Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

La restauration de tourbière vers des fens est relativement nouveau au Canada. La première tentative de restauration à l’échelle écosystémique d’un fen utilisant la technique de transfert de tapis muscinal s’est résulté par un échec de l’établissement de la couche muscinale (bryophytes). La couche muscinale typique des fens (composée de mousses vraies de fen, souvent appelée mousses brunes) est une composante importante des fens naturels. La littérature scientifique sur le sujet de la restauration de la couche muscinale de fen est pauvre, ou difficilement applicable dans des conditions nord-américaines. Le but de ce projet est d’acquérir certaines connaissances écophysiologiques sur les facteurs influençant la régénération des mousses de fen. Les facteurs choisis proviennent de différentes étapes de la restauration écologique des tourbières ainsi que de la biologie et l'écologie des mousses. Les quatre espèces de mousses utilisées sont communément trouvées dans les fens naturels du Canada : Aulacomnium palustre, Campylium stellatum, Scorpidium cossonii et Tomentypnum nitens. Les traitements testés sont : a) effet de la distance, par rapport à l’apex, des fragments des mousses sur leur régénération; b) la fragmentation mécanique; c) la fertilisation phosphatée; d) le chaulage; e) une expérience combinant fragmentation, fertilisation ainsi que différentes communautés de mousse testées sur le terrain; et f) l’effet de A. palustre comme plante compagne. Les principaux résultats sont : a) la régénération des fragments diminue en dessous de 2 ou 3 cm à partir de l’apex; b) la fragmentation augmente le nombre d’innovations quand il y a suffisamment d’eau (conditions de croissance humides); c) la fertilisation phosphatée a un effet positif sur la régénération des mousses lorsque maintenues en environnement contrôlé humide; d) le chaulage n’affecte positivement que l’espèce C. stellatum; e) A. palustre se régénère mieux sur le terrain que les autre mousses f) A. palustre n’apparaît pas être une bonne plante compagne pour C. stellatum et S. cossonii. Ces résultats visent à améliorer notre compréhension de la niche de régénération de mousses vraies de fen. Ici, nous établissons les connaissances de base pour une éventuelle restauration des fens à l’échelle de l’écosystème. / Peatland fen restoration is relatively new in Canada. The first attempt at an ecosystem scale fen restoration project with the moss layer transfer technique was unsuccessful in establishing the moss layer (bryophytes). The typical fen moss layer (composed mainly of fen true moss, often called brown moss) is an important part of natural fen ecosystem. The scientific literature about fen restoration regarding the moss layer is either poor or inadequate for restoration in the North Americans conditions. The goal of this project is to develop some base ecophysiological knowledges on factors influencing the regeneration of fen true mosses. The chosen factors come from studying different steps of peatland restoration techniques, and the biology and ecology of fen true mosses. The four species chosen for this project are all commonly found across natural fens in Canada: Aulacomnium palustre, Campylium stellatum, Scorpidium cossonii and Tomentypnum nitens. The tested treatments are: a) the effect of a moss fragment position on the stem relative to the apex on their regeneration; b) mechanical fragmentation; c) phosphate fertilization; d) liming; e) an experiment combining fragmentation, fertilization and different moss communities tested on the field; and f) the effects of A. palustre as a nursing plant. The main results are: a) regeneration decreases 2 or 3 centimeters below the apex; b) fragmentation increased the number of innovations for all species when enough water is available (moist growth conditions); c) phosphate fertilization has a positive effect on the regeneration in a controlled moist environment; d) liming only had a positive impacts on C. stellatum; e) A. palustre regenerate better in the field then the other species; f) A. palustre was not proven to be an effective nursing plant for C. stellatum and S. cossonii. These results aim at improving the understanding of fen true moss regeneration niche on bare peat surfaces. Here, we set the baselines for large scale and long-term fen regeneration attempts.

Lors de la mise en place d’un projet de restauration, il est impératif de définir un écosystème de référence qui aidera à orienter les actions à poser. La restauration écologique des tourbières minérotrophes (fens) en est à ses débuts au Canada. À court terme, le but est d’introduire des communautés végétales qui ont le potentiel d’accélérer le retour de l’accumulation de la tourbe. Or, les connaissances actuelles des communautés végétales et des processus écosystémiques propres aux fens sont limitées. Cette recherche doctorale a pour objectif de définir un écosystème de référence pour des fens modérément riches à riches du sud-est du Canada et de cibler des communautés végétales préférentielles à l’atteinte des buts de restauration écologique des tourbières. Afin de consolider l’écosystème de référence, trois sources d’informations (temporelle, spatiale et empirique) ont été utilisées. L’analyse paléoécologique nous informe sur la dynamique de développement hydroséral, somme toute stable, d’un écosystème tourbeux sur une période de 8000 ans. Le comblement d’un plan d’eau est à l’origine de la tourbière où se sont succédées des communautés végétales de grandes cypéracées, puis des communautés dominées par les mousses brunes et les cypéracées basses. Les processus autogènes semblent avoir été prédominants dans l’évolution de la tourbière telle qu’elle est aujourd’hui. La caractérisation de treize fens naturels a résulté à l’identification de deux communautés végétales. La première est une communauté de grandes-cypéracées (magnocariçaie) associée à une production de biomasse et à un niveau d’eau élevés. La seconde est une communauté plus diversifiée de Sphagnum(warnstorfii)-Thuja. À l’exception du S. warnstorfii, cette communauté se compose davantage d’espèces généralistes des tourbières boréales qui croissent dans des habitats plus secs ou ombragés tels que les buttes ou les sous-bois. L’étude met aussi en lumière l’importance du Thuja occidentalis dans les fens régionaux. Sa présence, en densité modérée, devrait être favorisée à long terme. Trois fens naturelles ont été sélectionnées pour une étude approfondie des caractéristiques fonctionnelles de production primaire nette (PPN) et de taux de décomposition. La moyenne de PPN incluant toutes les strates de végétation est de 450 g m⁻² an⁻¹. Cette étude confirme l’importance des estimations de PPN du compartiment souterrain (45% de la biomasse totale), des bryophytes (21%) et des arbres (16%). Le S. warsntorfii est la mousse la plus productive (140 g m⁻² an⁻¹) et celle qui se décompose le plus lentement (valeur annuelle de décomposition exponentielle k de 0,07). La présence du S. warnstorfii contribue à l’augmentation du potentiel d’accumulation de tourbe. Les communautés du biotope des buttes ont également un meilleur potentiel d’accumulation de tourbe que celles des platières. Finalement, dans la partie expérimentale de la thèse, il a été conclu qu’il n’est pas nécessaire d’augmenter la diversité spécifique et structurelle pour accroître les chances de retour de l’accumulation de tourbe. La performance des variables mesurées est plutôt dépendante de l’identité des espèces composant les assemblages. La présence du Myrica gale, du Carex aquatilis ou du S. warnstorfii dans une communauté augmente significativement la production de biomasse sur le terrain. La présence d’une bryophyte augmente le recrutement de nouvelles espèces tandis que le M. gale ou le C. aquatilis le diminue. La complémentarité entre les espèces a été l’effet dominant sur la production de biomasse dans l’expérience terrain, tandis que l’effet de sélection a été observé en serre. On conclut qu’il existe des relations synergiques dans la décomposition de plusieurs litières mises en association. Une production de biomasse plus élevée devra ainsi être ciblée si le taux global de décomposition est prévu d’augmenter. Suite à la synthèse de ces trois chapitres, il est recommandé d’inclure des bryophytes dans les communautés à restaurer, en particulier le S. warnstorfii afin d’accélérer le retour des fonctions dans les tourbières restaurées et le recrutement de nouvelles espèces. Une communauté de grandes cypéracées est considérée lorsque l’introduction de bryophytes est hasardeuse. / When setting up a restoration project, it is imperative to define a reference ecosystem. This will determine the actions to be taken. In Canada, the ecological restoration of the minerotrophics peatlands (fens) is at its infancy stage. In the short term, the restoration goal is to introduce plant communities that have the potential to accelerate the return of peat accumulation. However, current knowledge of plant communities and ecosystem processes specific to fen are limited. The aim of this doctoral research is to define a reference ecosystem for moderately rich to rich fens in southeastern Canada and to target preferential plant communities to achieve the ecological restoration goals of peatlands. In order to consolidate the reference ecosystem, three sources of information were used: temporal, spatial, and empirical. Paleoecological analysis shows us the dynamics of the hydroseral development, notably how stable plant communities has been over a period of 8000 years. Terrestrialization was at the origin of the peatland development. Not long after body of water filled, tall cyperaceae community were followed by communities dominated by the brown mosses and the small cyperaceae. Autogenous processes seem to have been predominant in the evolution of the peatland. The characterization of thirteen natural fens has resulted in the grouping of two plant communities. The first is a tall cyperaceae (magnocaricion) community associated with high biomass production and high water level, the second is a more diverse community of Sphagnum (warnstorfii)–Thuja. With the exception of S. warnstorfii, this community is composed primarily of generalist species of boreal peatlands that grow in drier or shaded habitats, such as underwood or hummocks. The study also highlights the importance of Thuja occidentalis in regional fens. Over time and in moderate density, its presence should be promoted. Three natural fens were selected for an in-depth study of the functional characteristics of net primary production (NPP) and decomposition rates. The average production, including all vegetation layers, is 450 g m⁻² yr⁻¹. This study confirms the importance of the NPP estimations with regard to belowground (representing 45% of total biomass), bryophytes (21%) and trees (16%), among others. S. warsntorfii is the most productive bryophyte (140 g m⁻² yr⁻¹) and decomposes the slowest (annual exponential decomposition value k of 0.07). The presence of S. warnstorfii contributes to the increased potential for peat accumulation. The communities of the hummock biotope also have a better peat accumulation potential than those of lawns. Finally, in the experimental part of the thesis, it was concluded that there is no need to increase specific or structural diversity to increase the chances of return of peat accumulation. The performance of the measured variables is rather dependent on the identity of the species composing the assemblages. In the field, the presence of Myrica gale, Carex aquatilis or Sphagnum warnstorfii, individually or in combination, increases biomass production. The combination of these three species leads to transgressive overyielding for the production of aerial biomass. The presence of a bryophyte increases the recruitment of new species while M. gale or C. aquatilis will decrease it. The complementarity between species was the dominant effect on biomass production in the field experiment, while the selection effect was observed in greenhouses. Moreover, we concluded that there are synergistic relationships in the decomposition of litters when grouped. Higher biomass production should therefore be targeted if the overall rate of decomposition is predicted to increase. Following the synthesis of the three chapters, it is recommended to include bryophytes in the communities to be restored, in particular S. warnstorfii, in order to accelerate the return of functions in the restored peatlands, and the recruitment and establishment of new species. A community of tall cyperaceae could be considered when the introduction of bryophytes is hazardous and where water levels are forecasted to be high. In short, the preferential plant communities targeted in the reference will accelerate the return of the peat accumulation function and the revival of plant diversity.

En me basant sur un modèle de changement des tourbières face au réchauffement climatique, j'ai reproduit les conditions d'assèchement auxquelles elles seront soumises au cours du présent siècle en abaissant artificiellement le niveau de la nappe phréatique. J'ai testé l'hypothèse que les changements de végétation et d'accumulation de la matière organique différeraient à l'échelle spatiale (buttes, platières et dépressions) et à l'échelle temporelle (court et long termes) dans une tourbière minérotrophe pauvre dominée par les sphaignes et représentative de la majorité des tourbières minérotrophes boréales pauvres du Canada. L'abaissement de la nappe phréatique a eu pour effet d'homogénéiser les communautés végétales des microhabitats ainsi que de modifier leur productivité végétale et leur taux de décomposition. Toutefois, c'est uniquement dans les buttes que l'accumulation de la matière organique a été réduite. Les changements observés à court terme n'ont pas toujours été semblables à ceux à long terme. Finalement, mes résultats montrent l'importance d'intégrer les réponses différentielles des microhabitats dans les modèles de changement des tourbières face au réchauffement climatique.

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

En Amérique du Nord, peu de recherches ont été réalisées sur la restauration des fens. De plus en plus, les industries de la tourbe sont appelées à restaurer des tourbières abandonnées après extraction de la tourbe où les conditions pédologiques ressemblent à celles de fens. Le but de ce projet de recherche est de développer une base écologique à la restauration des fens en Amérique du Nord. Dans un premier temps, j'ai examiné les successions végétales dans les tourbières qui ont été exploitées jusqu'aux strates de tourbe minérotrophe afin de déterminer quelles plantes recolonisent les tourbières abandonnées et sous quelles conditions. L'échantillonnage de 28 tourbières abandonnées à travers le Canada et dans l'État du Minnesota aux États-Unis montre que la revégétation spontanée des secteurs avec tourbe à nue diffère de la végétation colonisant les fens naturels des régions adjacentes. Particulièrement, les Sphagnwn et les Carex. qui abondent dans les fens naturels, ne se retrouvent pas dans les fens exploités puis abandonnés par aspirateur. La majorité des fens abandonnés ont vite été recolonisés par des espèces plutôt apparentées aux milieux humides sans tourbe. Dans un deuxième temps j'ai testé des méthodes de réintroduction d'espèces typiques de fens. Une expérience de trois ans sur le terrain montre qu'une méthode de réintroduction par épandage des diaspores provenant d'un site d'emprunt est efficace pour l'établissement des Car ex et de sphaignes. Jusqu'à maintenant, l'accent a toujours été mis sur les Car ex et les plantes vasculaires pour la restauration des fens. Afin d'en savoir plus sur les conditions environnementales nécessaires à la régénération des mousses typiques de fens, j'ai effectué des expériences en serre et sur le terrain. Un ombrage jusqu'à 50% améliore la régénération des mousses. Le niveau d'eau optimal pour la plupart des mousses se situe juste en dessous de la surface et les sphaignes sont les espèces de bryophytes qui se régénèrent le mieux. Tous ces résultats devraient nous permettre de mieux cibler les efforts pour la restauration des fens.