Titre de l'écran-titre (visionné le 15 mai 2023) / La mesure manuelle de l'équivalent en eau de la neige (ÉEN) reste encore pertinente à ce jour pour de multiples applications telles que la validation de modèles hydrologiques. Cette mesure peut être prise par différents types de carottiers à neige ou par différents protocoles de fosses à neige. Bien que ces méthodes d'estimation de l'ÉEN du manteau neigeux soient effectuées depuis plusieurs décennies, il ne semble y avoir eu aucune démonstration claire dans la littérature scientifique de la méthode représentant le mieux la référence de la valeur vraie de l'ÉEN. Pour éclaircir ce problème, l'incertitude et l'erreur de mesure de différentes méthodes de fosses à neige et de carottiers à neige ont été estimées en biome boréal. Les analyses se sont basées sur des mesures faites durant 5 hivers consécutifs (2016-2020) sur un terrain plat et en milieu ouvert situé au site NEIGE à la Forêt Montmorency. Cette étude a comparé deux méthodes de fosses à neige et trois types de carottiers à neige. En plus d'inclure le carottier Standard Federal sampler (SFS), cette étude documente pour la première fois deux carottiers à grand diamètre, soit le Super Carottier d'Hydro-Québec (HQS) et le carottier UL (ULS), développé à des fins de recherche. Les carottiers de grand diamètre ont montré la plus faible incertitude (entre 2,6 et 4,0 %). La fosse à neige a été la méthode avec l'incertitude due aux instruments la plus élevée (entre 7,1 et 11,4 %), proche de l'incertitude du SFS (moyenne de 10,4 %). En raison du grand volume de neige prélevé pour chaque mesure de l'ÉEN et de sa faible incertitude, le carottier UL a été considéré comme la meilleure méthode de référence de la valeur vraie de l'ÉEN. En considérant le carottier UL comme référence pour le calcul de l'erreur de justesse moyenne, les méthodes de fosses à neige analysées surestiment l'ÉEN de 16,6 à 26,2 %, ce qui était beaucoup plus élevé que le SFS (8,4 %). Cette étude suggère donc que les carottiers à grand diamètre sont la meilleure méthode afin d'estimer la valeur vraie de l'ÉEN en biome boréal. / Manual measurement of snow water equivalent (SWE) is still important today for several applications such as hydrological model validation. This measurement can be performed with different types of snow tube sampler or by a snow pit. Although these methods have been performed for several decades, there is an apparent lack of information required to have a consensus regarding the best reference for "true" SWE. We define and estimate the uncertainty and measurement error of different methods of snow pits and snow samplers used in a boreal biome. Analysis was based upon measurements taken over five consecutive winters (2016-2020) from the same flat and open area. This study compares two snow pit methods and three snow samplers. In addition to including the Standard Federal sampler (SFS), this study documents the first use of two new large diameter samplers, the Hydro-Québec sampler (HQS) and Université Laval sampler (ULS). Large diameter samplers had the lowest uncertainty (2.6 % to 4.0 %). Snow pit methods had higher uncertainty due to instruments (7.1 % to 11.4 %), close to that of the SFS (mean = 10.4 %). Given its larger collected snow volume for estimating SWE and its lower uncertainty, we posit that ULS represents the most appropriate method of reference for "true" SWE. By considering ULS as the reference in calculating mean bias error (MBE), different snow pit methods overestimated SWE by 16.6 % to 26.2 %, which was much higher than SFS (8.4 %). This study suggests that large diameter samplers are the best method for estimating "true" SWE in a boreal biome.

Ce travail est la fusion de deux projets de recherche complémentaires et contribue à l'approfondissement des connaissances dans les domaines des mesures de précipitation solide et dans la stratégie de modélisation hydrologique en milieu forestier boréal. Toutes les données utilisées pour ces travaux proviennent de la forêt Montmorency, qui est la forêt d’enseignement et de recherche de l’Université Laval située à Québec. Les incertitudes liées aux simulations des débits des bassins versants par les outils de modélisation hydrologiques dépendent du choix du modèle considéré, mais sont aussi liées à la qualité des données météorologiques entrantes. Il est question ici de tout d’abord quantifier les incertitudes reliées aux mesures de précipitation solide, ensuite proposer une méthode d’ajustement novatrice, et enfin une stratégie de modélisation hydrologique en milieu forestier boréal. L’élaboration d’une base de données météorologique regroupant 15 types de précipitomètres, dont deux référents mondiaux, a été réalisée grâce notamment à la mise en place du site météorologique Neige, déployé depuis 2014. Concernant les incertitudes des mesures liées au phénomène de sous-captation de précipitation solide, des approches déterministes historiques de débiaisage des données sont tout d’abord évaluées. Les résultats démontrent un biais initial moyen d’environ 30%, et une surestimation rémanente des quantités de précipitation après ajustement. Une approche probabiliste est ensuite proposée, et les résultats montrent un biais moyen divisé par 5 après application de la méthode. Enfin, des analyses de sensibilités des paramètres des modèles hydrologiques ainsi que de leurs performances face aux variations des données de précipitation solide sont réalisées sur un ensemble de 20 modèles conceptuels à partir de la base de données hydrologique du bassin versant appelé le Haut Montmorency. Cette étude permet finalement de mettre en évidence que le biais de mesure d’équivalent en eau du manteau nival pourrait influencer la qualité des bilans hydriques des bassins versants dans certaines conditions. Ainsi, une analyse de sensibilité des modèles hydrologiques rigoureuse a permis de mettre en évidence qu’un ajustement des données de précipitation solide est nécessaire en amont de la calibration conjointement à l’utilisation des modèles. L’originalité de ces travaux dépend principalement de l’exceptionnalité des sites d’études mais aussi de la qualité du travail des techniciens en observation météorologique et la coopération d’un grand nombre de partenaires privés et publics. / This work joins two complementary research projects and contributes to improve the knowledge on solid precipitation measurements and hydrological modelling strategy in the boreal forest environment. All the data used in this work comes from the Montmorency Forest, which is the teaching and research forest of Université Laval located in Quebec. The uncertainty related to flows forecast by hydrological models depends on the choice of the model, but are also linked to the quality of incoming meteorological data. This work aims first to quantify uncertainties related to solid precipitation measurements, then to propose an innovative method of adjustment and finally to establish a hydrological modelling strategy for the boreal forest environment. The development of a large meteorological database, including data from two world reference instruments, was done thanks to the Neige site deployed since 2014. Regarding uncertainties related to the solid precipitation undercatch phenomenon, five deterministic approaches from the literature are first evaluated. Results show that the initial bias is 30% on average and there is still an overestimation of the solid precipitation quantity after a deterministic adjustment. A probabilistic approach is developed and results show that the bias is divided by 5 on average. Finally, sensitivity analysis of hydrological models’ parameters, and their performance facing different solid precipitation quantities, is done on a set of 20 conceptual models based on the hydrological database of the catchment area called the HautMontmorency. This study highlights that the snow water equivalent measurement bias of the snowpack could influence the quality of water balances in the catchment under certain conditions. A deep sensitivity analysis of hydrological models showed that an adjustment of the solid precipitation was required prior to their calibration. The originality of this thesis depends on the exceptional studied sites, the quality of technicians work and the collaboration of numerous public and private partners.

Les changements climatiques actuels et ceux qui sont à venir auront des répercussions importantes sur le développement des arbres de nos forêts. Dans cette étude, nous avons examiné les impacts potentiels des changements climatiques sur la germination et le développement initial des plantules d'espèces d'arbres des forêts tempérées nordiques et boréales ayant une importance économique et écologique au Québec, soit le bouleau jaune, le chêne rouge, l'épinette blanche, l'épinette noire, le pin blanc, le pin gris, l'érable rouge et l'érable à sucre. Ces deux processus représentent des étapes importantes dans le cycle de vie des arbres. Deux principales thématiques ont été abordées : le rôle de la diminution du couvert de neige en hiver sur la germination au printemps ainsi que les effets de l'augmentation des températures et de la modification des conditions hydriques du sol sur la germination et le développement initial des plantules. Le premier chapitre avait pour objectif d'évaluer l'impact de la réduction du couvert de neige sur la germination des arbres des forêts tempérées et boréales. Une expérience a été effectuée sous couvert forestier à la Station touristique Duchesnay afin de tester l'effet de différentes épaisseurs de neige sur la germination au printemps. Quatre traitements d'épaisseur de neige ont été appliqués lors de l'hiver 2021-2022: témoin (aucune intervention pour modifier l'épaisseur de neige), 50 % de la hauteur de neige du témoin, 30 cm et moins de 10 cm. Les résultats ont montré que la réduction du couvert de neige n'a pas significativement affecté le contenu en eau du sol, mais les traitements avec moins de neige ont montré plus de cycles de gel-dégel au printemps, ce qui pourrait nuire à la germination de certaines espèces. La germination a été influencée par l'épaisseur de la neige pour certaines espèces, telles que le chêne rouge, l'érable à sucre et le pin blanc, qui ont montré une réduction significative des taux de germination sous un couvert de neige de moins de 10 cm. En revanche, l'épinette blanche et l'épinette noire n'ont pas été affectées de manière significative. Ces différences pourraient être dues à une meilleure tolérance au froid des espèces plus nordiques. Ces résultats indiquent que certaines espèces d'arbres sont plus sensibles à la réduction du couvert de neige, ce qui pourrait avoir des implications importantes pour la régénération forestière dans le contexte des changements climatiques futurs. Le second chapitre avait pour objectif de comprendre comment la germination et les premiers stades de développement de cinq espèces d'arbres des forêts tempérées et boréales seraient affectés par différents degrés de sécheresse. Des études antérieures avaient soulevé de potentiels problèmes au niveau de la germination de plusieurs espèces végétales face à l'augmentation de la température et/ou une diminution de la disponibilité en eau du substrat de germination. Une expérience factorielle en milieu contrôlé a donc été élaborée en combinant deux régimes de températures (présent et future [horizon de temps : 2071-2100 - RPC 8.5]) et quatre potentiels hydriques (0, -0,2, -0,4 et -0,6 MPa). L'augmentation d'environ 5 °C des températures durant une partie du printemps a semblé entraîner une accélération générale de la vitesse de germination pour les cinq espèces, une augmentation du pourcentage de germination pour le pin gris et le bouleau jaune et une biomasse plus élevée pour le pin gris et le pin blanc. Cependant, une diminution du pourcentage et de la vitesse de germination a été observée avec l'augmentation des stress hydriques pour la majorité des espèces, à l'exception du pin gris dont le pourcentage de germination n'a pas été affecté par ces niveaux de stress. L'allocation de la biomasse au sein des plantules semble avoir subi un effet similaire à celui observé pour la germination, indiquant que le stress hydrique nuit au développement de chaque partie des plantules (aérienne et souterraine). Les résultats indiquent également que l'augmentation de la température de 5 °C pourrait contrebalancer les effets des stress hydriques plus élevés, permettant ainsi d'augmenter la germination de l'épinette noire, de l'épinette blanche et du pin gris dans des conditions hydriques plus difficiles, mais sans favoriser une augmentation de la biomasse des composantes aériennes et souterraines des plantules. Les expériences en milieu naturel et contrôlé ont révélé certaines tendances quant à la germination et le développement initial des espèces étudiées. Néanmoins, de nombreux aspects restent à explorer pour mieux comprendre les impacts de la température et de la teneur en eau du sol sur ces caractéristiques. Les effets observés semblent généralement propres à chaque espèce, ce qui souligne l'importance de prendre en compte la variabilité intraspécifique (par exemple, la provenance) dans les études futures. De plus, cette asymétrie dans la réponse potentielle des différentes espèces face aux changements anticipés devrait également être intégrée dans les modèles de simulation de la régénération et de la croissance forestière. En bref, les résultats de cette étude peuvent servir de pistes de compréhension, puisque la complexité du sujet rend les conclusions définitives difficiles à atteindre. La persistance à long terme des espèces forestières dans un contexte de changements climatiques dépendra également de leur performance lors des stades de développement ultérieurs. / Current and forthcoming climate changes will have significant impacts on the development of trees that constitute our forests. In this study, we examined the potential impacts of climate change on the germination and initial development of seedlings from economically and ecologically important tree species in the temperate and boreal forests of Québec, including yellow birch, red oak, white spruce, black spruce, white pine, jack pine, red maple and sugar maple. These two processes represent crucial stages in the life cycle of trees. We addressed two main themes: the role of reduced winter snow cover on germination and the effects of increased temperatures and altered soil moisture conditions on germination and initial seedling development. By identifying these specific impacts, this study contributes to a better understanding of how trees respond to early developmental stages in the face of anticipated climate changes. The first chapter aimed to assess the impact of reduced snow cover on the germination of trees in temperate and boreal forests. With rising winter temperatures, precipitation patterns change, snow melts earlier, and snow cover thickness decreases, affecting the microclimatic conditions of the soil. This experiment was conducted under forest cover at the Duchesnay Tourist Station. Four snow thickness treatments were applied during the winter of 2021-22: control, 50% of the control, 30 cm, and less than 10 cm. The results showed that the reduction in snow cover did not significantly affect soil water content, but treatments with less snow experienced more freeze-thaw cycles in the spring, which could hinder seed germination. The germination was influenced by snow thickness for certain species, such as red oak, sugar maple, and white pine, which showed a significant reduction in germination rates under snow cover of less than 10 cm. In contrast, white spruce and black spruce were not significantly affected. These differences could be due to a better cold tolerance of more northern species. These results indicate that some tree species are more sensitive to reduced snow cover, which could have important implications for forest regeneration in the context of future climate change. The second chapter aimed to understand how the germination and early developmental stages of five temperate and boreal forest tree species would be affected by different degrees of drought. Previous studies had raised potential issues regarding the germination of various plant species in response to increased temperature and/or soil moisture conditions. A factorial experiment in a controlled environment was therefore designed, combining two temperature regimes (present and future: 2071-2100 - RCP 8.5) and four water potentials (0, -0.2, -0.4, and -0.6 MPa). The increase of approximately 5°C in temperatures during part of the spring seemed to lead to a general acceleration of germination speed for the five species, an increase in germination percentage for jack pine and yellow birch, and higher development for jack pine and white pine. However, a decrease in germination percentage and speed was observed with increased water stress for most species, except for jack pine, whose germination percentage was not affected by these stress levels. Biomass allocation within the seedlings appeared to be similarly affected by water stress, indicating that water stress hampers the development of each part of the seedlings. The results of the combined effects suggested that the 5°C temperature increase could offset the effects of higher water stress, thereby increasing the germination of black spruce, white spruce, and jack pine under more challenging water conditions, but without promoting higher development of seedling sections. Experiments in natural and controlled environments revealed certain trends regarding the germination and initial development of the studied species. However, many aspects remain to be explored to better understand the impacts of temperature and soil moisture content on these characteristics. The observed effects appear to be generally species-specific, highlighting the importance of considering intraspecific variability (e.g., provenance) in future studies. Furthermore, this asymmetry in the potential response of different species to anticipated changes should be incorporated into the modeling of forest regeneration and growth. In summary, the results of this study can provide fundamental insights, as the complexity of the subject makes definitive conclusions difficult to achieve. Germination is only the first step, and the long-term success of forest species will depend on their resilience at each developmental stage.