Tableau d'honneur de la FÉSP / Les tourbières jouent un rôle important dans le cycle du carbone à l’échelle de la planète, principalement par la captation de dioxyde de carbone (CO₂) et l’accumulation de carbone dans la tourbe et par de considérables émissions de méthane (CH₄). Les activités d’extraction de tourbe horticole causent la dégradation des tourbières qui fournissent des services écologiques, dont la régulation du climat. Une méthode de restauration significative, robuste et efficace a été développée pour les tourbières acides dominées par les sphaignes. Il arrive toutefois que les conditions physico-chimiques de la tourbe résiduelle après extraction soient caractéristiques des tourbières minérotrophes (fens). Lorsqu’appliquée dans un contexte de restauration de fens, la méthode de restauration par transfert de la strate muscinale s’est avérée peu efficace pour le retour des espèces vasculaires et muscinales typiques des fens. Dans certains contextes, la technique de remouillage sans autre action de restauration pourrait s’avérer efficace pour restaurer les fens post-extraction. Le but de cette étude est d’évaluer l’efficacité du remouillage à rétablir la végétation caractéristique des fens, ainsi que leur fonction de séquestration du carbone, et cela une et dix saisons de croissance après remouillage. Le site à l’étude se trouve dans le sud-est du Manitoba, au Canada. Les données ont été récoltées durant les étés 2016 et 2017. Le remouillage peut rapidement mener à des échanges de CO₂ typiques des tourbières naturelles. Le remouillage a résulté en des écosystèmes dominés par des espèces vasculaires typiques des milieux humides et des tourbières minérotrophes et ombrotrophes. Dix saisons de croissance après remouillage, un tapis discontinu de mousses typiques des tourbières minérotrophes s’est rétabli. Le remouillage peut être utilisé de manière efficace pour la restauration de fens après extraction. La gestion des niveaux d’eau s’avère primordiale pour favoriser une structure de végétation semblable à celle retrouvée dans les fens naturels. De trop hauts niveaux d’eau sont à éviter pour empêcher de générer de très hautes émissions de CH₄ et maximiser la fonction de séquestration du carbone. Ce mémoire se divise en trois chapitres : une introduction générale au sujet, suivie d'un corps de mémoire sous forme d'article scientifique puis d’une courte conclusion

La dynamique du carbone en forêt boréale est contrôlée par celle des incendies qui consument partiellement la biomasse et la matière organique du sol, libérant du carbone dans l’atmosphère. À long terme, une perte de résilience peut conduire les forêts brûlées à évoluer vers des écosystèmes présentant différentes compositions, structures et cycles biogéochimiques. Les modèles prédictifs de la dynamique du carbone en forêt boréale simulent rarement ces différentes trajectoires successionnelles, ce qui biaise les prévisions à long terme. Nous avons étudié la résilience aux incendies et la dynamique du carbone des pessières à mousses du Québec. La régénération de l’épinette noire, du pin gris et du sous-bois a été inventoriée suite à trois années d’importante activité des feux dans la province. Trois à cinq ans après feu, une épaisse couche de matière organique résiduelle avait compromis l’établissement de l’épinette noire, provoquant une ouverture du couvert et un changement de dominance vers le pin gris. Les éricacées s’étaient régénérées en abondance dans la plupart des parcelles. La composition du sous-bois après feu était principalement déterminée par les caractéristiques du site et du peuplement. Elle reflétait les assemblages d’origine, les legs biologiques ayant été préservés par la faible sévérité des incendies. Nous avons ensuite modélisé les feux, la succession et la dynamique du carbone à l’échelle du paysage pour quantifier l’impact de la sévérité du feu et de la régénération des arbres sur le cycle du carbone. Une diminution de 13 % du carbone stocké dans le paysage était prédite au bout de 500 ans lorsqu’on simulait la sévérité du feu et son impact sur la régénération. Cette diminution était plus fortement liée à la faible régénération de l’épinette noire qu’à la combustion de la matière organique en elle-même. Les émissions liées au feu étaient déterminées par les variations de la surface annuelle brûlée. Ainsi, la perte de résilience des pessières à mousses suite aux feux légers affecte fortement le stockage du carbone à long terme. Le modèle utilisé pourrait encore être amélioré en incorporant la dynamique du sous-bois. / Wildfire is a major driver of carbon dynamics in boreal forests. Immediate effects of wildfires include partial consumption of aboveground biomass and the forest floor, and carbon emissions to the atmosphere. Wildfires can also have long-term effect on carbon cycling. Indeed, when resilience of burned forests is exceeded, regenerating ecosystems differ from that of the pre-fire stands in composition, structure and biogeochemical cycles. Predictive models of carbon dynamics in boreal forests rarely take into account such multiple post-fire successional trajectories, which could bias long-term predictions of carbon storage and emissions. This study examined post-fire ecosystem resilience and carbon dynamics of black spruce-feathermoss forests of Quebec. Regeneration of black spruce, jack pine and understory plant communities were inventoried three to five years after the occurrence of a three-year episode of major fire activity in the province. In the studied plots, low burn severity had left intact a thick residual organic layer that impeded black spruce establishment. As a result, stem density of the burned stand decreased, while jack pine became dominant. Ericales resprouted abundantly. Understory regeneration was mainly driven by pre-fire site and stand characteristics. Post-fire understory composition reflected pre-fire species assemblages, because biological legacies were preserved by the low-severity fires. A model was used to simulate wildfires, succession and carbon dynamics at the landscape level, in order to assess the influence of forest floor combustion and post-fire tree regeneration on carbon cycling. After 500 years of simulation, modelling of burn severity and its influence on post-fire tree establishment caused a 13% decrease in predicted landscape carbon stocks. Simulation of the forest floor combustion alone caused a lower decrease in predicted carbon stocks than simulation of low spruce regeneration rates. Modelled fire emissions were mainly driven by variations in annual area burned. Loss of resilience of black spruce-feathermoss forests can have long-term consequences on carbon stocks. The model used in the present study could be further improved by incorporating explicit simulation of understory species dynamics.

Le zooplancton exerce un rôle primordial dans les transferts d’énergie à travers les réseaux trophiques océaniques et dans le cycle biogéochimique du carbone des écosystèmes marins. La communauté entière recycle du CO2 en consommant le carbone photosynthétiquement fixé en surface, et en le respirant ensuite. Des migrateurs verticaux transportent du carbone stocké et le respirent en profondeur, contribuant à son exportation de la zone épipélagique. En Arctique, ce flux actif respiratoire n’a pas été mesuré, malgré un potentiel élevé de transport du à la forte contribution du migrateur saisonnier Calanus hyperboreus à la biomasse zooplanctonique. Cette thèse exploite une série quasi-annuelle de profils de biomasse et de respiration zooplanctoniques pour : (1) quantifier ce processus en mer de Beaufort; (2) améliorer les connaissances sur les fluctuations saisonnières de la distribution verticale de sept copépodes arctiques clés; et (3) suivre le cycle biologique de C. hyperboreus. Ce grand herbivore constituait 45 % de la biomasse zooplanctonique et a effectué les migrations verticales les plus extensives. Son ascension saisonnière, de l’ordre de 200 m, et celles de moindre ampleur de C. glacialis et du petit omnivore Oithona similis, ont coïncidé avec les efflorescences d’algues de glace et phytoplanctoniques. Malgré une reproduction hivernale vigoureuse en profondeur, une débâcle hâtive de la banquise, et une production primaire élevée, un faible recrutement au stade copépodite a entrainé une stagnation de la croissance de la population de C. hyperboreus. Très abondant, l’omnivore Metridia longa, et Microcalanus pygmaeus, ont pu exercer dans leur habitat mésopélagique un contrôle sur cette population en interceptant les œufs de C. hyperboreus flottant vers la surface. Le cryophile Pseudocalanus spp. est resté en permanence dans la zone épipélagique froide, tandis que le mésopélagique Triconia borealis, possiblement un semi-parasite de C. hyperboreus, était associé avec dans la couche Atlantique plus chaude. La température a eu peu d’effet sur les déplacements verticaux des copépodes arctiques. Le grand zooplancton, dominé par les Calanus, était responsable de 89% du broutage zooplanctonique de la production primaire brute d’avril à juillet. Les transports de carbone au delà de 100 m et 200 m par ces Calanus étaient du même ordre de grandeur que les flux gravitationnels de carbone organique particulaire à ces profondeurs. Ces résultats soulignent l’importance d’inclure le transport actif dû aux migrateurs saisonniers du grand zooplancton dans les bilans de carbone de l’Océan Arctique. / Zooplankton play a pivotal role in the energy transfer through the oceanic food webs and in the biogeochemical carbon cycle within marine ecosystems. The entire community recycles CO2 by consuming photosynthetically fixed carbon and respiring it thereafter. Vertical migrants transport stored carbon and respire it at depth, thus, contributing to its export from the epipelagic zone. Active respiratory flux has not been measured in the Arctic despite the high potential for transport due to the strong contribution of the seasonal migrant Calanus hyperboreus to zooplankton biomass. This thesis exploits a quasi-annual time series of zooplankton biomass and respiration profiles to: (1) quantify this process in the Beaufort Sea; (2) improve our knowledge on the seasonal fluctuations of the vertical distribution of seven key arctic copepods; and (3) track the life cycle of Calanus hyperboreus. This large herbivore contributed 45% to the zooplankton biomass and performed the most extensive vertical migration. Its seasonal ascent, ranging about 200 m, and those of lesser magnitude of C. glacialis and the small omnivore Oithona similis, coincided with the ice algae and phytoplankton blooms. Despite vigorous winter reproduction at depth, a precocious ice break-up, and high spring-summer primary production, weak recruitment to copepodite stage caused C. hyperboreus population growth to stagnate. In their mesopelagic habitat, the highly abundant omnivore Metridia longa, and Microcalanus pygmaeus, could have exerted a control on this population by intercepting C. hyperboreus eggs floating toward the surface. The cryophilic Pseudocalanus spp. remained year-round in the cold epipelagic zone while the mesopelagic Triconia borealis, likely a semi-parasite of C. hyperboreus, was associated with it in the warmer Atlantic layer. Temperature had little effect on the vertical displacements of arctic copepods. The Calanus-dominated large zooplankton was responsible for 89% of zooplankton grazing on the April-July gross primary production. Carbon transport below 100 m and 200 m depth, mediated by the Calanus species, was of the same magnitude as the gravitational fluxes of particulate organic carbon to these depths. These results stress the importance of including active transport by large zooplankton migrants in carbon budgets of the Arctic Ocean.

L'objectif de mon étude était de décrire la dynamique des isotopes stables du carbone et de l'azote de la matière organique particulaire sympagique pendant la transition printanière en mer de Beaufort. La biomasse de protistes et la disponibilité en carbone inorganique dissous ont été identifiées comme principaux facteurs de contrôle du signal isotopique du carbone à la base de la glace annuelle. Les signatures isotopiques de l'azote n'ont pu être expliquées à l'aide des variables mesurés. Un apport substantiel de protistes provenant de la glace a été détecté jusqu'à 30 mètres de profondeur à l'aide des isotopes stables du carbone. Cette analyse a également permis de souligner le plus grand potentiel des diatomées sympagiques à être exportées vers le fond marin et celui des cellules flagellés à participer à la biomasse pélagique. Ces derniers ont le potentiel d'ensemencer la colonne d'eau en cellules pouvant participer à la production primaire et d'alimenter le réseau alimentaire pélagique lors d'épisodes de libération de protistes sympagiques.

Cette étude a permis d’acquérir une meilleure compréhension des implications potentielles du réchauffement climatique sur les tourbières dominées par les sphaignes. Le drainage d’une partie de la tourbière a débuté il y a 55 ans. La composition végétale des parties naturelle et drainée a été comparée à l’aide de six transects et analysée par des techniques d’ordination. Les flux de CO2 ont été mesurés durant la saison de croissance sur un transect de la partie drainée et modélisés. En réponse au drainage, la composition végétale a changé et ce n’était pas relié au gradient naturel centre-bordure. Dans la partie humide du transect (éloigné du canal de drainage), la photosynthèse et la respiration totale ont diminué. La captation du CO2 y était légèrement moins élevée que dans la partie sèche. Cette étude suggère que les effets des changements climatiques seraient atténués par un changement des communautés végétales. / This study is providing a better understanding of the potential implications of the global climatic warming on Sphagnum dominated peatlands. The drainage of a part of the peatland began 55 years ago. Vegetation composition of the drained and natural areas was compared along six transects and analysed by ordination techniques. CO2 fluxes were measured during the growing season on one transect of the drained area and inferred by modelling. In response to drainage, vegetation composition changed and it was not related to a natural mire margin-mire expanse gradient. In the wetter part of the transect (far from the drainage ditch), gross photosynthesis and total respiration decreased. There was also slightly less CO2 sequestration than in the drier part. This study suggests for Sphagnum dominated peatlands that the effect of climate change might be reduced by a change of vegetation communities.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / Les flux de carbone organIque particulaire (POC) sont des déterminants clés de la régulation du climat sur Terre. Les rapides changements climatiques qui affectent les hautes latitudes nordiques sont susceptibles de modifier abruptement la dynamique des flux de POC dans l'océan Arctique. Les implications de telles modifications pour le réseau alimentaire marin et le climat sont inconnues. Afin d'examiner le contrôle physique et biologique des flux verticaux de POC dans l'océan Arctique, des pièges séquentiels à particules ont été mouillés dans la région du plateau canadien de la mer de Beaufort. Une . première étude sur le talus continental a révélé le fonctionnement horizontal partiel des flux de POC dans les mers englacées, puisqu'environ la moitié du flux vertical récolté à cet endroit a été relié à l'advection latérale de particules par la convection thermohaliQe. Ainsi, advenant un accroissement de la quantité de matériel organique ·produite dans un océan Arctique à couvert de glace estival absent, la séquestration de POC serait augmentée à cause de la formation d'un plus grand volume de glace saisonnière. L'investigation subséquente du cycle annuel d'export de POC sur le plateau a permis d'élaborer un modèle conceptuel de cet écosystème qui varie selon l'importance relative des apports de POC labile ou réfractaire. Ce modèle suggère que si les changements climatiques induisent une augmentation des apports terrigènes et de détritus sur les plateaux arctiques, le développement d'un écosystème basé sur le recyclage du POC serait favorisé. Finalement, l'examen de la variabilité interannuelle des flux de POC en marge du plateau ~ révélé que les flux verticaux les plus élevés étaient détectés en concomitance avec un retrait tardif des glaces, une forte floraison pulsée et un mismatch apparent avec les consommateurs pélagiques. Ce résultat supporte qu'une débâcle précoce et une plus longue saison de production primaire dans les mers arctiques profiterait davantage au transfert trophique de POC qu'à son export vertical. La conclusion générale de la thèse illustre la complexité de prédire la nature et la magnitude des flux verticaux de POC dans un océan Arctique affecté par de multiples changements environnementaux. Le maintien à long terme d'observatoires marins (ex. lignes de mouillage) est donc essentiel à une meilleure synthèse des liens qui unissent le climat et le cycle du carbone organique dans les hautes latitudes nordiques.

Les échanges de carbone sous forme de CO2 entre l’atmosphère et un parterre de coupe forestière situé en forêt boréale québécoise, le site HBS00 du réseau de recherche Fluxnet-Canada, ont été étudiés à l’aide de la technique de covariance de turbulences pendant une durée d’un an avant l’application d’un traitement de scarifiage et un an après le traitement. Les émissions de carbone ont augmenté suite au scarifiage, passant de 111 à 175 g m-2 an-1, en raison de la destruction d’une partie de la végétation vivante présente sur le site. Le taux de respiration de l’écosystème a peu varié. Les échanges de carbone étaient aussi influencés par les conditions environnementales. Une analyse des résidus des courbes de réponse à la lumière a démontré qu’avant le scarifiage le contenu en eau du sol était, après la lumière, le facteur ayant le plus d’influence sur les flux de carbone. Suite au scarifiage, le déficit de pression de vapeur était le deuxième plus important facteur. / CO2 fluxes between the atmosphere and a recently-harvested site located in Québec’s boreal forest, Fluxnet-Canada Research Network’s HBS00 site, were studied using the eddy covariance technique for one year before application of a scarification treatment and one year after treatment. Carbon emissions were greater after scarification, rising from 111 to 175 g m-2 year-1, because of the destruction of part of the living aboveground vegetation on the site. Ecosystem respiration rates showed little variation between years. Carbon fluxes were also influenced by environmental conditions. Analysis of the residuals of the light response curves indicated that before scarification soil water content was, after light, the factor having the most influence on carbon fluxes. Following scarification, water vapor pressure deficit was the second most important factor.

L’aménagement forestier perturbe le cycle du carbone des écosystèmes de la forêt boréale. Les deux principales composantes de ce cycle, soit la photosynthèse et la respiration, déterminent l’état de puits ou de source de carbone d’un écosystème. Cet état varie en fonction des conditions édapho-climatiques mais est principalement influencé par le stade de développement d’un écosystème. En Amérique du Nord, l’aménagement forestier influe sur la superficie relative de parterres de coupe, de peuplements juvéniles et de peuplements matures. La quantification de la perturbation du cycle du carbone des écosystèmes forestiers boréaux induite par l’aménagement forestier est nécessaire à l’estimation du bilan en carbone de la forêt boréale et à l’établissement de prédictions concernant les variations de ce bilan en carbone dans un contexte de changement climatique. C’est pourquoi les flux de dioxyde de carbone (CO2) d’une chronoséquence de récolte d’écosystèmes d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) de la forêt boréale de l’Est de l’Amérique du Nord ont été mesurés sur une période d’un an à l’aide de la technique par covariance de turbulences à l’échelle de l’écosystème et l’efflux de CO2 des sols a été mesuré à l’aide d’un analyseur de gaz à infrarouges portable. L’objectif de l’étude était de quantifier les composantes du bilan annuel en carbone des sites afin d’identifier les processus physiologiques majeurs contribuant au passage d’une source à un puits de carbone suivant la récolte. Sur une base annuelle, le site pré-récolte (105 ans) était un faible puits de carbone (6 ± 4 g C m-2 an-1), le site récemment récolté (8 ans) était une source (-87 ± 3 g C m-2 an-1) et le site juvénile (33 ans) était un puits moyen à fort (143 ± 35 g C m-2 an-1). La production primaire brute (GEP) annuelle au site pré-récolte était seulement 28% plus élevée qu’au site récemment récolté (646 ± 6 contre 504 ± 5 g C m-2 an-1). La GEP annuelle au site juvénile (1107 ± 32 g C m-2 an-1) était 71% plus élevée que la GEP annuelle au site pré-récolte, ce qui suggère une limitation physiologique de la photosynthèse au site pré-récolte. La respiration de l’écosystème (Re) annuelle a suivi la même tendance mais les différences entre sites étaient moindres (640 ± 8 à 591 ± 6 à 964 ± 50 g C m-2 an-1). Le facteur de sensibilité aux variations de la température du sol de la respiration du sol (Q10) et le taux moyen de respiration du sol de base (R10) pour la période sans neige étaient différents entre les sites et étaient les plus bas au site récemment récolté. Le Q10 et le R10 de la respiration du sol (Rs) semblaient reliés à la GEP annuelle. La Rs annuelle a diminué suivant la récolte et a augmenté avec le temps depuis la récolte (593 à 500 à 644 g C m-2 an-1). Le rapport annuel de la Rs à la Re était plus bas au site post-récolte qu’aux deux autres sites (67% contre 93% et 85%). Ces résultats caractérisent l’évolution des processus physiologiques majeurs influençant le cycle du carbone des écosystèmes boréaux d’épinette noire suite à la récolte et devraient être utiles à l’incorporation des effets de l’âge des écosystèmes dans les modèles régionaux et globaux. / Forest harvest and subsequent stand development can have major effects on the carbon cycle of boreal stands. Carbon dioxide (CO2) fluxes of a three-point black spruce harvest chronosequence located in the boreal forest of eastern North America were measured over a one-year period at the ecosystem scale with the eddy covariance technique and CO2 efflux from soils was measured with a portable infrared gas analyzer. The three sites (pre-harvest, recently-harvested, and juvenile) were 105-, 8- and 33-years old, respectively. On an annual basis, the pre-harvest site (EOBS) was a weak carbon sink (6 ± 4 g C m-2 yr-1), the recently-harvested site (HBS00) a source (-87 ± 3 g C m-2 yr-1) and the juvenile site a moderate to strong sink (143 ± 35 g C m-2 yr-1). Annual gross ecosystem production (GEP) at the pre-harvest site was only 28% greater than at the recently-harvested site (646 ± 6 versus 504 ± 5 g C m-2 yr-1) while GEP at the juvenile site (1107 ± 32 g C m-2 yr-1) was 71% greater than at the pre-harvest site, suggesting significant physiological constraints to photosynthesis at the pre-harvest site. Annual ecosystem respiration (Re) followed the same pattern, but intersite differences were somewhat less (640 ± 8 to 591 ± 6 to 964 ± 50 g C m-2 yr-1). Annual soil respiration (Rs) decreased following harvest from 593 to 500 g C m-2 yr-1 and increased with further stand development to 644 g C m-2 yr-1, although the changes were less than for GEP and Re. Q10 and R10 of Rs for the snow-free period varied between sites, were lowest for the recently-harvested site and appeared to be related to GEP via substrate supply. The annual ratio of Rs to Re was lower for the juvenile site (67%) than for the pre-harvest and recently-harvested sites (93 and 85%, respectively). These results quantify how some of the major physiological processes that influence the carbon cycle of boreal black spruce stands evolve following harvest and should be useful for better incorporating stand-age effects into regional and global scale models. Keywords: boreal forest; CO2 fluxes; harvest; chronosequence; disturbance; soil respiration; eddy covariance

Les émissions anthropogéniques de dioxyde de carbone ont changé le climat de la Terre. Les forêts boréales contiennent de vastes quantités de carbone (C) et peuvent donc jouer un rôle crucial dans le cycle du C global. Les pessières noires dominent la forêt boréale nord-américaine, il est donc nécessaire de comprendre leurs réponses à la variabilité du climat et aux perturbations écologiques telle la récolte forestière afin d’identifier les facteurs influençant les échanges de C entre la biosphère terrestre et l’atmosphère. Le premier chapitre de recherche (Chap. 3) présente une comparaison des échanges de C de trois pessières noires matures de différentes régions du Canada. Cette étude a montré que le sol plus chaud sous un couvert de neige plus épais en hiver et de faibles niveaux de lumière en juin au site de l’est du Canada, des conditions communes dans cette région, ont réduit la séquestration de C relativement aux sites du Canada central. Une paramétrisation générale à une échelle de temps mensuelle a suffit à caractériser la réponse des pessières noires matures aux conditions environnementales. Dans le deuxième chapitre de recherche (Chap. 4), le bilan de C et la réponse des échanges de C aux conditions environnementales de pessières noires mature et récemment récolté de l’est du Canada ont été quantifiés. Le bilan de C de ces pessières noires était davantage affecté par leur stade de développement que les variations interannuelles du climat. La réponse des échanges de C aux facteurs environnementaux a montré une plus forte variabilité entre et à l’intérieur des années au site récolté due à la structure dynamique de la végétation. Le troisième chapitre de recherche (Chap. 5) concerne les échanges de C du parterre forestier d’une pessière noire mature de l’est du Canada mesurés sur différents microsites. La respiration du sol et la photosynthèse du parterre forestier ont respectivement contribuées à 76-88% et 16-17% de la respiration et de la photosynthèse totales de l’écosystème. Les différences observées de réponse de la respiration du sol aux facteurs environnementaux suggèrent que le type de microsite peut refléter la variabilité spatiale de la respiration du sol. Ces trois études procurent de l’information utile pour paramétrer et modéliser la réponse de la forêt boréale aux variations du climat et aux perturbations écologiques. / Carbon dioxide emissions from human activities are changing the Earth’s climate. The boreal forest contains enormous carbon (C) stocks and hence it plays a critical role in the global C cycle. Black spruce ecosystems are the dominant cover type in the North American boreal forest, thus it is necessary to understand their response to both climate variability and to ecological disturbances such as forest harvest so as to identify the factors influencing C exchange between the biosphere and the atmosphere. The first research chapter (Chap. 3) of this thesis presents a comparison of C exchange for three old black spruce ecosystems located in different regions of Canada. This study showed that warmer soil under deeper snowpack in winter and low light levels in June at the eastern Canada site, which are common conditions in that region, reduced C sequestration relative to that of similar ecosystems in central Canada. Furthermore, a general parameterization at a monthly time resolution was sufficient for characterizing the physiological response of all three black spruce ecosystems to environmental conditions. In the second research chapter (Chap. 4), the C balance and the response of C exchange to environmental conditions of a mature and a recently harvested black spruce site in eastern Canada were quantified. The C balance of these black spruce ecosystems was more affected by their respective developmental stage than by inter-annual climate variability. The response of C exchange to environmental factors showed a greater between- and within-year variability at the harvested site due to the dynamic structure of the vegetation. The third research chapter (Chap. 5) examined forest floor C exchange for a mature black spruce site in eastern Canada measured on different microsites. Soil respiration and forest floor photosynthesis accounted for 76-88% and 16-17% of total ecosystem respiration photosynthesis, respectively. The observed differences of the response of soil respiration to environmental factors suggest that microsite can reflect the spatial variability of soil respiration. All three of these studies provide valuable information for parameterizing and modeling the response of boreal forests to climate variability and to ecological disturbance.

<p align="justify">The Southern Ocean (ca. 20% of the world ocean surface) is a key place for the regulation of Earth climate thanks to its capacity to absorb atmospheric carbon dioxide (CO2) by physico-chemical and biological mechanisms. The biological carbon pump is a major pathway of absorption of CO2 through which the CO2 incorporated into autotrophic microorganisms in surface waters is transferred to deep waters. This process is influenced by the extent of the primary production and by the intensity of the remineralization of organic matter along the water column. So, the annual cycle of sea ice, through its in situ production and remineralization processes but also, through the release of microorganisms, organic and inorganic nutrients (in particular iron)into the ocean has an impact on the carbon cycle of the Southern Ocean, notably by promoting the initiation of phytoplanktonic blooms at time of ice melting.</p><p><p align="justify">The present work focussed on the distribution of organic matter (OM) and its interactions with the microbial network (algae, bacteria and protozoa) in sea ice and ocean, with a special attention to the factors which regulate the biological carbon pump of the Southern Ocean. This thesis gathers data collected from a) late winter to summer in the Western Pacific sector, Western Weddell Sea and Bellingshausen Sea during three sea ice cruises ARISE, ISPOL-drifting station and SIMBA-drifting station and b) summer in the Sub-Antarctic and Polar Front Zone during the oceanographic cruise SAZ-Sense.</p><p><p align="justify">The sea ice covers were typical of first-year pack ice with thickness ranging between 0.3 and 1.2 m, and composed of granular and columnar ice. Sea ice temperature ranging between -8.9°C and -0.4°C, brines volume ranging between 2.9 to 28.2% and brines salinity from 10 to >100 were observed. These extreme physicochemical factors experienced by the microorganisms trapped into the semi-solid sea ice matrix therefore constitute an extreme change as compared to the open ocean. Sea ice algae were mainly composed of diatoms but autotrophic flagellates (such as dinoflagellates or Phaeocystis sp.) were also typically found in surface ice layers. Maximal algal biomass was usually observed in the bottom ice layers except during SIMBA where the maxima was localised in the top ice layers likely because of the snow and ice thickness which limit the light available in the ice cover. During early spring, the algal growth was controlled by the space availability (i.e. brine volume) while in spring/summer (ISPOL, SIMBA) the major nutrients availability inside sea ice may have controlled algal growth. At all seasons, high concentrations of dissolved and particulate organic matter were measured in sea ice as compared to the water column. Dissolved monomers (saccharides and amino acids) were accumulated in sea ice, in particular in winter. During spring and summer, polysaccharides constitute the main fraction of the dissolved saccharides pool. High concentrations of transparent exopolymeric particles (TEP), mainly constituted with saccharides, were present and their gel properties greatly influence the internal habitat of sea ice, by retaining the nutrients and by preventing the protozoa grazing pressure, inducing therefore an algal accumulation. The composition as well as the vertical distribution of OM in sea ice was linked to sea ice algae.</p><p><p align="justify">Besides, the distribution of microorganisms and organic compounds in the sea ice was also greatly influenced by the thermodynamics of the sea ice cover, as evidenced during a melting period for ISPOL and during a floodfreeze cycle for SIMBA. The bacteria distribution in the sea ice was not correlated with those of algae and organic matter. Indeed, the utilization of the accumulated organic matter by bacteria seemed to be limited by an external factor such as temperature, salinity or toxins rather than by the nature of the organic substrates, which are partly composed of labile monomeric saccharides. Thus the disconnection of the microbial loop leading to the OM accumulation was highlighted in sea ice.</p><p><p align="justify">In addition the biofilm formed by TEP was also involved in the retention of cells and other compounds(DOM, POM, and inorganic nutrients such as phosphate and iron) to the brine channels walls and thus in the timing of release of ice constituents when ice melts. The sequence of release in marginal ice zone, as studied in a microcosm experiments realized in controlled and trace-metal clean conditions, was likely favourable to the development of blooms in the marginal ice zone. Moreover microorganisms derived from sea ice (mainly <10 µm) seems able to thrive and grow in the water column as also the supply of organic nutrients and Fe seems to benefit to the pelagic microbial community.</p><p><p align="justify">Finally, the influence of the remineralization of organic matter by heterotrophic bacterioplankton on carbon export and biological carbon pump efficiency was investigated in the epipelagic (0-100 m) and mesopelagic(100-700 m) zones during the summer in the sub-Antarctic and Polar Front zones (SAZ and PFZ) of the Australian sector (Southern Ocean). Opposite to sea ice, bacterial biomass and activities followed Chl a and organic matter distributions. Bacterial abundance, biomass and activities drastically decreased below depths of 100-200 m. Nevertheless, depth-integrated rates through the thickness of the different water masses showed that the mesopelagic contribution of bacteria represents a non-negligible fraction, in particular in a diatom-dominated system./</p><p><br><p><p align="justify">L’océan Antarctique (± 20% de la surface totale des océans) est un endroit essentiel pour la régulation du climat de notre planète grâce à sa capacité d’absorber le dioxyde de carbone (CO2) atmosphérique par des mécanismes physico-chimique et biologique. La pompe biologique à carbone est un processus majeur de fixation de CO2 par les organismes autotrophes à la surface de l’océan et de transfert de carbone organique vers le fond de l’océan. Ce processus est influencé par l’importance de la production primaire ainsi que par l’intensité de la reminéralisation de la matière organique dans la colonne d’eau. Ainsi, le cycle annuel de la glace via sa production/reminéralisation in situ mais aussi via l’ensemencement de l’océan avec des microorganismes et des nutriments organiques et inorganiques (en particulier le fer) a un impact sur le cycle du carbone dans l’Océan Antarctique, notamment en favorisant l’initiation d’efflorescences phytoplanctoniques dans la zone marginale de glace.</p><p><p align="justify">Plus précisément, nous avons étudié les interactions entre le réseau microbien (algues, bactéries et protozoaires) et la matière organique dans le but d’évaluer leurs impacts potentiels sur la pompe biologique de carbone dans l’Océan Austral. Deux écosystèmes différents ont été étudiés :la glace de mer et le milieu océanique grâce à des échantillons prélevés lors des campagnes de glace ARISE, ISPOL et SIMBA et lors de la campagne océanographique SAZ-Sense, couvrant une période allant de la fin de l’hiver à l’été.</p><p><p align="justify">La glace de mer est un environnement très particulier dans lequel les microorganismes planctoniques se trouvent piégés lors de la formation de la banquise et dans lesquels ils subissent des conditions extrêmes de température et de salinité, notamment. Les banquises en océan ouvert étudiées (0,3 à 1,2 m d’épaisseur, températures de -8.9°C à -0.4°C, volumes relatifs de saumure de 2.9 à 28.2% et salinités de saumures entre 10 et jusque >100) étaient composées de glace columnaire et granulaire. Les algues de glace étaient principalement des diatomées mais des flagellés autotrophes (tels que des dinoflagellés ou Phaeocystis sp.) ont été typiquement observés dans les couches de glace de surface. Les biomasses algales maximales se trouvaient généralement dans la couche de glace de fond sauf à SIMBA où les maxima se trouvaient en surface, probablement en raison de l’épaisseur des couches de neige et de glace, limitant la lumière disponible dans la colonne de glace. Au début du printemps, la croissance algale était contrôlée par l’espace disponible (càd le volume des saumures) tandis qu’au printemps/été, la disponibilité en nutriments majeurs a pu la contrôler. A toutes les saisons, des concentrations élevées en matière organique (MO) dissoute et particulaire on été mesurées dans la glace de mer par rapport à l’océan. Des monomères dissous (sucres et acides aminés) étaient accumulés dans la glace, surtout en hiver. Au printemps et été, les polysaccharides dissous dominaient le réservoir de sucres. La MO était présente sous forme de TEP qui par leurs propriétés de gel modifie l’habitat interne de la glace. Ce biofilm retient les nutriments et gêne le mouvement des microorganismes. La composition et la distribution de la MO dans la glace étaient en partie reliées aux algues de glace. De plus, la thermodynamique de la couverture de glace peut contrôler la distribution des microorganismes et de la MO, comme observé lors de la fonte de la glace à ISPOL et lors du refroidissement de la banquise à SIMBA. La distribution des bactéries n’est pas corrélée avec celle des algues et de la MO dans la glace. En effet, la consommation de la MO par les bactéries semble être limitée non pas par la nature chimique des substrats mais par un facteur extérieur affectant le métabolisme bactérien tel que la température, la salinité ou une toxine. Le dysfonctionnement de la boucle microbienne menant à l’accumulation de la MO dans la glace a donc été mis en évidence dans nos échantillons.</p><p><p align="justify">De plus, le biofilm formé par les TEP est aussi impliquée dans l’attachement des cellules et autres composés aux parois des canaux de saumure et donc dans la séquence de largage lors de la fonte. Cette séquence semble propice au développement d’efflorescences phytoplanctoniques dans la zone marginale de glace. Les microorganismes originaires de la glace (surtout ceux de taille < 10 μm) semblent capables de croître dans la colonne d’eau et l’apport en nutriments organiques et inorganiques apparaît favorable à la croissance des microorganismes pélagiques.</p><p><p align="justify">Enfin, l’influence des activités hétérotrophes sur l’export de carbone et l’efficacité de la pompe biologique à carbone a été évaluée dans la couche de surface (0-100 m) et mésopélagique (100-700 m) de l’océan. Au contraire de la glace, les biomasses et activités bactériennes suivaient les distributions de la chlorophyll a et de la MO. Elles diminuent fortement en dessous de 100-200 m, néanmoins les valeurs intégrées sur la hauteur de la colonne d’eau indiquent que la reminéralisation de la MO par les bactéries dans la zone mésopélagique est loin d’être négligeable, spécialement dans une région dominée par les diatomées.</p> / Doctorat en Sciences agronomiques et ingénierie biologique / info:eu-repo/semantics/nonPublished