Approximately 55 million years ago, an unprecedented amount of light carbon was abruptly released into the ocean and atmosphere. This event, known as the Paleocene-Eocene thermal maximum (PETM), is documented by large negative carbon isotope excursions in marine and soil carbonates and by global environmental changes. Models have been applied to constrain the amount of carbon released during the PETM. In this study, the Walker-Kasting carbon cycle box model is revisited and, after correcting its carbon isotope equations, it is used to resolve a discrepancy in previous emission estimates. In addition, the atmospheric methane box model of Schmidt-Shindell is coupled to the Walker-Kasting model to explore the role of methane during the PETM. This coupled model is then combined with results from other modeling studies to demonstrate that the PETM may have been caused by the rel ease of approximately 3500 Pg C of thermogenic methane into the Atlantic Ocean. / Il y a environ 55 millions d'années, une quantité sans précédent de carbone a été brusquement libérée dans l'océan et l'atmosphère. Cet événement, désigné de maximum thermique Paléocène-Eocène (PETM), est identifiable par de remarquables excursions négatives de del13C en carbonate marin et sol, et par des bouleversements environnementaux d'échelle globale. Plusieurs modèles ont été utilisés afin d'estimer la quantité de carbone émise durant le PETM. Cette étude reprend le modèle du cycle du carbone de Walker-Kasting, révise ses équations du del13C et l'utilise pour résoudre un désaccord entre des estimés antérieures de l'émission totale. Le modèle du méthane atmosphérique de Schmidt-Shindell est également couplé à celui de Walker-Kasting dans le but d'examiner l'importance du méthane durant le PETM. Finalement, ce modèle couplé, en combinaison avec les résultats d'autres modèles, est implémenté pour démontrer que le PETM aurait pu être engendré par l'émission de 3500 Pg C de méthane thermogénétique à l'océan Atlantique.

Development of hydroelectricity in recent years has stirred an international debate in relation to greenhouse gas (GHG) emissions caused by flooding, which results from the creation of hydroelectric reservoirs. The debate focuses on whether hydroelectric reservoirs are negligible global GHG sources, particularly with regards to carbon dioxide (CO₂) and methane (CH₄). Most carbon (C) exchange studies applied to hydroelectric reservoirs have been based on irregular or sporadic field measurements and, therefore, hardly address the transient nature of reservoir C flux and the heterogeneity in flux that occurs across different types of ecosystems inundated with water. In this context, ecosystem modeling and laboratory experiments can improve our understanding of C exchange that takes place in flooded terrestrial ecosystems as a consequence of hydroelectric development. The aim of this research was to examine C exchange variation in boreal forest and peatland ecosystems prior to and after flooding as well as to project boreal ecosystem C exchange for the duration of the inundation period. The primary study area was the Eastmain-1 reservoir located in northern Quebec where impoundment was completed in 2006. For this research, a reservoir C model (FF-DNDC) was developed by modifying Forest-DNDC, a process-based biogeochemical model utilized for forest and wetland ecosystems. FF-DNDC was designed to replicate C processes that take place in submerged soil and the water column. It is used to simulate CO₂ flux in flooded boreal forest and peatland ecosystems. The reliability of the Forest-DNDC simulation in relation to CO₂ flux in black spruce forest and peatland ecosystems was tested before modifications to the software took place. This test showed that Forest-DNDC reasonably simulated CO₂ flux and, as a result, supported the application of the model to simulate C dynamic changes after flooding occurs. Short-term incubation experiments using boreal soil and vegetation samples revealed that flooding decreased rates of CO₂ production but increased rates of dissolved C production. The experiments quantified changes that occurred in C mineralization rates prior to and after flooding, which determined soil decomposition parameters under flooded conditions that were then applied to FF-DNDC. The Eastmain-1 reservoir flooded ecosystem simulations detected CO2 emissions from the water surface, and, hence, the direction in CO₂ flux changed (from uptake to release) in comparison to flux that occurred in natural forest and peatland ecosystems. Simulated CO₂ flux for both the flooded forest and peatland ecosystems decreased with the duration of inundation, and the forest ecosystem showed larger CO₂ flux than the peatland ecosystem in the first decade after flooding was initiated. The trend of larger flux in the forest ecosystem was reversed after the first decade. Modeling and experimental results from this study emphasize the importance of spatial and temporal variation of C exchange in newly flooded boreal landscapes. / La production d'hydroelectricite est devenue le sujet d'un debat international ces dernieres annees en raison de l'emission des gaz a effet de serre (GES) qui resulte de l'inondation de la zone en amont d'un barrage hydroelectrique lors de la creation du reservoir. Le debat vise a determiner si les reservoirs des barrages hydroelectriques sont des sources negligeables de GES, plus particulierement en relation avec le dioxyde de carbone (CO₂) et le methane (CH₄). La plupart des etudes sur les echanges carboniques dans les reservoirs hydroelectriques furent basees sur des mesures irregulieres ou sporadiques prises sur terrain, et consequemment elles n'examinent pas en profondeur les tendances transitoires des flux de carbone (C) des reservoirs, ni l'heterogeneite des flux a travers les differents types d'ecosystemes inondes. Ceci etant dit, la modelisation des ecosystemes ainsi que les experimentations de laboratoire pourront ameliorer notre comprehension quant a l'inondation des echanges carboniques des ecosystemes terrestres qui surviennent suite au developpement hydroelectrique. Ma recherche vise a examiner l'alteration des echanges carboniques dans les forets boreales et les tourbieres avant et apres leur inondation, ainsi qu'a prevoir les echanges carboniques des ecosystemes boreals pendant la duree de l'inondation. La region sous etude fut le reservoir Eastmain-1 au nord du Quebec, dont la creation du reservoir fut terminee en 2006. Pour cette recherche, j'ai cree un modele sur le C des reservoirs (FF-DNDC) en modifiant Forest-DNDC, un modele de processus biogeochimique destine aux forets et les milieux humides. FF-DNDC a ete concu pour simuler les processus carboniques dans les sols inondes ainsi que dans la colonne d'eau, et a ete utilise pour predire les flux de CO₂ dans les forets boreales inondees et les tourbieres. Avant la modification du logiciel, j'ai teste la fiabilite avec laquelle Forest-DNDC pourra simuler les flux de CO₂ dans les forets d'epinette noire et les tourbieres. Ce test a demontre que Forest-DNDC peut simuler les flux de CO₂ avec une grande precision, et peut donc etre utilise pour evaluer les dynamiques de C suivant leur inondation. Des experiences d'incubation a court terme utilisant des sols boreals et de la vegetation ont revele que l'inondation diminue les taux de production de CO₂, tout en augmentant les taux de production de C dissous. Les experiences ont quantifie les changements dans les taux de mineralisation du C avant et apres l'inondation, afin de determiner les parametres de decomposition des sols dans les conditions inondees; ces parametres furent ensuite utilises dans FF-DNDC. Les simulations des ecosystemes inondes dans le reservoir Eastmain-1 ont indique qu'il y avait une emission de CO₂ des surfaces d'eau, et donc que la direction des flux de CO₂ a change (allant d'une absorption a une emission par l'ecosysteme) compare aux flux chez les forets et les tourbieres naturelles. Les flux de CO₂ simules dans la foret inondee et la tourbiere diminuaient pendant la duree de l'inondation, et la foret avait des flux de CO₂ superieurs a ceux de la tourbiere pendant la premiere decennie de l'inondation. Par la suite, ce contraste s'est inverse. Les resultats de mes modelisations et experiences mettent en evidence l'importance des variations spatiales et temporelles des echanges carboniques dans les paysages boreals nouvellement inondes.

Abstract- Lake Matano of Indonesia, the 8th deepest lake on Earth, is an Fe-rich (ferruginous) end-member aquatic ecosystem and is the best known modern analogue for the ecology of Earth's earliest oceans. A culmination of geological, climatic and biological processes has resulted in an Fe-centric aquatic ecosystem in which anaerobic microbial communities are largely sustained by cycling Fe and CH4. Fe-rich soils of the catchment basin supply an abundance of Fe (hydr)oxides to Lake Matano's sediments. Limited vertical mixing in Lake Matano has generated a persistent, 100 m deep pycnocline which is sustained by minimal seasonal temperature fluctuations and steep basin morphology. This pycnocline separates an oxic surface layer from Fe(II) and CH4-rich bottom waters. Ferruginous conditions in Lake Matano limit dissolved P concentrations in the oxic surface layer where they are apt to restrict primary production. Chlorobiaceae, which populate the deep ferruginous chemocline comprise an important component of Lake Matano's phototrophic community. Given the absence of sulfide, the metabolisms of these novel, deep-water, anoxygenic phototrophs are likely driven by Fe(II) oxidation. Methanogenesis dominates organic matter degradation despite Lake Matano's thermodynamic propensity for Fe reduction. Biogenic methane accumulates in the anoxic bottom water and supports the activity of aerobic and anaerobic methanotrophs. Cr concentrations in Lake Matano are relatively high and reflect the geology of the catchment basin. Removal of Cr from the surface waters is driven by the reduction of Cr(VI) by Fe(II) supplied from the anoxic bottom water. The ensuing downward Cr flux maintains dissolved Cr(VI) concentrations in the surface waters below international guidelines. Lake Matano's physical structure, abundance of Fe and dearth of sulfate mirror the stratified ferruginous conditions thought to prevail in Earth's early oceans. The finding that anoxygenic phototrophs prolifer / Résumé- Le lac Matano en Indonésie, le 8ème lac le plus profond sur terre, est un écosystème aquatique extrèmement riche en Fe (ferrugineux) et est le meiller analogue moderne de l'écologie des océans primitifs terrestres. La combinaison de processus géologiques, climatiques et biologiques a résulté en un écosytème aquatique centré sur le Fe dans lequel les communautés microbiennes anaérobiques se développent largement autour des cycles du Fe et du CH4. Les sols riches en Fe du bassin de drainage fournissent en abondance des (hydro)xides de Fe aux sédiments du lac Matano. Un mélange vertical limité dans le lac Matano a généré une pycnocline persistante à 100 m de profondeur qui est maintenue par des fluctuations de température saisonnières minimales et une morphologie de bassin pentue. Cette pycnocline sépare une couche oxique de surface des eaux de fond riches en Fe(II) et CH4. Les conditions ferrugineuses du lac Matano limitent les concentrations en P dissous dans la couche oxique de surface où elles peuvent restreindre la production primaire. Les Chlorobiacées, qui peuplent la profonde et ferrugineuse chimiocline, sont une importante composante de la communauté phototrophe du lac Matano. Étant donnée l'absence de sulfures, la métabolisme de ces nouveaux phototrophes anoxygéniques d'eaux profondes sont vraisemblablement contrôlés par l'oxidation de Fe(II). La méthanogénèse domine la dégradation de la matière organique malgré la propension thermodynamique du lac Matano pour la réduction du Fe. Le méthane biogénique s'accumule dans les eaux de fond anoxiques et supporte l'activité de méthanotrophes aérobiques et anaérobiques. Les concentrations en Cr dans le lac Matano sont relativement élevées et réflètent la géologie du bassin de drainage. La perte de Cr des eaux de surface se fait par la réduction du Cr(VI) par le Fe(II), apporté par l'eau de fond anoxique. Le flux descendant de Cr qui s'ensuit maintient

Dissimilatory sulfate reduction plays a significant role in shaping the sulfur isotope composition of sedimentary sulfides. These, in turn, record the evolution of Earth's surface redox state. The fractionation produced by this microbial metabolism is controlled by the flux of sulfur through the respiratory reaction network and the isotopic effect associated with each component reaction. Although the net isotope fractionations of this metabolism have been well studied, unraveling the isotopic influence of each component of its pathway is still a challenge. The sulfite to sulfide reduction step is a particularly complicated one. Its biochemistry is not fully understood and the associated isotope effect is inferred from fractionations associated with the entire metabolic pathway or from in-vitro experiments with cell-free extracts. Here, two experiments, a batch and a continuous culture experiment, were run using a mutant strain of the sulfate-reducing bacterium Desulfovibrio vulgaris Hildenborough. This deletion mutant is missing its QmoABC protein complex, a principal catalyst in the reduction of adenosine phosphosulfate (APS) to sulfite. As APS is an intermediate metabolite between sulfate and sulfite in the respiration pathway, this strain is incapable of using sulfate as a terminal electron acceptor. By hindering APS reduction, this mutation also eliminates sulfite disproportionation. As a consequence, analysis of the growth and biochemistry of this bacterium provides a unique insight into the sulfite reduction step. In all experiments, sulfite consumption was concomitant with sulfide and thiosulfate production. However, thiosulfate production in the continuous culture experiment was more than one order of magnitude smaller than in the batch experiment. Thiosulfate can form inorganically from the reaction of aqueous sulfite and sulfide. It appears that the design of the batch experiment rendered the establishment of a definite reaction network challenging. Although it was not excluded that thiosulfate could be produced as a biochemical intermediate of sulfite reduction, the thiosulfate pool that accumulated in both the batch and the chemostat experiments was found to be mostly of inorganic origin. Because of this, a net fractionation factor could not be extracted from the batch experiment. The chemostat experiment appeared to be better defined isotopically, and thus a net fractionation between sulfite and sulfide of -15.88 ‰, at 10% maximum bacterial growth rate, was found. The implications of such a large extent of inorganic thiosulfate production environmental settings and laboratory experiments, both in vivo and in vitro, are discussed. / La réduction dissimilatoire du sulfate joue un rôle important dans le façonnage de la composition isotopique des sulfides sédimentaires. Ce signal isotopique, à son tour, représente un archive important de l'évolution de l'oxygène atmosphérique. Le fractionnement produit par ce métabolisme microbien est contrôlé par le flux de soufre à travers du réseau de réactions et l'effet isotopique associé à chaque réaction. Bien que le fractionnement isotopique général de ce métabolisme ait été bien étudié, il est important de comprendre l'influence de chaque composante du réseau. La dernière étape, la reduction du sulfite en sulfide, n'est pas encore entièrement comprite. Les réactions qui la définent ne sont pas cernées et l'effet isotopique associé est, jusqu'à date, déduit de fractionnements associés à la voie métabolique dans son ensemble. Ici, deux expériences, la première dans un système fermé, la deuxième dans un système ouvert, ont été effectuées en utilisant une souche mutante de Desulfovibrio vulgaris Hildenborough. Cette bactérie ne possède pas son complexe QmoABC, un catalyseur principal de la réduction du phosphosulfate d'adénosine (APS) au sulfite. Par conséquent, cette souche est incapable d'utiliser le sulfate en tant qu'accepteur d'électrons. En entravant la reduction de l'APS, cette mutation élimine également la dismutation du sulfite. En conséquence, l'analyse de la croissance et de la biochimie de cette bactérie fourni un aperçu unique sur cette étape. Dans les deux expériences, la consommation du sulfite et la production du sulfide et du thiosulfate eurent lieu simultanément. Cependant, l'occurrence simultanée de réactions biologiques et non-biologiques, ces dernières formant de vastes quantités de thiosulfate à partir du sulfite et du sulfide, a rendu la mise en place d'un réseau de réaction précis difficile. Bien qu'il n'est pas exclu que le thiosulfate pourrait être produit en tant qu'intermédiaire de la réduction du sulfite, le thiosulfate accumulé dans les deux expériences a été jugé d'origine essentiellement non-biologique. Pour cette raison, un facteur de fractionnement n'a pas pu être calculé. L'expérience de culture continue est mieux définie isotopiquement et donc un fractionnement net entre le sulfite et le sulfide de -15.88 par millions, à 10% la croissance maximale des bactéries, a été estimé. Les consequences de la production non-biologique de thiosulfate dans des environments naturels et durant des expériences de laboratoire, in vivo et in vitro, sont discutées.

Denitrification is responsible for gaseous nitrogen (N) loss from in riparian buffers. Earthworms affect denitrification in controlled laboratory and field studies; however, the small-scale effects of earthworm on denitrification need to be extrapolated to the field scale. The general objective of this thesis was to determine how earthworm-denitrifying bacteria interactions could affect N dynamics at a physiological level (within the earthworm body), the individual level (earthworm drilosphere), then finally determine whether these small-scale effects could be detected at the field scale (in riparian buffers). In a microcosm study (physiological level), earthworms were fed with organic substrates with different C:N ratio, but earthworm maintained a constant C:N ratio of 3.37 to 5.25 in their muscular tissue, regardless of the food N content. Adult Lumbricus terrestris had a significantly greater denitrification rate with the N-rich soybean mixture than with peat moss. These results suggest that adult L. terrestris consuming N-rich organic substrates may contribute to N2O and N2 fluxes from soil. In a mesocosm study (drilosphere level), earthworm presence increased the cumulative N2O emissions by 50% in the dry soil treatment, but earthworms reduced the cumulative N2O emissions by 34% in the wet soil treatment and reduced N2O emissions significantly by 82% in soil with rewetting-drying cycles (WD). Denitrification enzyme activity (DEA) increased significantly when earthworms were present and the abundance of 16S rRNA, nirS, and nosZ genes was affected significantly by the earthworm × soil moisture interaction. These results suggested that the decrease in cumulative N2O emissions from wet soil and the WD treatment by earthworms was due to a general alteration of the denitrifying bacterial community composition. Moreover, the results implied that earthworms would decrease the N2O emissions from saturated soils. At the field scale, earthworm demographics were investigated in temporary flooded riparian region (TR) and non-flooded riparian region (NR) in Quebec, Canada, from spring to autumn, 2012. The TR had more earthworm diversity (9 species) and larger population and biomass than NR. Earthworm population and biomass were largest in spring and autumn but declined in summer. Path analysis indicated that soil moisture, NH4+ and soil C:N ratio, but not earthworm biomass, directly affected the DEA. This observation suggests that earthworm-denitrifier interactions in riparian buffers were the result of soil moisture content and available substrate concentrations. In conclusion, my results indicate that physiological scale effects cannot be extrapolated directly from the lab to the field. Studies at the mesocosm and field scales suggest that the N2O output from riparian soils is the result of the moisture-earthworm-microbial interaction: soil moisture act as a crucial controller on the final product of denitrification (N2O or N2), while earthworms influence the gaseous N losses from natural riparian buffers through both direct effects on denitrifiers and indirect effects on substrates required for the denitrification reaction. / Dans les zones ripariennes (ZR), la dénitrification est la majeure source d'azote (N) perdu sous forme de gaz. Il a été démontré que la présence de vers de terre (VDT) affecte la dénitrification dans le sol à différentes échelles temporelles et spatiales (en conditions contrôlées et au champs). Cependant, il est nécessaire d'étudier l'impact à petite échelle des VDT sur la dénitrification afin de pouvoir l'extrapoler à l'échelle du champs. Cette thèse a pour objectif de déterminer comment les interactions entre les VDT et les bactéries dénitrifiantes affectent les dynamiques de l'N au niveau physiologique et au niveau de la drilosphère pour déterminer ensuite si ces interactions sont détectables sur le terrain. Dans une étude au laboratoire (échelle physiologique), des VDT ont été nourris avec des substrats organiques de rapports C/N variés tout en maintenant un rapport C/N constant de leurs tissus musculaires (3,37 à 5,35). Le taux de dénitrification des L. terrestris adultes était plus élevé avec un mélange à base de soja riche en N plutôt qu'avec la mousse de tourbe (P < 0.05). En revanche, les taux de dénitrification de A. tuberculata étaient plus variables. Ces résultats suggèrent que les VDT produisent des formes gazeuses d'N: les écosystèmes avec une population abondante de L. terrestris sont plus à risque de produire des flux élevés de N2O et de N2 en présence de substrats organiques riches en N. Une autre étude au laboratoire (drilosphère) de 69 jours a démontré que la présence de VDT augmentait de 50% le cumul de N2O émis dans le sol sec mais le diminuaient de 34% dans le sol humide et le réduisaient de 82% en présence de cycles d'assèchement-réhumidification. La dénitrification potentielle (DEA) augmentait en présence de VDT (P < 0.05). L'interaction des traitements VDT × humidité du sol a affecté l'abondance des gènes 16S rRNA, nirS et nosZ (P < 0.05). À la vue de ces résultats, les diminutions des cumuls de N2O émis causées par les VDT, en conditions humides ou lors cycles d'assèchement-réhumidification, sont dues à une stimulation des bactéries consommatrices de N2O et à une modification de la composition des microorganismes dénitrifiants du sol. De plus, la présence de VDT pourrait diminuer les émissions de N2O des sols saturés en eau. À l'échelle du terrain, les données démographiques sur les VDT ont été récoltées du printemps à l'automne 2012, dans des ZR temporairement inondées (TR) et non inondées (NR) du Québec, au Canada. Les zones TR présentaient une plus grande diversité (9 espèces) ainsi qu'une biomasse plus importante de VDT que les zones NR (6 espèces). La population et la biomasse des VDT étaient plus élevées au printemps et à l'automne 2012 mais déclinaient en été 2012. En présence de VDT, la DEA était 1,5 fois plus petite dans les zones TR et 1,2 fois plus petite dans les zones NR. L'analyse causale des données suggère qu'au contraire des VDT, l'humidité, l'ammonium et le rapport C:N du sol influence directement la DEA. Les interactions entre les VDT et les microorganismes dénitrifiants dans les ZR seraient alors la résultante de l'humidité du sol et des concentrations en substrats disponibles. En conclusion, mes résultats indiquent que les effets mesurés au laboratoire, à l'échelle physiologique, ne peuvent pas être extrapolés à l'échelle du champ. Cependant, les travaux de laboratoire à l'échelle de la drilosphère sont plus pertinents pour déterminer l'influence des VDT sur les émissions réelles de N2O. Finalement, la production de N2O des ZR résulte d'interactions multiples entre l'humidité du sol, les populations de VDT et les microorganismes : l'humidité du sol contrôle le produit final de la dénitrification tandis que les VDT diminuent l'activité des microorganismes dénitrifiants en conditions hydriques saturées. Les VDT influencent les pertes gaseuses azotées des ZR en agissant sur les microorganismes dénitrifiants et sur la disponibilités des substrats nécessaires à la dénitrification.

About half of the global wetlands are located between 50-70° N, where climate change is projected to be greater than other regions. More than 95% of northern wetlands are peatlands. The majority of peatlands accumulate soil carbon (C) because, on average, net primary production (NPP) exceeds decomposition. Peatlands store ~ 450 G t soil carbon (1Gt C=1015 g C), a mass equivalent to about 20% of global terrestrial soil C, or half of atmospheric C. The carbon exchange between peatlands and the atmosphere is sensitive to climate variability and change because of the tight coupling with hydrology and ecosystem biogeochemistry. A critical question of this thesis is "Will northern peatlands continue to function as C sink under the projected climate change?" / I use a modelling approach to answer this question. Firstly, a peatland C cycling model, the McGill Wetland Model (MWM), originally developed to simulate the C dynamics of ombrotrophic bogs, was modified, parameterized and evaluated for the simulation of the CO2 biogeochemistry of fens. Three modifications were made: (1) a function describing the impact of soil moisture on the optimal gross primary production (GPP); (2) a scheme to partition the peat profile into oxic and anoxic C compartments based on the effective root depth as a function of daily sedge NPP; and (3) a modified function describing the fen moss water dynamics. Secondly, I have examined the effect of bog microtopography on the simulation of ecosystem-level C cycling and found model processes scale linearly, so "parameter" upscaling can be used in regional scale assessments. Thirdly, I successfully evaluated a coupled Wetland version of Canadian Land Surface Scheme (CLASS3W) and MWM (called CLASS3W-MWM) for bogs and fens. The sensitivity analysis indicates that northern peatlands are thermally and hydrologically conservative and the combination of changes in temperature, precipitation and double CO2 concentration is much different than the sensitivity of peatlands to each environmental variable on their own. / Finally, I used CLASS3W-MWM to do a first-order experiment on how the CO2 exchange in northern peatlands might change under the changing climate. For future climate, I adjusted the site "measured" climate variables by the climate anomalies estimated by the CCCma-GCM3.0 for three time slices (2030, 2060 and 2100) using four different climate scenarios (A1B, A2, B1 and Commit). These simulations showed that bogs and fens have significantly different responses to climate change, particularly that fens are more sensitive to environmental change than bogs. At 2100, the bog remains a C sink for all the climate scenarios assessed because a significant increase in GPP still offset, to a smaller extent, the large increase in total ecosystem respiration (TER). However, by 2100, the fen switches to a C source for two scenarios (A1B and A2), due to a dramatic decrease in GPP and a significant increase in TER resulting from water stress linked to a large drop of water table depth. / Environ la moitié de l'ensemble des tourbières sont situées entre 50-70° N, là où les changements climatique prévus risquent d'être plus important que dans les autres régions. Plus de 95% des milieux humides nordiques sont des tourbières. La majorité des tourbières accumule du carbone (C) puisqu'en moyenne, la production nette primaire (NPP) excède la décomposition. Les tourbières accumulent environ 450 G t de C (1Gt C=1015 g C), une masse équivalente à environ 20% du C terrestre, ou la moitié du C atmosphérique. L'échange de C entre les tourbières et l'atmosphère est sensible aux changements climatiques et varie en fonction du lien entre leur hydrologie et la biogéochimie de l'écosystème. Une des questions critiques de cette thèse est « est-ce que les tourbières du nord demeureront des puits de C malgré les changements climatiques projetés? ». / J'utilise une approche de modélisation pour répondre à cette question. Premièrement, le modèle représentant le cycle du C dans les tourbière, le McGill Wetland Model (MWM), développé à l'origine pour simuler la dynamique du C dans les tourbières ombrotrophiques, a été modifié et les paramètres ajustés et évalués afin de simuler la biogéochimie du dioxide de carbone (CO2) des tourbières oligotrophiques. Trois modifications ont été faites : (1) une fonction décrivant l'impact de l'humidité du sol sur la production primaire brute (GPP) optimale; (2) un schéma pour partitionner le profil de la tourbière selon les compartiments oxiques et anoxiques du C basé sur la profondeur effective des racines en fonction de la NPP journalière du carex; et (3) une fonction modifiée décrivant la dynamique de l'eau de la tourbe en milieu oligotrophique. Deuxièmement, j'ai examiné l'effet de la microtopographie de la tourbière sur la simulation du cycle du C à l'échelle de l'écosystème et trouvé les processus du modèle à l'échelle linéaire, pouvant ainsi modifier les paramètres en changeant l'échelle utilisée pour l'évaluation à l'échelle régionale. Troisièmement, j'ai évalué avec succès une version couplée du modèle Canadian Land Surface Scheme (CLASS3W) et MWM, nommé (CLASS3W-MWM) pour les types de tourbières ombrotrophiques et oligotrophiques. L'analyse de sensibilité indique que les tourbières du nord sont conservatrices au niveau thermal et hydrologique et la combinaison du changement de température, de précipitation et une double concentration de CO2 est très différente par rapport à la sensibilité de chaque variable individuellement. / Finalement, j'ai utilisé le CLASS3W-MWM pour faire une expérience de premièr-ordre vérifiant comment l'échange de CO2 dans les tourbières du nord peuvent être modifiés sous un climat changeant. Pour les climats futurs, j'ai ajusté la variable climatique du site « mesuré » par les anomalies climatiques estimées par le CCma-GCM3.0 pour trois périodes de temps (2030, 2060 et 2100) en utilisant quatre différents scénarios climatiques (A1B, A2, B1 et Commit). Ces simulations ont montré que les tourbières oligotrophiques et ombrotrophiques ont des réponses significativement différentes aux changements climatiques, particulièrement les tourbières oligotrophiques, qui sont plus sensibles au changements environnementaux que les tourbières ombrotrophiques. En 2100, la tourbière ombrotrophique demeure un puits de C durant la totalité du scénario puisqu'une augmentation significative de la GPP compensait toujours, même si de manière moindre, l'augmentation importante de la respiration de l'écosystème (TER). Toutefois, en 2100, la tourbière oligotrophique est devenue une source de C pour deux scénarios (A1B et A2), dû à une diminution drastique de la GPP et une augmentation du TER résultant du stress hydrique lié à une grande diminution de la profondeur de la nappe phréatique. fr

The source and fate of organic carbon in coastal sediments of the Beaufort Sea, Canadian Arctic, are examined. Despite the Mackenzie River's discharge to the coastal waters, sediments of the adjacent slope and Amundsen Gulf have a similar organic carbon content and CORG:N ratio to sediments of the continental margin. In contrast, the stable isotope composition of the organic carbon and nitrogen reveal striking differences: low δ13C and δ15N values are found in Beaufort Shelf sediments indicative of a terrigenous origin, whereas higher values, closer to the marine signature, are observed in the Amundsen Gulf sediments. On the Slope, the isotopic signatures are intermediate and may be interpreted as a mixture of terrigenous and marine organic matter. These results indicate that the terrigenous suspended matter carried by the Mackenzie River's plume and discharged to the Beaufort Sea does not spread to the Amundsen Gulf. Organic carbon that settles onto the seafloor fuels most early diagenetic reactions. The nature and amount that reaches the sediment determines the vertical zonation of redox reactions within the sediment. In turn, the vertical distribution of available oxidants can be used to infer the flux of organic carbon to the seafloor. The Mn and Fe oxide content of Gulf and Slope sediments are one order of magnitude larger than in Shelf sediments, indicating that the Mn and Fe cycles are maintained well below the sediment-water interface by low accumulation rates of organic carbon. Conversely, in margin sediments, high organic carbon accumulation rates bring the Mn and Fe cycles closer to the interface and allow their escape to the overlying waters. In strongly seasonal environments, organic carbon is typically delivered to the sediment in pulses. To simulate the influence of episodic organic carbon fluxes on the sediment chemistry, closed-jar incubation experiments were conducted using both Mn and Fe oxide-poor (Mackenzie Shelf) and -rich sediments (Amund / La source et le devenir du carbone organique sont examinés dans les sédiments côtiers de la mer de Beaufort dans l'Arctique Canadien. Malgré l'apport en sédiment de la rivière Mackenzie aux eaux côtières, les sédiments du talus continental et du Golfe d'Amundsen possèdent une concentration en carbone organique et un ratio CORG:N similaires à ceux de la marge continentale. À l'inverse, les compositions en isotope stable du carbone et de l'azote organique révèlent des différences frappantes: des faibles valeurs de δ13C et δ15N indiquant une origine terrigène sont trouvées dans les sédiments de la marge continentale, tandis que des valeurs élevées, plus proches d'une signature marine, sont observées dans les sédiments du Golfe d'Amundsen. Sur le talus continental, les signatures isotopiques sont intermédiaires et pourraient indiquer un mélange de matière organique terrigène et marine. Ces résultats indiquent que l'apport de sédiment de la rivière Mackenzie ne s'étend pas au golfe d'Amundsen. Le carbone organique qui sédimente sur le fond marin alimente la plupart des réactions diagénétiques. Sa nature et sa quantité déterminent la zonation verticale des réactions redox à l'intérieur du sédiment. Par conséquent, la distribution verticale des oxydants peut être utilisée pour déduire le flux de carbone organique sur le fond. Les concentrations en Mn et Fe des sédiments du Golfe et du talus sont un ordre de grandeur supérieure à celles des sédiments de la marge, indiquant que les cycles diagénétiques du Mn et Fe sont maintenus largement au-dessous de l'interface eau-sédiment par des faibles taux d'accumulation du carbone organique. En revanche, dans les sédiments de la marge, de forts taux d'accumulation sont responsables de la migration des cycles du Mn et Fe vers l'interface eau-sédiment et à leur diffusion vers les eaux surnageantes. Dans les environnements fortement saisonniers, le carbone organique est typique

Mineralization has long been thought to be the main driver in providing plant available nitrogen (N). However, slow mineralization rates of northern ecosystems cannot sustain total plant N accumulation and it is now recognized that plants can utilize organic forms of N. N is often a limited nutrient in ombrotrophic bogs and at Mer Bleue peatland nearly 80% of the N in the porewater is in the dissolved organic nitrogen (DON) form. This study determined whether peatland plants can take up organic forms of N and whether there are differences between plant functional types, which dominate bog vegetation. To determine if bog plants take up organic N, 16 plots were selected at Mer Bleue where half remained a control and half received a treatment of isotopically labeled glycine (13C2,15N, 98% atom). The labeled glycine was injected into the rhizosphere at a depth of 0-20cm. After 72 hours the leaves and roots of shrub (C. calyculata, V. myrtilloides, L. groenlandicum), sedge (E. vaginatum) and moss (S. magellanicum, S. capillifolium) in the plots were sampled and analyzed for plant δ13C and δ15N. Foliar samples showed a significant uptake of 15N across all species and no significant uptake of 13C. Root samples showed greater enrichment in 15N and 13C for both shrub and sedge species; however, sedge uptake of 13C was not found to be significant. Results showed that shrub species took up glycine intact while a significant uptake of glycine was not found for sedge and moss species. This suggests that the mycorrhizal associations of ericaceous shrubs may contribute to organic N uptake at Mer Bleue bog. / La minéralisation a longtemps semblé être le conducteur principal fournissant l'azote aux plantes. Cependant, les faibles taux de minéralisation des écosystèmes nordiques ne peuvent pas pourvoir l'apport total d'azote des plantes et il est maintenant reconnu que les plantes peuvent utiliser les formes organiques de l'azote. L'azote est souvent un nutriment limitant dans les tourbières ombrotrophes et, à la tourbière Mer Bleue, près de 80% de l'azote dans l'eau interstitielle est sous forme d'azote organique dissous. Cette étude avait pour but de déterminer si les plantes des tourbières peuvent absorber l'azote sous formes organiques et s'il y a des différences entre les types fonctionnels de plantes qui dominent la végétation des tourbières. Pour déterminer si les plantes des tourbières absorbent l'azote organique, 16 parcelles ont été choisies à Mer Bleue, où une moitié a été utilisée comme contrôle et l'autre moitié a reçu un traitement de glycine marquée isotopiquement (13C2, 15N, 98% atomes). La glycine marquée a été injecté dans la rhizosphère à une profondeur de 0-20cm. Après 72 heures, les feuilles et les racines des arbustes (C.calyculata, V. myrtilloides, L.groenlandicum), laîches (E. vaginatum) et les mousses (S. magellanicum, S.capillifolium) dans les parcelles ont été recueillies et analysées pour les plantes δ13C et δ15N. Les échantillons foliaires ont montré une absorption importante de 15N pour toutes les espèces et aucune augmentation significative de signatures δ13C. Les échantillons de racines ont montré un enrichissement plus grand en δ15N et δ13C pour les deux espèces d'arbustes et celle de laîche. Cependant, l'absorption de δ13C pour espèces de laîche n'a pas été jugée significative. Les résultats ont montré que les espèces d'arbustes ont absorbé la glycine entièrement alors que l'absorption de glycine n'a pas été importante pour les espèces de carex et de mousse, ce qui suggère que les associations mycorhiziennes des arbustes éricacées peut être le facteur déterminant dans l'absorption de l'azote organique à la tourbière Mer Bleue.

The dissolved oxygen concentration has progressively decreased in the bottom water of the Lower St. Lawrence Estuary (LSLE) during the last century and reached the severe hypoxic threshold ([O2] < 62.5 µmol L-1) in the 1980s where it has hovered ever since. This thesis investigates the causes and impacts of the large-scale persistent hypoxia in the bottom water of the LSLE, using multidisciplinary tools. The causes were identified, by examining the processes governing the oxygen distribution in the water column, using a two-dimensional advection-diffusion model representing the transport of oxygen in the bottom water along the Laurentian Channel (Gulf of St. Lawrence, Canada). The impacts of persistent hypoxia were highlighted on modifications of sediment chemistry, more specifically by the diagenetic response of three redox-sensitive elements, Mn, Fe, and As, as well as on the fluxes of nutrients and metabolites across the sediment-water interface. Results of numerical simulations revealed that the oxygen distribution in the water column is governed by the combination of physical and biogeochemical processes, but its vertical distribution is mostly controlled by the deep-water circulation. In other words, the vertical distribution is much more sensitive to variations in physical than biogeochemical processes, and oxygen conditions at the continental shelf edge, where Laurentian Channel bottom waters originate, are mostly responsible for the establishment of hypoxia in the Lower Estuary. Whereas the concentrations and vertical distributions of sedimentary Mn phases seem to adjust rapidly to the progressive depletion of oxygen in the overlying waters and remained at steady-state since the 1980s, the development and persistence of hypoxia strongly modified the chemistry of Fe and As in LSLE sediments. The lower overlying-water oxygenation increased the proportion of organic matter that is oxidized by anaerobic pathways in the sediments, which contributed to increase the proportion of dissolved and solid reactive phases of Fe and As. The greater availability of reactive Fe and As phases restricted the formation of pyrite, which, in turn, limited the sequestration of As with pyrite, increasing the availability of this potentially toxic trace element to benthic organisms. Despite the accumulation of Fe and As in sedimentary reactive phases over the past 25 years, it has not significantly modified their fluxes across the sediment-water interface, and their sequestration within the sediment is maintained. / La concentration d'oxygène dissous dans l'eau de fond de l'estuaire maritime du Saint-Laurent (EMSL) a progressivement diminué au cours du siècle dernier, pour atteindre, dans les années 1980, le seuil de l'hypoxie sévère ([O2] < 62.5 µmol L-1) autour duquel elle a fluctué depuis. Cette thèse examine, à l'aide d'outils multidisciplinaires, les causes et les impacts de l'hypoxie persistante à grande échelle dans l'EMSL. Les causes sont identifiées à l'aide d'un modèle d'advection-diffusion à deux dimensions représentant le transport d'oxygène dissous dans l'eau de fond le long du Chenal Laurentien (Golfe du Saint-Laurent, Canada). Les impacts de l'hypoxie persistante sont illustrés par les modifications de la chimie du sédiment, notamment par la réponse diagénétique de trois éléments redox-sensibles, le Mn, le Fe et l'As, ainsi que sur les flux de nutriments et métabolites à l'interface eau-sédiment. Les résultats des simulations numériques révèlent que la distribution de l'oxygène dissous dans la colonne d'eau est gouvernée par une combinaison de processus physiques et biogéochimiques, mais sa distribution verticale dépend principalement de la circulation de la masse d'eau de fond. En d'autres termes, la distribution verticale de l'oxygène dissous dans le chenal est beaucoup plus sensible aux variations physiques que biogéochimiques et le niveau d'oxygénation à la limite du plateau continental, d'où la masse d'eau de fond provient, est principalement responsable de l'établissement de l'hypoxie dans l'EMSL. Tandis que les concentrations et distributions verticales des phases sédimentaires du Mn semblent s'être rapidement ajustées à la diminution progressive d'oxygène dans les eaux surnageantes et être restées à l'état stationnaire depuis les années 80, le développement et la persistance de l'hypoxie ont fortement modifié la chimie du Fe et de l'As dans les sédiments de l'EMSL. La diminution de l'oxygénation des eaux surnageantes aurait augmenté la proportion de matière organique métabolisée sous des conditions anaérobiques, contribuant à augmenter la proportion des phases réactives solides et dissoutes du Fe et de l'As. La plus grande disponibilité des phases réactives du Fe et de l'As a restreint la formation de pyrite authigène, qui, par conséquent, a limité la séquestration de l'As avec celle-ci, augmentant la disponibilité de cet élément potentiellement toxique aux organismes benthiques. Malgré l'accumulation du Fe et de l'As dans les phases sédimentaires réactives au cours des dernières 25 années, leur flux à l'interface eau-sédiment n'a pas été modifié significativement, maintenant ainsi l'efficacité de leur puits sédimentaire, pour le moment.

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