L'objectif de ce mémoire est de développer une approche pour évaluer, à l'échelle régionale, l'impact des changements climatiques sur l'évolution des habitats des poissons en régions nordiques. En première partie, les performances du modèle unidimensionnel de lac MyLake ont été évaluées dans le contexte d'une étude internationale de comparaison de modèles (ISIMIP). Cela a permis de vérifier que le modèle est applicable à une large gamme de lacs. 62 lacs ont été calibrés en utilisant un algorithme d'évolution différentielle. Le nombre de mesures de température, la superficie de lacs et leur localisation géographique jouent un rôle sur les performances du modèle. Les indicateurs de performance suggèrent que le modèle performe bien, même pour les lacs en dehors des régions nordiques pour lesquels le modèle a été conçu. Ensuite, MyLake a été utilisé pour simuler la dynamique couplée de la température, de l'oxygène et la lumière dans 210 lacs suédois. Le modèle a d'abord été calibré pour 12 lacs pour lesquels une grande quantité de données de terrain était disponible. Par la suite, les paramètres du modèle ont été extrapolés avec des régressions linéaires en utilisant les caractéristiques morphométriques des lacs comme prédicteur. Cela a permis de modéliser le reste des lacs sans avoir à calibrer le modèle, c'est-à-dire en l'absence d'observations in situ. Les simulations ont été forcées par la météo locale issue des scénarios climatiques, projetés par six modèles de circulation générale. Elles montrent que les petits lacs deviendront plus chauds dans le futur, avec une durée plus courte du couvert de glace. L'oxygène dissous devrait augmenter à la fin de l'hiver, et diminuer en fin d'été, entrainant une perte d'habitat pour les poissons prédateurs d'eaux froides. Ces résultats montrent la faisabilité de la modélisation à une échelle régionale lorsque peu de données de terrain sont disponibles. / This Master's thesis aims to develop an approach to assess at the regional scale, the impact of climate change on the evolution of fish habitats in northern regions. In the first part, we evaluated the performance of the one-dimensional lake model MyLake in the context of the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP). This analysis verifies that the model applies to a wide range of lakes. We conducted a calibration of 62 lakes using the differential evolution algorithm. The number of temperature observations, the surface area of lakes, and their geographical location exert control over the performance of the model. Nevertheless, the performance indicators show the model performs well even for lakes outside the northern regions. Then, the MyLake model was used to simulate the coupled dynamics of temperature, oxygen, and light in 210 Swedish lakes. We first calibrated MyLake for 12 lakes, for which a large number of field data was available. Next, the model parameters were extrapolated with linear regressions using the morphometric characteristics of the lakes as a predictor. Those relationships between parameters and characteristics made it possible to simulate the rest of the lakes without having to calibrate the model in the absence of in situ data. Climate projections drove the model from six global climate models (GCM) produced by the CORDEX project, along with the two climate scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5). The simulations show that the small lakes will become warmer in the future, with a shorter duration of the ice cover. The simulations also predict that the dissolved oxygen to increase at the end of winter and decrease at the end of summer, leading to a loss of habitat for cold water predatory fish. These results show the feasibility of modelling at a regional scale when little field data is available.

L'objectif de ce mémoire est de développer une approche pour évaluer, à l'échelle régionale, l'impact des changements climatiques sur l'évolution des habitats des poissons en régions nordiques. En première partie, les performances du modèle unidimensionnel de lac MyLake ont été évaluées dans le contexte d'une étude internationale de comparaison de modèles (ISIMIP). Cela a permis de vérifier que le modèle est applicable à une large gamme de lacs. 62 lacs ont été calibrés en utilisant un algorithme d'évolution différentielle. Le nombre de mesures de température, la superficie de lacs et leur localisation géographique jouent un rôle sur les performances du modèle. Les indicateurs de performance suggèrent que le modèle performe bien, même pour les lacs en dehors des régions nordiques pour lesquels le modèle a été conçu. Ensuite, MyLake a été utilisé pour simuler la dynamique couplée de la température, de l'oxygène et la lumière dans 210 lacs suédois. Le modèle a d'abord été calibré pour 12 lacs pour lesquels une grande quantité de données de terrain était disponible. Par la suite, les paramètres du modèle ont été extrapolés avec des régressions linéaires en utilisant les caractéristiques morphométriques des lacs comme prédicteur. Cela a permis de modéliser le reste des lacs sans avoir à calibrer le modèle, c'est-à-dire en l'absence d'observations in situ. Les simulations ont été forcées par la météo locale issue des scénarios climatiques, projetés par six modèles de circulation générale. Elles montrent que les petits lacs deviendront plus chauds dans le futur, avec une durée plus courte du couvert de glace. L'oxygène dissous devrait augmenter à la fin de l'hiver, et diminuer en fin d'été, entrainant une perte d'habitat pour les poissons prédateurs d'eaux froides. Ces résultats montrent la faisabilité de la modélisation à une échelle régionale lorsque peu de données de terrain sont disponibles. / This Master's thesis aims to develop an approach to assess at the regional scale, the impact of climate change on the evolution of fish habitats in northern regions. In the first part, we evaluated the performance of the one-dimensional lake model MyLake in the context of the Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project (ISIMIP). This analysis verifies that the model applies to a wide range of lakes. We conducted a calibration of 62 lakes using the differential evolution algorithm. The number of temperature observations, the surface area of lakes, and their geographical location exert control over the performance of the model. Nevertheless, the performance indicators show the model performs well even for lakes outside the northern regions. Then, the MyLake model was used to simulate the coupled dynamics of temperature, oxygen, and light in 210 Swedish lakes. We first calibrated MyLake for 12 lakes, for which a large number of field data was available. Next, the model parameters were extrapolated with linear regressions using the morphometric characteristics of the lakes as a predictor. Those relationships between parameters and characteristics made it possible to simulate the rest of the lakes without having to calibrate the model in the absence of in situ data. Climate projections drove the model from six global climate models (GCM) produced by the CORDEX project, along with the two climate scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5). The simulations show that the small lakes will become warmer in the future, with a shorter duration of the ice cover. The simulations also predict that the dissolved oxygen to increase at the end of winter and decrease at the end of summer, leading to a loss of habitat for cold water predatory fish. These results show the feasibility of modelling at a regional scale when little field data is available.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / L'Arctique se réchauffe rapidement, et les lacs de ces régions sont typiquement décrits comme étant très sensibles aux variations environnementales. Cependant, les données physicochimiques sous forme de profils ou de séries temporelles sont rares, en particulier dans les régions les plus nordiques, et peu d'attention a été accordée à la période sous glace. Cette thèse se compose de trois chapitres visant à mieux comprendre la dynamique des lacs de l'Arctique face aux changements climatiques, en se penchant sur la dynamique de l'oxygène et les processus biogéochimiques impliqués. Le premier chapitre se penche sur quatre lacs côtiers de l'île d'Ellesmere. Des profils physicochimiques ont été mesurés dans ces lacs avant la fonte printanière sur trois années consécutives. Malgré leur proximité géographique, ces lacs présentaient des différences majeures en termes de propriétés limnologiques. Les lacs moins profonds, et situés plus proches de l'océan étaient pauvres en oxygène, tandis que les lacs plus profonds et plus éloignés étaient mieux oxygénés. En association avec la déplétion en oxygène dans les lacs peu profonds, des gradients verticaux prononcés en ions, métaux et éléments nutritifs ont été observés, indiquant des processus microbiens anaérobies importants. Ces résultats suggéraient que les caractéristiques biogéochimiques étaient davantage influencées par la morphologie du lac que par leur position le long du gradient océan-intérieur. Le deuxième chapitre est une revue systématique des connaissances sur la dynamique de l'oxygène dissous dans les lacs arctiques. Des données de 167 sites sur 76 ans, incluant 40 sites avec des séries temporelles ont été recueillies pour réaliser une méta-analyse. Les résultats ont montré que les lacs peu profonds situés au sud du gradient latitudinal étaient plus susceptibles d'avoir des concentrations d'oxygène faibles, et que les lacs méromictiques étaient situés vers le nord du gradient. Un modèle conceptuel a été développé pour expliquer les mécanismes derrière les variations de la dynamique d'oxygène en réponse aux pressions climatiques. Cette étude met en évidence la nécessité d'une surveillance continue de l'oxygène dissous dans les lacs arctiques, et suggère des efforts de modélisation pour mieux comprendre les répercussions des changements climatiques. Le troisième chapitre se penche sur la dynamique de l'oxygène et de la température dans un lac du Haut-Arctique sur trois cycles annuels complets. Les variations interannuelles ont révélé que ce lac est sensible aux changements de nature climatiques. Les étés plus chauds ont entraîné des concentrations d'oxygène élevées dans les eaux libres de glace et une stratification thermique, tandis que l'été le plus froid a provoqué une anoxie persistante dans les eaux de fond. Ces résultats indiquent que de légères variations climatiques peuvent entraîner des trajectoires différentes pour les lacs de l'Extrême-Arctique, avec des conséquences majeures pour les processus biogéochimiques. Cela souligne également l'importance de ces écosystèmes en tant qu'indicateurs des changements environnementaux globaux. Dans son ensemble, cette thèse montre que les lacs du Haut-Arctique sont sensibles aux changements climatiques et souligne l'importance de surveiller de près ces écosystèmes en transition. Ce projet fournit également des recommandations pour de futures études et met en évidence la nécessité de mieux comprendre les processus limnologiques dans l'Arctique pour prédire les répercussions des changements climatiques. / The Arctic is warming rapidly, and lakes in these regions are typically very sensitive to environmental variations. However, physicochemical data in the form of profiles or time series are rare, particularly in the northernmost regions, and little attention has been paid to the ice-covered period. This thesis consists of three chapters aiming for a better understanding of the dynamics of Arctic lakes in the face of climate change, with a focus on oxygen dynamics and the biogeochemical processes involved. In the first chapter, we studied four coastal lakes on Ellesmere Island. Physicochemical profiles were measured in these lakes before spring melt over three consecutive years. Despite their proximity to each other, these lakes presented major differences in terms of limnological properties. Shallower lakes located closer to the ocean were oxygen depleted, while deeper and more inland lakes were well oxygenated. In association with oxygen depletion in shallow lakes, pronounced vertical gradients in ions, metals and nutrients were observed, indicating significant anaerobic microbial processes. These results suggested that biogeochemical characteristics were more influenced by lake morphology than by their position along the ocean-inland gradient. The second chapter is a systematic review of knowledge about oxygen dynamics in Arctic lakes. Data from 167 sites over 76 years, including 40 sites with time series, were collected to perform a meta-analysis. The results showed that shallow lakes located south of the latitudinal gradient were more likely to have low oxygen concentrations, and that meromictic lakes were located toward the north of the gradient. A conceptual model was developed to explain the mechanisms behind variations in oxygen dynamics in response to climatic pressures. This study highlights the need for continued monitoring of dissolved oxygen in Arctic lakes, and suggests modelling efforts to better understand the impacts of climate change. The third chapter looks at the dynamics of oxygen and temperature in a High Arctic lake over three complete annual cycles. Interannual variations revealed that this lake is sensitive to climatic variables. Warmer summers led to elevated oxygen concentrations in ice-free waters and thermal stratification, while the colder summer caused persistent anoxia in bottom waters. These results indicate that small climatic variations can lead to different trajectories for High Arctic lakes, with major consequences for biogeochemical processes. They also highlight the importance of these ecosystems as indicators of global environmental changes. This thesis shows that High Arctic lakes are sensitive to climate change and highlights the importance of closely monitoring these transitioning ecosystems. This project also provides recommendations for future studies and highlights the need to better understand limnological processes in the Arctic to predict the impacts of climate change.

Les lacs de thermokarst (lacs peu profonds créés par le dégel et l’érosion du pergélisol riche en glace) sont un type unique d’écosystèmes aquatiques reconnus comme étant de grands émetteurs de gaz à effet de serre vers l’atmosphère. Ils sont abondants dans le Québec subarctique et ils jouent un rôle important à l’échelle de la planète. Dans certaines régions, les lacs de thermokarst se transforment rapidement et deviennent plus grands et plus profonds. L'objectif de cette étude était d'améliorer la compréhension et d’évaluer quelles variables sont déterminantes pour la dynamique de l'oxygène dans ces lacs. C’est pourquoi j’ai examiné les possibles changements futurs de la dynamique de l’oxygène dans ces lacs dans un contexte de réchauffement climatique. Une grande variété de méthodes ont été utilisées afin de réaliser cette recherche, dont des analyses in situ et en laboratoire, ainsi que la modélisation. Des capteurs automatisés déployés dans cinq lacs ont mesuré l’oxygène, la conductivité et la température de la colonne d’eau en continu de l'été 2012 jusqu’à l’été 2015, à des intervalles compris entre 10 à 60 minutes. Des analyses en laboratoire ont permis de déterminer la respiration et les taux de production bactériens, les variables géochimiques limnologiques, ainsi que la distribution de la production bactérienne entre les différentes fractions de taille des communautés. La température de l’eau et les concentrations d’oxygène dissous d’un lac de thermokarst ont été modélisées avec des données du passé récent (1971) au climat futur (2095), en utilisant un scénario modéré (RCP 4.5) et un scénario plus extrême (RCP 8.5) de réchauffement climatique. Cette recherche doctorale a mis en évidence les conditions anoxiques fréquentes et persistantes présentes dans de nombreux lacs de thermokarst. Aussi, ces lacs sont stratifiés pendant l’hiver comme des concentrations élevées d'ions s’accumulent dans leurs hypolimnions à cause de la formation du couvert de glace (cryoconcentration) et de la libération des ions avec la respiration bactérienne. Les différences de température contribuent également à la stabilité de la stratification. La dynamique de mélange des lacs de thermokarst étudiés était contrastée : la colonne d’eau de certains lacs se mélangeait entièrement deux fois par année, d'autres lacs se mélangeaient qu’une seule fois en automne, alors que certains lacs ne se mélangeaient jamais entièrement. Les populations bactériennes étaient abondantes et très actives, avec des taux respiratoires comparables à ceux mesurés dans des écosystèmes méso-eutrophes ou eutrophes des zones tempérées de l’hémisphère nord. L'érosion des matériaux contenus dans le sol des tourbières pergélisolées procure un substrat riche en carbone et en éléments nutritifs aux populations bactériennes, et ils constituent des habitats propices à la colonisation par des populations de bactéries associées aux particules. Le modèle de la concentration d’oxygène dissous dans un lac a révélé que le réchauffement des températures de l'air pourrait amincir le couvert de glace et diminuer sa durée, intensifiant le transfert de l'oxygène atmosphérique vers les eaux de surface. Ainsi, la concentration en oxygène dissous dans la colonne d'eau de ce lac augmenterait et les périodes de conditions anoxiques pourraient devenir plus courtes. Finalement, cette thèse doctorale insiste sur le rôle des lacs de thermokarst comme des réacteurs biogéochimiques pour la dégradation du carbone organique, qui était retenu dans les sols gelés, en gaz à effet de serre libérés dans l’atmosphère. L’oxygène est un indicateur sensible du mélange de la colonne d’eau et de la dynamique chimique des lacs, en plus d’être une variable clé des processus métaboliques. / Thermokarst lakes (shallow lakes caused by the thawing and collapse of ice-rich permafrost) are a unique type of aquatic ecosystem, and are known to be strong emitters of greenhouse gases into the atmosphere. They are highly abundant and experiencing rapid changes in subarctic Quebec, becoming larger and deeper in some regions. The objective of this study was to provide an improved understanding of oxygen dynamics in thermokarst lakes, while also evaluating the controlling factors for these variations and the potential future changes in oxygenation in this globally important class of freshwater ecosystems. A wide range of techniques was employed throughout this study, including a combination of in situ, laboratory, and modelling approaches. Autonomous oxygen, conductivity and temperature sensors were employed from summer 2012 to 2015, providing continuous measurements at 10- to 60-minute intervals throughout the study. Laboratory measurements included bacterial respiration and production rates, geochemical lake variables, and an investigation of bacterial community size-fractions. Lake temperature and oxygen concentrations were modelled in one thermokarst peatland lake from the recent past (1971) to the future climate (2095), employing a moderate (RCP 4.5) and more extreme (RCP 8.5) climate-warming scenario. The results of this study revealed that anoxic conditions are prevalent in many thermokarst lakes throughout much of the year. High concentrations of ions accumulate throughout winter due to ice formation at the surface (cryoconcentration) and from ions released associated with hypolimnetic respiratory activity. The strong ion gradient resulted in a combined temperature- and salinity-based density gradient throughout winter. Some lakes were dimictic, mixing twice a year, while others only mixed completely once in fall or never throughout the annual cycle. There were abundant and highly active bacterial populations, with respiratory rates comparable to those observed in meso- or eutrophic systems of the north-temperate zone. Erosion of permafrost peatland soil material provided carbon- and nutrient-rich substrates for bacterial populations, and habitats suitable for colonization by active particle-attached bacterial populations. The oxygen model showed that warmer air temperatures could substantially reduce ice-cover thickness and duration, resulting in greater concentrations of oxygen being transferred from the atmosphere to the surface waters. This could ultimately increase dissolved oxygen concentration throughout the water column and reduce the number of days of anoxic conditions within thermokarst lakes. This thesis underscores the critical role played by thermokarst lakes as biogeochemical reactors that convert organic carbon in ancient northern soils to greenhouse gases, and the importance of oxygen as a sensitive indicator of their mixing and chemical dynamics, as well as a master variable controlling metabolic processes.