP et la CMP ont cependant été analysées séparément en deux saisons: l'été-automne (sans neige) et l'hiver-printemps (accumulation et fonte de neige) pour évaluer l’impact des changements climatiques sur la saisonnalité de ces événements extrêmes. La plus grande valeur obtenue a été identifiée comme la PMP / CMP annuelle. La CMP d’été-automne a été estimée par l'insertion de la PMP pour chaque jour de l'horizon de temps de simulation. Par conséquent, toutes les conditions possibles d'humidité du sol avant l’événement de la PMP ont été incluses. En conséquence, une distribution des valeurs de CMP basées sur différentes conditions initiales (niveaux d'humidité du sol) a été obtenue. La CMP d’hiver-printemps a été estimée en insérant la valeur de PMP à la fin d'une période de fonte et une accumulation de neige extrême. Nos résultats montrent que dans le sud et le nord du Québec, la CMP a toujours lieu à la fin de la saison hiver-printemps lorsque l’accumulation de neige est maximale. Aussi, la PMP et la CMP au sud du Québec devraient diminuer, mais la tendance au centre et au nord du Québec serait inversée. Dans le centre et le nord, la CMP augmente de 22 et 21%, respectivement, à la fin du 21e siècle alors que pour la même période, CMP aurait une réduction de 13% dans le sud du Québec. La CMP annuelle de ces bassins versants se produit dans la saison hiver-printemps dans trois horizons temporels.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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.

Titre de l'écran-titre (visionné le 26 avril 2023) / Étant l'une des provinces possédant la plus grande superficie forestière au Canada, le Québec fait l'objet de nombreux projets forestiers visant à lutter contre les changements climatiques. Cependant, de nombreuses études suggèrent que la non prise en compte des changements de l'albédo de surface en foresterie peut entraîner des erreurs importantes dans les évaluations d'impact climatique et conduire à l'approbation de projets ayant des effets contre-productifs sur le climat. De plus, l'albédo de surface peut être fortement influencé par la présence de neige au sol, ce qui augmente encore plus l'incertitude liée à la non prise en compte de l'albédo dans les régions boréales comme le Québec. Cependant, les évaluations de l'impact climatique de la plupart des projets forestiers sont actuellement basées sur la seule étude des flux de gaz à effet de serre (GES). Cette étude visait à évaluer la pertinence de considérer les changements d'albédo de surface dans les évaluations d'impact climatique de l'aménagement forestier au Québec, en comparant l'effet climatique d'un changement d'albédo de surface à celui des flux de CO₂ et en calculant leur effet combiné pour différents scénarios d'aménagement forestier. Nous avons utilisé le territoire du massif du lac Jacques-Cartier (région écologique 5e), dans le sous-domaine bioclimatique boréal de la sapinière à bouleau blanc de l'Est, comme zone d'étude pour développer des modèles statistiques permettant d'estimer l'albédo de surface de peuplements monospécifiques pour les espèces les plus communes dans la région, à savoir l'épinette noire (Picea mariana, Mill.,Britton, Sterns & Poggenb.,1888), le sapin baumier (Abies balsamea, (L.) Mill., 1768) et le bouleau blanc (Betula papyrifera, Marshall 1785), en utilisant des caractéristiques forestières et météorologiques. Nous avons ensuite simulé les changements de l'albédo de surface (à l'aide de nos modèles statistiques) et des flux de carbone (à l'aide du Modèle du bilan du carbone du secteur forestier canadien, CBM-CFS3) pour différents scénarios, dont : (i) le boisement de terres auparavant non boisées, et (ii) l'aménagement des peuplements existants pour l'approvisionnement en bois par la coupe totale et la régénération. Nous avons observé que l'augmentation de l'albédo après une coupe totale a le potentiel de contrebalancer une grande partie de l'effet de réchauffement des émissions post-coupe, ce qui suggère que l'utilisation des coupes totales pour l'approvisionnement en bois pourrait fournir des avantages climatiques supplémentaires pour lutter contre les changements climatiques. Nous avons également observé que l'effet de réchauffement dû à la diminution d'albédo de surface observée après le boisement de zones non boisées a le potentiel de compenser en grande partie l'effet de refroidissement produit par la séquestration du carbone causée par la croissance du nouveau peuplement. Cela suggère que les projets de boisement sur des terres naturellement non boisées pourraient ne pas être en mesure de produire un effet de refroidissement climatique aussi important qu'anticipé pour les régions boréales. Ces observations plaident en faveur de l'intégration de l'albédo de surface dans les méthodes d'évaluation d'impact climatique afin d'accroître leur justesse et leur niveau de complétude, et ainsi augmenter les chances que les objectifs en matière de lutte contre le changement climatique soient atteints. / As one of the provinces with the largest forest area in Canada, Quebec is subject to numerous forestry projects aimed at fighting climate change. However, numerous studies suggest that failure to account for surface albedo in forestry can lead to important errors in climate impact assessments and result in the approval of projects with counterproductive effects on climate. Moreover, surface albedo can be strongly influenced by the presence of snow on the ground, which further increases the uncertainty due to the non-accounting of albedo in boreal regions such as Quebec. However, climate impact assessments of forestry projects are still based on the sole study of greenhouse gas (GHG) fluxes. In this study, we aimed to evaluate the relevance of considering surface albedo changes in climate impact assessments of Quebec's forest management practices, by comparing the climatic effect of surface albedo change with that of CO₂ fluxes and by calculating their combined effect for different forest scenarios. We used the territory of Lake Jacques-Cartier Massif (ecoregion 5e) in the Eastern balsam fir-white birch boreal bioclimatic subdomain as a study area to develop statistical models to estimate the surface albedo of monospecific stands for the most common species in the region, namely black spruce (Picea mariana, Mill.,Britton, Sterns & Poggenb.,1888), balsam fir (Abies balsamea, (L.) Mill., 1768), and white birch (Betula papyrifera, Marshall 1785), using forest and weather characteristics. We then simulated changes in surface albedo (using our statistical models) and carbon fluxes (using the Carbon Budget Model of the Canadian Forest Sector, CBM-CFS3) for different forest management scenarios, including: (i) afforestation of previously non-forested land, and (ii) management of existing stands for wood supply through clearcutting and regeneration. We observed that the increase in surface albedo after clearcutting has the potential to counteract much of the warming effect of post-cutting CO₂ emissions, suggesting that the use of clearcuts for wood supply and production could provide additional climate benefits. We also observed that the warming effect due to the loss of albedo observed after afforestation of a non-forested area has the potential to offset most of the cooling effect produced by the carbon sequestration of the forest. This suggests that afforestation projects on naturally non-forested land may not be able to produce a cooling effect as large as expected. These observations support the integration of surface albedo in climate impact assessment methods to ensure that the estimations are correct and that objectives in terms of the fight against climate change are met.

Svalbarðstunga est un nom de lieu historique et officiel qui identifie le territoire entre les rivières Svalbarðsá et Sandá (nord-est de l’Islande). En aval du bassin versant de Svalbarðsá, se situe la ferme principale de la région, la ferme Svalbarð, qui est en activité depuis plus de 1000 ans. Depuis sa mise en place, de nombreuses fermes satellites, associées à la ferme Svalbarð, se sont établies dans la région Svalbarðstunga. La quasi-totalité des fermes fut abandonnée à divers moments et les motifs d’abandon restent nébuleux. Ils pourraient être associés à des facteurs naturels (p. ex.: changements climatiques, volcanisme) et/ou humains (p. ex.: dégradation des terres par le surpâturage, épidémies). L’objectif principal de cette étude est de documenter l’impact des changements climatiques et des activités humaines sur l’environnement de la vallée Svalbarðstunga. Pour atteindre cet objectif, nous nous sommes basées sur l’étude d’archives sédimentaires collectées au sein d’un étang et d’une tourbière, situés à proximité de vestiges d’anciennes fermes. Ces travaux de recherche incluent des analyses macrofossiles, diatomifères, géochimiques et sédimentologiques. La tourbière étudiée s'est mise en place rapidement après la déglaciation, vers 9190 ans étal. BP; les conditions locales étaient minérotrophes riches. Le site s’est ensuite relativement asséché et il est revenue à des conditions plus humides vers 470 ans étal. BP. D’autre part, l’étang étudié présente des signes de perturbations majeures entre 1000 et 1350 AD, telles que la déposition d’un niveau de tourbe non décomposée au sein d’une séquence sédimentaire constituée de gyttja entre 1100 et 1350 AD. En tenant compte de la localisation du site d’étude, l’élevage de bétails, principalement de moutons, aurait pu entraîner une déstabilisation des sols du bassin versant par le surpâturage des buttes de dépôt fluvio-glaciaire et glaciaire qui entourent l’étang, ce qui aurait provoqué une forte accumulation sédimentaire dans l’étang. / Svalbarðstunga is a historic and official region that spans the territory between the Svalbarðsá and Sandárivers (northeastern Iceland). The principal farm of the region is known as Svalbarð’s farm. It is located downstream of the Svalbarðstunga watershed and has been a functioning farm for over 1000 years. Many secondary farms were established in the regiona as satellites of Svalbarð’s farm. The majority of this farms site was abandoned at various times, but the reasons for that are still unknow. Natural factors (e.g.,climate change, volcanism) and/or human factors (e.g., land degradation from overgrazing, epidemics) were the most likely causes of abandonment. The principal goal of this research is to document the impact of climate change and human activities on the environment in Svalbarðstunga. To achieve this aim, we studied the sedimentary record in a pond and in a wetland situated near the ruins of the ancient farms. The research includes the study of macrofossils, diatoms, geochemicals and sedimentary analysis. The wetland in the study was established soon after deglaciation, by 9190 years cal. BP. The local conditions were rich minerotrophicat that time. Subsequently, the site became relatively dry, but wet conditions were re-established by 470 years cal. BP. On the other hand, the pond in the study shows evidence of major perturbations between 1000 and 1350 AD such as deposition of a non-decayed peat level in a sedimentary sequence formed by gyttja. Taking into account the location of the study site, the practice of livestock breeding (mainly sheep) would have destabilized the land on the wathersed due to the overgrazing of the fluvioglacial and glacial deposits knolls that surround the pond. This process would have caused significant sedimentary accumulation in the pond.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Les écosystèmes d'eau douce des latitudes extrêmes sont confrontés à une série de menaces liées à des changements climatiques rapides, dépassant les seuils écologiques. Toutefois, l'hétérogénéité des paysages et le manque de données de surveillance à long terme empêchent de prédire avec précision les réactions biotiques au changement climatique. Compte tenu de la diminution prévue de la couverture de glace, la compréhension limitée des réponses biotiques sur de longues périodes dans les lacs de l'Arctique devient évidente. Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse comprennent la reconstitution des conditions environnementales de la fin de l'Holocène dans trois lacs situés le long des franges côtières du bras Clements Markham (~82°4ʹ N, ~68°4ʹ W), sur le nord de l'île d'Ellesmere, et l'établissement d'une taxonomie complète des diatomées dans la région étudiée. L'influence présumée de la diminution de la couverture glaciaire a probablement amélioré la disponibilité de la lumière et diversifié les microhabitats récemment dans chaque lac de recherche. Cela se reflète dans la structure des assemblages de diatomées de chaque lac, les diatomées étant manifestement absentes dans la plupart des enregistrements jusqu'aux intervalles les plus élevés. Les premiers assemblages de diatomées de l'Arctique étaient principalement constitués de fragilarioïdes benthiques, qui se sont considérablement diversifiés au cours des 80 dernières années. Ce changement floristique a inclus des espèces planctoniques centrées, représentatives d'une plus grande stabilité thermique résultant de saisons prolongées sans glace. L'émergence et la diversification des diatomées correspondent à des pics notables de la teneur en matière organique et à des hausses de température dans l'Arctique, ce qui corrobore ce nouveau régime écologique. Collectivement, cette recherche élargit la documentation limitée des apparitions récentes de diatomées sur l'île d'Ellesmere, découvrant un changement récent et supplémentaire qui a initié une plus grande diversification des espèces en raison de changements environnementaux récents et rapides. / Freshwater ecosystems at extreme latitudes face a range of threats from rapid climatedriven changes, surpassing ecological thresholds. However, landscape heterogeneity and limited long-term monitoring data hinders accurate predictions of biotic responses to climate change. Given the projected declines in ice cover, the limited understanding of biotic responses over extended timeframes in Arctic lakes becomes evident. Within this context, the objectives of this thesis include reconstructing late-Holocene environmental conditions of three lakes along the coastal fringes of the Clements Markham Inlet (~82°4ʹ N, ~68°4ʹ W), on northern Ellesmere Island and to establish a comprehensive diatom taxonomy in the study region. The presumed influence of declining ice cover likely enhanced light availability and diversified microhabitats recently in each research lake. This was reflected in the diatom assemblage structures, as diatoms were conspicuously absent throughout most of the records until the uppermost intervals. Early Arctic diatom assemblages primarily consisted of benthic fragilarioids, culminating in a substantial diversification over the last ~80 years. This floristic shift included planktonic centric species, representative of greater thermal stability resulting from prolonged ice-free seasons. The emergence and diversification of diatoms corresponded with notable spikes in organic matter content and temperature rises across the Arctic, further corroborating this novel ecological regime. Collectively, this research broadens the limited documentation of recent diatom appearances on Ellesmere Island, uncovering a recent, additional shift that has initiated a wider species diversification due to recent and rapid environmental changes.

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.

L’objectif des études présentées dans ce mémoire était de déterminer si la fléole des prés, la graminée la plus couramment utilisée en association binaire avec la luzerne au Québec, sera encore un choix pertinent dans le futur. Sa réponse aux changements climatiques pour le rendement et la valeur nutritive a donc été comparée à trois autres graminées cultivées en association binaire avec la luzerne, soit la fétuque élevée, la fétuque des prés et le brome des prés. Afin de se projeter à l’échelle de la ferme, l’impact des changements climatiques sur les cultures annuelles les plus fréquemment utilisées sur les fermes laitières québécoises a aussi été évalué. Ensuite, les conséquences qu’auront ces changements sur la rentabilité et le bilan environnemental des entreprises laitières ont été rapportées. Pour ce faire, des fermes virtuelles de deux régions du Québec au climat contrasté et aux systèmes de production différents, l’Est-du-Québec (Bas-Saint-Laurent) et l’Ouest du Québec (Montérégie), ont été créées. Afin de valider la pertinence de conserver la fléole des prés en association binaire avec la luzerne dans le futur, les rendements et valeurs nutritives des quatre associations fourragères et des cultures annuelles les plus cultivées au Québec ont été simulés grâce au modèle Integrated Farm System Model (IFSM). Puis, les résultats ont été utilisés comme entrées dans le modèle Nutrient Cycling : Crops, Livestock, Environnement and Soil (NCyCLES) afin de déterminer l’impact de chacune des associations fourragères en contexte de changement climatique sur le bénéfice net et le bilan environnemental des fermes laitières québécoises dans le futur. Dans l’Est-du-Québec, on remarquait que c’est l’association luzerne - fétuque élevée qui devrait le plus bénéficier des changements climatiques, bien que l’association luzerne - fléole des prés devrait aussi en profiter, mais avec une augmentation des rendements projetés moins importante. Dans l’Ouest du Québec, les changements climatiques devraient aussi amener de meilleures performances agronomiques, mais à une moindre échelle étant donné la température déjà plus élevée dans cette région. Le bénéfice net des fermes laitières devrait aussi augmenter. Ce résultat est plus flagrant dans l’Est-du-Québec, car il devrait être possible sous les conditions climatiques projetées d’y cultiver et de vendre du maïs grain et du soya. Puisque plus de cultures seront exportées, la différence entre les entrées et sorties d’azote et de phosphore du système de la ferme devrait diminuer dans le futur. Les émissions totales de gaz à effet de serre devraient rester constantes, mais plus de gaz à effet de serre devraient être attribués aux récoltes vendues. Les résultats des deux études suggèrent que l’association binaire avec la fétuque élevée serait une bonne alternative à la fléole des prés sous les futures conditions climatiques et que l’Est-du-Québec devrait plus bénéficier des changements climatiques que l’Ouest du Québec. / The objective of the studies presented in this document was to determine if timothy, the grass most frequently use in binary association with alfalfa in Quebec, will still be a relevant choice in the future. Its response to climate change in terms of yield and nutritive value were then compared to three other grasses grown in a binary association with alfalfa, which were tall fescue, meadow fescue, and meadow bromegrass. To project at the farm scale, the impacts of climate change on the annual crops mostly used on Quebec dairy farms were also evaluated. Then, the consequences of these changes on the profitability and environmental balance of dairy farms were reported. To do so, virtual farms in two areas of the province of Quebec with contrasted climate and different production system, Eastern Quebec (Bas-SaintLaurent) and South West Quebec (Montérégie), were created. To validate the relevance to keep timothy as the grass in binary association with alfalfa, the yield and nutritive value of the four forage associations and the ones of the major annual crops in Quebec were simulated with the Integrated Farm System Model (IFSM). Then, the results were used as entries in the Nutrient Cycling: Crops, Livestock, Environment and Soil (N-CyCLES) model to determine the impact of every forage association under the climate change conditions on the net income and environmental balance of dairy farms. In Eastern Quebec, the association alfalfa - tall fescue should benefit more from climate change. Although the association alfalfa - timothy should benefit from climate change, it is the association with the least projected increase in yield. In South West Quebec, climate change should also allow greater agronomic performances, but at a least extend because of the already higher temperature in this area. The net income of dairy farms should also increase. This is more obvious in Eastern Quebec, because it should be possible under future projected climate conditions to grow and sell corn grain and soybean. Because more crops should be exported, the N and P balances should decrease in the future. The total green house gas emissions should be maintained, but more should be allocated to sold crops. Results suggest that the alfalfa-tall fescue mixture could be an alternative to the alfalfa-timothy association under future climate conditions and that Eastern Quebec could benefit more from the climate change then South West Quebec.

Le feu de forêt est une perturbation naturelle extrêmement répandue sur la planète. Au Québec, les incendies de forêt ont affecté entre 1990 et 2013 une moyenne de 330 000 hectares par année contre une moyenne de 2,3 millions d’hectares pour le Canada. À l’heure des changements climatiques, dont les conséquences sont annoncées comme très coûteuses pour les sociétés humaines, il est important de développer des stratégies d’adaptations aux changements climatiques le plus tôt possible afin de minimiser les coûts, les impacts environnementaux et les impacts sur nos sociétés. Le climat et la météo influencent fortement les patrons spatiaux et temporels de l’activité des incendies de forêt. La couverture terrestre joue également un rôle important à court terme en modulant l’influence des conditions climatiques sur l’activité des feux et à plus long terme par des changements de composition dans la matrice forestière, graduels (succession forestière, changements climatiques) ou rapides (perturbations). Ainsi, il devient urgent de développer des projections fiables de l’activité future des incendies de forêt tout en réduisant l’incertitude autour de ces projections. Malgré le fait que ces besoins ont été identifiés depuis plus d’une décennie, les méthodes nécessaires à l’élaboration de ces projections restaient à être développées. La capacité de prédire ou de prévoir comment un système peut se comporter à l'avenir a toujours représenté un formidable défi pour la communauté scientifique. Dans mes deux premiers chapitres, j’ai modélisé l’influence des changements climatiques et de végétation sur la fréquence et la distribution des tailles des incendies de forêt à l’aide de modèles statistiques. Mon troisième et dernier chapitre utilise les modèles développés dans les deux premiers pour projeter de quelle manière l’activité des incendies de forêt évoluera dans un contexte où le climat (ou la météo) et la végétation (ou la couverture terrestre) sont dynamiques. Grâce à ces travaux on peut aujourd’hui projeter quelle sera l’activité future des incendies de forêt dans un contexte de changements dans la matrice forestière et climatiques. / Abstract Wildfire is an extremely widespread natural disturbance on the planet. In Quebec, forest fires have affected between 1990 and 2013 an average of 330,000 hectares per year against an average of 2.3 million hectares for Canada. In these times of climate change, whose effects are reported as very costly to human societies, it is important to develop adaptation strategies to climate change as soon as possible to minimize costs, environmental impacts and impacts on our societies. Climate and weather strongly influence the spatial and temporal patterns of forest fires activity. Land-cover plays an important role in the short term by modulating the effect of weather on fire activity and longer-term changes in forest composition matrix, gradual (forest succession, climate change), or rapid (disturbances). Thus, it is urgent to develop reliable projections of future activity of forest fires while reducing the uncertainty surrounding these projections. Despite the fact that these requirements have been identified for more than a decade, the methods for the preparation of these projections remained to be developed. The ability to forecast or predict how a system might behave in the future has always been a formidable challenge for the scientific community. In my first two chapters, I modeled the influence of climate change and vegetation on the frequency and size distribution of forest fires using statistical models. My third and final chapter uses models developed in the first two to project how the activity of forest fires will evolve in a context where the climate (or weather) and vegetation (or land-cover) are dynamic. Thanks to this work, we can now project what will be the future activity of forest fires in the context of climate and forest changes.

Doctorat en Sciences politiques et sociales / info:eu-repo/semantics/nonPublished