Une estimation des quantités de carbone organique dissous dans les millions de lacs boréaux est nécessaire pour améliorer notre connaissance du cycle global du carbone. Les teneurs en carbone organique dissous sont corrélées avec les quantités de matière organique dissoute colorée qui est visible depuis l’espace. Cependant, les capteurs actuels offrent une radiométrie et une résolution spatiale qui sont limitées par rapport à la taille et l’opacité des lacs boréaux. Landsat 8, lancé en février 2013, offrira une radiométrie et une résolution spatiale améliorées, et produira une couverture à grande échelle des régions boréales. Les limnologistes ont accumulé des années de campagnes de terrain dans les régions boréales pour lesquelles une image Landsat 8 sera disponible. Pourtant, la possibilité de combiner des données de terrain existantes avec une image satellite récente n'a pas encore été évaluée. En outre, les différentes stratégies envisageables pour sélectionner et combiner des mesures répétées au cours du temps, sur le terrain et depuis le satellite, n'ont pas été évaluées. Cette étude présente les possibilités et les limites d’utiliser des données de terrain existantes avec des images satellites récentes pour développer des modèles de prédiction du carbone organique dissous. Les méthodes se basent sur des données de terrain recueillies au Québec dans 53 lacs boréaux et 10 images satellites acquises par le capteur prototype de Landsat 8. Les délais entre les campagnes de terrain et les images satellites varient de 1 mois à 6 ans. Le modèle de prédiction obtenu se compare favorablement avec un modèle basé sur des campagnes de terrain synchronisées avec les images satellite. L’ajout de mesures répétées sur le terrain, sur le satellite, et les corrections atmosphériques des images, n’améliorent pas la qualité du modèle de prédiction. Deux images d’application montrent des distributions différentes de teneurs en carbone organique dissous et de volumes, mais les quantités de carbone organique dissous par surface de paysage restent de même ordre pour les deux sites. Des travaux additionnels pour intégrer les sédiments dans l’estimation sont nécessaires pour améliorer le bilan du carbone des régions boréales. / A remote sensing approach to estimate carbon stocks in the millions of boreal lakes is highly desirable to improve our understanding of carbon cycles. Lakes carbon content is often correlated to colored dissolved organic matter (CDOM) content, which is visible from space. Meanwhile, current sensors offer limited radiometry and spatial resolution in regard to boreal lakes opacity and size. Landsat 8, launched in February 2013, offers improved radiometry and spatial resolution, and will provide large-scale coverage of boreal regions. Limnologists gathered years of field campaigns in the boreal regions for which a clear Landsat 8 image will be available. Yet the possibility to combine legacy field data with new satellite imagery has not been assessed yet. Furthermore, the different strategies to select and combine timely repeated lakes measurements in the field and on the satellite have not been assessed either. In this study, we address the opportunities and limits to combine legacy field data with new satellite imagery to develop CDOM predictive models. Methods are based on field data from Quebec collected in 53 boreal lakes and 10 satellite images acquired with the prototype of Landsat 8. Delays between field campaigns and satellite overpasses varied from 1 month to 6 years. Results show that a CDOM predictive model based on existing field data compares favorably with models based on carefully coordinated field campaigns. The quality of the model does not improve by adding repeat measurements in the field and on the satellite, or by using atmospherically corrected images. Two images from different sites show different distributions of lakes dissolved organic carbon concentrations and volumes, but the total dissolved organic carbon storage per landscape unit in the two sites are in the same range. Additional work to link satellite data to lakes sediments carbon content is needed to refine the global carbon budget in the boreal regions.

Une estimation des quantités de carbone organique dissous dans les millions de lacs boréaux est nécessaire pour améliorer notre connaissance du cycle global du carbone. Les teneurs en carbone organique dissous sont corrélées avec les quantités de matière organique dissoute colorée qui est visible depuis l’espace. Cependant, les capteurs actuels offrent une radiométrie et une résolution spatiale qui sont limitées par rapport à la taille et l’opacité des lacs boréaux. Landsat 8, lancé en février 2013, offrira une radiométrie et une résolution spatiale améliorées, et produira une couverture à grande échelle des régions boréales. Les limnologistes ont accumulé des années de campagnes de terrain dans les régions boréales pour lesquelles une image Landsat 8 sera disponible. Pourtant, la possibilité de combiner des données de terrain existantes avec une image satellite récente n'a pas encore été évaluée. En outre, les différentes stratégies envisageables pour sélectionner et combiner des mesures répétées au cours du temps, sur le terrain et depuis le satellite, n'ont pas été évaluées. Cette étude présente les possibilités et les limites d’utiliser des données de terrain existantes avec des images satellites récentes pour développer des modèles de prédiction du carbone organique dissous. Les méthodes se basent sur des données de terrain recueillies au Québec dans 53 lacs boréaux et 10 images satellites acquises par le capteur prototype de Landsat 8. Les délais entre les campagnes de terrain et les images satellites varient de 1 mois à 6 ans. Le modèle de prédiction obtenu se compare favorablement avec un modèle basé sur des campagnes de terrain synchronisées avec les images satellite. L’ajout de mesures répétées sur le terrain, sur le satellite, et les corrections atmosphériques des images, n’améliorent pas la qualité du modèle de prédiction. Deux images d’application montrent des distributions différentes de teneurs en carbone organique dissous et de volumes, mais les quantités de carbone organique dissous par surface de paysage restent de même ordre pour les deux sites. Des travaux additionnels pour intégrer les sédiments dans l’estimation sont nécessaires pour améliorer le bilan du carbone des régions boréales. / A remote sensing approach to estimate carbon stocks in the millions of boreal lakes is highly desirable to improve our understanding of carbon cycles. Lakes carbon content is often correlated to colored dissolved organic matter (CDOM) content, which is visible from space. Meanwhile, current sensors offer limited radiometry and spatial resolution in regard to boreal lakes opacity and size. Landsat 8, launched in February 2013, offers improved radiometry and spatial resolution, and will provide large-scale coverage of boreal regions. Limnologists gathered years of field campaigns in the boreal regions for which a clear Landsat 8 image will be available. Yet the possibility to combine legacy field data with new satellite imagery has not been assessed yet. Furthermore, the different strategies to select and combine timely repeated lakes measurements in the field and on the satellite have not been assessed either. In this study, we address the opportunities and limits to combine legacy field data with new satellite imagery to develop CDOM predictive models. Methods are based on field data from Quebec collected in 53 boreal lakes and 10 satellite images acquired with the prototype of Landsat 8. Delays between field campaigns and satellite overpasses varied from 1 month to 6 years. Results show that a CDOM predictive model based on existing field data compares favorably with models based on carefully coordinated field campaigns. The quality of the model does not improve by adding repeat measurements in the field and on the satellite, or by using atmospherically corrected images. Two images from different sites show different distributions of lakes dissolved organic carbon concentrations and volumes, but the total dissolved organic carbon storage per landscape unit in the two sites are in the same range. Additional work to link satellite data to lakes sediments carbon content is needed to refine the global carbon budget in the boreal regions.

Les processus anthropiques et naturels modifient et régulent la concentration et le stockage du carbone (C) et du mercure (Hg) dans les sédiments des lacs boréaux. Cependant, la manière dont ces deux éléments sont couplés dans les sédiments de lacs largement répandus et la manière dont leurs concentrations, leur composition et leur couplage ont pu changer dans les archives sédimentaires restent mal comprises. Ici, nous avons mesuré la concentration de Hg et de C dans les sédiments de surface de 42 lacs (dont 5 lacs inondés par des barrages hydroélectriques) dans trois régions boréales du Québec et nous avons obtenu des carottes de sédiment de ~1m dans deux de ces régions, allant de la région de la Baie James (JB) à l'ouest jusqu’à la Côte-Nord à l'est. Nous avons constaté que la concentration de Hg total (THg) était plus élevée dans les sédiments récents (post-industriels), probablement en raison des perturbations anthropiques ainsi que du contexte environnemental et climatique. La concentration de THg augmente avec un pourcentage plus élevé de C total (%TC) dans les sédiments à l'intérieur des carottes de sédiments et entre elles, avec des pentes plus élevées pour les relations THg-%TC dans les sédiments récents. La fluorescence de la matière organique dissoute (MOD) dans l'eau interstitielle était un bon prédicteur du THg dans les carottes de sédiments JB, probablement en raison d'une affinité préférentielle et le co-transport du THg avec la matière organique de type humique. Il existe une variabilité inter-régionale de la concentration de THg et du pourcentage de matière organique (%OM) dans les sédiments de surface, avec une distinction inter-régionale (HSP, JB, VRD) liée au contexte géographique (par exemple, profondeur du lac, superficie, altitude, chimie de l'eau). Ces résultats suggèrent des niveaux de variation naturels et anthropiques en termes de concentration et de composition de la MO et du Hg s'accumulant dans les sédiments, avec une augmentation préférentielle de l'accumulation du Hg dans les sédiments récents qui est associée à des groupes spécifiques de MO d'origine terrestre. Les réponses des lacs aux changements futurs ne seront peut-être pas homogènes, et une meilleure compréhension des facteurs géographiques du stockage du carbone et du mercure dans les sédiments lacustres permettra d'améliorer la prévision de ces éléments imparfaitement couplés au niveau des bassins versants. / Anthropogenic and natural processes modify and regulate carbon (C) and mercury (Hg) concentration and storage in boreal lakes sediments. However, how these two elements are coupled in sediments of widely distributed lakes and how their concentrations, composition and coupling may have changed over sediment records remain poorly understood. Here, we measured the concentration of Hg and C in surface sediments of 42 lakes (including 5 lakes flooded by hydro-electric damming) in three boreal regions of Quebec, Canada and further obtained ~1m sediment records in two of these regions, ranging from the James Bay (JB) area to the west to the Cote-Nord area to the east. We found that total Hg (THg) concentration was higher in recent sediments (post-industrial), likely because of anthropogenic disturbance as well as environmental and climatic context. THg concentration increased with a higher percent total C (%TC) in sediments within and among sediment cores, with higher slopes for the THg-%TC relationships for recent sediments. Porewater dissolved organic matter (DOM) fluorescence was a good predictor of THg in JB sediment core, likely because of a preferential affinity and co-transport of THg with humic-like material. There was inter-regional variability in THg concentration and percent organic matter (%OM) in surface sediment with inter-regional distinction (HSP, JB, VRD) related to geographic context (e.g. lake depth, area, elevation, water chemistry). These results suggest natural and anthropogenic levels of variation both in terms of the concentration and composition of OM and Hg accumulating in sediments, with a preferential increase in Hg accumulation in recent sediments that is associated with specific groups of terrestrial-derived OM. Lake responses to future changes may thus not be homogeneous, and a better understanding of the geographic drivers of C and Hg storage in lake sediments will help improve prediction of these imperfectly coupled elements at the watershed level.

L'intensité et la fréquence des feux de forêt ont augmenté dans les paysages nordiques, perturbant le cycle et le transport du carbone dans les continua terrestres-aquatiques. Cependant, l’effet des feux de forêt sur la dynamique du carbone lacustre reste méconnu en raison du manque d'études comprenant des comparaisons interrégionales et des bilans de carbone incluant différentes formes avec des destins (évasion, export, stockage) contrastés. Nous avons analysé la concentration et la proportion des formes dominantes du carbone (Carbone Organique Dissout (COD), Carbone Inorganique Dissout (CID), Carbone Organique Particulaire (COP), CO2, CH4) dans 54 lacs situés dans des bassins versants brûlés par rapport à des bassins versants témoins dans 3 régions nordiques tempérées et boréales du Québec et du Minnesota, sur un gradient de 3 ans après le feu. Dans l'ensemble, les lacs étaient plus semblables à l'intérieur des régions qu'entre les régions, indépendamment du feu, mais il y avait des effets intrarégionaux du feu. Le COD a augmenté dans les lacs des bassins versants brûlés malgré l'absence d'effet significatif sur les concentrations de CO2 et de CH4. En outre, les feux de forêt augmentent la contribution du COD aux bilans total de carbone du lac, ce qui favorise la réduction de la transparence de l'eau et augmente le potentiel de transformation in-situ du carbone par minéralisation. Ce changement de la dynamique de C dans les lacs, qui se traduit par une augmentation de la quantité et de la proportion de COD, suggère que les feux de forêt causent une exportation de carbone dans les bassins versant boréaux, dont le destin reste inconnu. Grâce à l'intégration de diverses formes de carbone ayant des taux de renouvellement et des destins différents, cette étude met en évidence un effet supplémentaire du feu sur le cycle du carbone, détectable à plus long terme que la perte directe de carbone terrestre due à la combustion de la végétation, dont l'importance au niveau du bassin versant reste à déterminer et qui pourrait avoir un impact sur le cycle du carbone à l'échelle mondiale. / Wildfires' intensity and frequency have increased across northern landscapes, disrupting carbon cycling and transport across terrestrial-aquatic continua. However, it remains unclear how lake carbon dynamics respond to fires due to the lack of studies including cross-regional comparisons and carbon budgets with more than two C forms. We analyzed the concentration and distribution of the dominant C forms (Dissolved Organic Carbon (DOC), Dissolved Inorganic Carbon (DIC), Particulate Organic Carbon (POC), CO2, CH4,) in 54 lakes in burned vs control catchments in three north temperate and boreal regions of Quebec and Minnesota within a 3-year post-fire gradient. Overall, lakes were more similar within than among regions regardless of fire, but there were intraregional fire effects. DOC increased in lakes in burned watersheds despite no significant effect on concentrations of CO2 and CH4. We showed that the fire effect was most apparent when accounting for climate and local geomorphologic lake properties. In addition, wildfires increase the contribution of DOC to whole-lake C budgets favouring reduction of water transparency and greater opportunity for in-situ carbon processing through mineralization. This lake C dynamic change through an increased quantity and proportion of DOC suggests a potential long-term firemediated carbon export with a yet undetermined fate in boreal watersheds. Through the integration of various C forms with different turnover rates and fates, this study highlights an additional fire effect on C cycling that is detectable at a longer time scale than the direct terrestrial C loss from burned vegetation which importance at the watershed level remains to be determined and may impact global C cycling.

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