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Cette étude porte sur la mesure des conséquences du réchauffement climatique sur la croissance et le développement des graines de l'épinette noire en zone boréale. Comme la densité maximale atteinte par les forêts d'épinette noire et la limite nordique et altitudinale de l'espèce sont sous contrôle thermique, dans le contexte des changements climatiques attendus, il nous est apparu important de préciser le régime des températures qui affecte la répartition de l'épinette. Cette étude porte plus précisément sur l'interface entre la toundra forestière et la limite septentrionale de la forêt boréale fermée dominée par l'épinette noire. L'objectif de cette thèse est de déterminer comment la température influence la croissance des arbres et la maturation des semences de l'épinette noire à la limite nord de la forêt boréale fermée. La thèse est divisée en trois parties. La première porte sur les caractéristiques thermiques de la limite nord de la forêt boréale fermée au cours de la période de 1970 à 2002. La deuxième porte sur la relation entre la température et la production de graines par l'épinette noire. Enfin, la troisième partie porte sur les effets climatiques de la mise en eau d'un vaste réservoir hydroélectrique sur la croissance et la production de graines par l'épinette noire des milieux néoinsulaires. Entre 1970 et 2002, une augmentation significative de la température moyenne annuelle, de la somme thermique et de la durée de la période sans gel est survenue particulièrement dans la zone de la forêt boréale ouverte et de la toundra forestière. La limite septentrionale de la forêt boréale fermée coïncide avec la position du seuil thermique de 800 à 950 degrés-jours, un intervalle qui correspond à la chaleur nécessaire pour la maturation des graines de l'épinette noire. De plus le seuil de 800 degrés-jours s'est déplacé d'un degré de latitude vers le nord entre 1970 et 2002, passant de 53° 12' N à 54° 16' N. Compte tenu du réchauffement climatique attendu, le seuil de maturation des graines d'épinette noire pourrait se déplacer vers le nord de façon importante et permettre ainsi la maturation des graines d'épinette dans une zone où les conditions thermiques nécessaires ne sont pas actuellement rencontrées. Si le processus physiologique de la maturation des graines est confirmé comme le facteur déterminant de la position de la limite nord de la forêt boréale, les conséquences pourraient être un déplacement vers le nord de la limite septentrionale de la forêt boréale fermée. Sur l'ensemble de son aire de répartition, Pépinette noire requiert une moyenne de 750 degrés-jours pour produire des graines quasi-matures (stade 22 sur une totalité de 23). Une variabilité existe selon les populations et leur position géographique. Néanmoins, le pourcentage de germination peut être prédit par une fonction sigmoïde des degrés-jours cumulés le long d'un gradient -latitudinal des températures. Les conditions locales peuvent toutefois produire des différences. Ainsi, les enclaves plus froides que constituent les réservoirs hydroélectriques ont une production de graines équivalente à celles des sites de un à trois degrés de latitude plus au nord. Enfin, les conditions climatiques des sites néoinsulaires du réservoir Rober Bourassa diffèrent des autres sites de la région, principalement au printemps. En effet, c'est pendant cette période que le déficit de chaleur est le plus marqué. Les conséquences sur la croissance radiale des arbres matures ne sont pas notables à l'échelle des peuplements. Les arbres répondent plus à un changement régional du climat qu'à l'effet local du réservoir. Les effets climatiques du plan d'eau (une augmentation du bois de compression dû à une déstabilisation par le vent et une diminution de la fréquence des cernes de gel) se limitent aux sites les plus ouverts et les plus exposés. Enfin, la croissance apicale de la strate de régénération montre que le réservoir peut avoir des conséquences positives sur la croissance des plantules dans les secteurs protégés par la végétation (arbres ou arbustes) et à la périphérie des îles.

La forêt boréale d'Amérique du Nord est divisée en trois zones selon un gradient sud-nord : la forêt fermée (pessière à mousses), la forêt ouverte (pessière à lichens) et la toundra forestière. Par leur influence sur la régénération des arbres, le climat et le feu sont les principales forces directrices influençant ces trois zones distinctes. Nos connaissances et notre compréhension de l'évolution à long terme de la pessière à mousses sont limitées et incomplètes. De plus, les conditions favorables au maintien de la forêt fermée restent à connaître. Des données récentes suggèrent que les perturbations, incluant le feu et les épidémies d'insectes, peuvent mener à des transformations de la pessière à mousses en pessière à lichens. Au cours des 50 dernières années, un changement d'importance est survenu dans plusieurs parties de la zone boréale où la forêt fermée a été remplacée par la forêt ouverte. Cette étude a pour but de caractériser la structure de la pessière à mousses et de déterminer les conditions nécessaires à sa régénération et à son renouvellement. De plus, nous avons abordé la question de la stabilité de la pessière à mousses en zone nordique en fonction du temps et des types de perturbation. La recherche s'est déroulée dans le centre du Québec (Canada), entre 47°30' au 56°00' N et du 70°00' et 72°00' O. L'aire d'étude comprend les trois zones de la forêt boréale. La limite nordique des pessières à mousses se trouve vers 55° N au contact de la zone de la pessière à lichens et de la toundra forestière. Des photos aériennes ont été utilisées afin de cartographier la répartition et l'étendue de la pessière à mousses dans l'aire d'étude. Dix-neuf sites ont été sélectionnés aux fins d'échantillonnage le long du gradient latitudinal. Dans chaque site, tous les arbres ont été mesurés et les 10 plus grosses épinettes noires (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) ont été prélevées en vue d'une analyse des cernes de croissance et d'une analyse de tige. Les mêmes analyses ont été faites également chez les plus gros sapins baumier (Abies balsamea (L.) Mill.) de chaque site. L'effet du climat sur la croissance de l'épinette noire et du sapin baumier a aussi été évalué. Les traces laissées par les épidémies de la tordeuse du bourgeon de l'épinette ont été analysées à l'aide du programme OUTBREAK. Onze échantillons de profil de sol ont été décrits dans chaque site et la présence et la position des charbons de bois à la surface du sol ont permis d'évaluer le type de feux. Cinquante quatre échantillons de charbons de bois ont été datés à l'aide du C selon la technique AMS dans le but de déterminer le temps écoulé depuis le dernier feu (TDDF) dans chaque site. La végétation a été décrite et analysée à Laide de techniques d'ordination. Le TDDF des 19 sites varie de 118 à 4870 années calendaires et il est corrélé avec la latitude et l'altitude. Les charbons de bois analysés sont tous situés au contact du sol minéral, une indication que le dernier feu était suffisamment sévère pour consumer toute la matière organique. On a dénombré 62 espèces dans les 19 sites étudiés et leur présence était surtout influencée par la latitude. Contrairement à d'autres études, aucun changement n'a été observé chez les bryophytes en fonction du TDDF. Lorsque Ton tient compte de la distribution du diamètre des épinettes, les peuplements où le dernier feu remonte à plus de 325 ans montrent une structure de taille qui se rapproche d'une distribution polynomiale de troisième ordre, tandis que les peuplements de moins de 325 ans présentent une structure de taille simulant une distribution en J-inversé. La hauteur et la croissance radiale moyenne des épinettes sont associées par la latitude, le temps écoulé depuis le dernier feu et l'épaisseur de l'horizon organique. Le taux de croissance des arbre la première cohorte suivant un feu diminue avant d'atteindre le niveau de forêt mature. Deux chutes de croissance radiale, le premier en 1950 et l'autre à la fin des années 1970 et le début des années 1980, ont été observées chez l'épinette noire et le sapin baumier, lesquelles correspondent à des périodes d'infestation de la tordeuse du bourgeon de l'épinette. Aucune preuve de l'incidence d'épidémies de la tordeuse du bourgeon de l'épinette n'a été trouvée au nord du 51° N. La régénération continue et le ré-établissement de la pessière à mousses dépendent du passage de feux sévères qui brûlent complètement la matière organique à la surface du sol. La régénération initiale après un feu est cruciale pour le développement futur de la pessière à mousses. Nos données montrent que les pessières à mousse sont des écosystèmes fragiles qui font partie d'états alternatifs stables où les perturbations en rafale et/ou les feux qui ne consument pas complètement la matière organique au sol peuvent provoquer un changement d'état de la forêt, notamment le remplacement de la pessière à mousses par la pessière à lichens. Il est important de poursuivre les recherches afin de déterminer l'évolution dans le temps et l'espace des zones de végétation de la forêt boréale, notamment en considérant la nature, l'ampleur, la sévérité et la succession des divers types en considérant la nature, l'ampleur, la sévérité et la succession des divers types de perturbation qui les affectent.

Plusieurs sommets occupés par une végétation de toundra sont répartis à travers la zone boréale au Québec jusqu'à la limite nord de la toundra forestière. Leur formation et la diversité végétale qui s'y trouve ont été peu étudiées jusqu'à maintenant. L'objectif principal de cette étude est donc de répertorier la flore des sommets de toundra le long d'un transect latitudinal et de relier leur nature et leur diversité à plusieurs facteurs causaux potentiels, dont la latitude, l'altitude de la limite des arbres, le temps écoulé depuis le dernier feu, l'époque présumée du déboisement des sommets alpins et la proportion de sol nu. L'objectif secondaire de cette étude est d'évaluer la relation qui existe entre l'altitude de la limite des arbres et la latitude. Les résultats montrent que le feu associé au climat est l'élément responsable de la création des sommets de toundra. Après un feu, les populations arborescentes se régénèrent en fonction des conditions climatiques. Tous les sommets semblent avoir été dénudés pendant deux périodes de l'Holocène, soit entre 100 à 400 années cal. BP et 1150 à 2000 années cal. BP. Le temps écoulé depuis le dernier feu et l'époque du déboisement exercent peu d'influence sur la végétation des sommets alpins étudiés, probablement à cause de l'ancienneté des événements de feu considérés. Les délais de plusieurs centaines d'années entre le dernier feu ou l'époque du déboisement des sommets alpins sont suffisamment longs pour que le couvert végétal se soit uniformisé. C'est la position latitudinale et la superficie des sommets alpins qui exercent le plus d'influence sur la diversité floristique des îlots de toundra alpine. L'influence de la superficie sur la flore a trait au nombre d'espèces présentes sur les sommets alpins étudiés et sur la diversité végétale. La position latitudinale des sommets alpins a une influence sur la fréquence à laquelle les espèces arctiques, subarctiques et forestières apparaissent. Nos résultats permettent d'approfondir les connaissances sur la répartition des espèces arctiques et subarctiques. La structure de la végétation des sommets alpins étudiés est rudimentaire par rapport à celle de la végétation forestière adjacente. Seules quelques espèces arctiques et subarctiques sont présentes sur ces sommets. Le nombre d'espèces qui risqueraient de disparaître si les sommets de toundra alpine étaient recolonisés par la forêt est donc plutôt faible.

Ce mémoire porte sur le reboisement dans le nord de la province de Québec, un travail solitaire et difficile qui semble pouvoir être transformé en une expérience agréable sous certaines conditions. Je me suis intéressé à ces conditions en adoptant une perspective phénoménologique qui s'appuie sur la notion d'incorporation (embodiment) telle que développée par l'anthropologue Csordas et celle de discipline développée par Foucault. J'ai recueilli le matériel nécessaire par l'observation participante complétée par des entretiens. Les reboiseurs sont soumis à différentes techniques de discipline, chacune visant à augmenter leur productivité, généralement au prix de leur bien-être physique. / Je montre que ces techniques sont incorporées par les individus au point de normaliser la douleur corporelle provoquée par la tâche et les conditions générales de travail. J'explore ensuite comment la musique et l'imagination sont des ressources utilisées par les reboiseurs pour transformer cette expérience de souffrance en une expérience agréable. Grâce à la musique et à l'imagination, le reboiseur parvient à se connecter à des situations vécues ou projetées qui l'amènent à transcender l'immédiat, à rencontrer les exigences de productivité, voire à trouver un plaisir certain à ces séjours d'intense travail. Productivité, douleur, musique et imagination sont ainsi intimement nouées dans la production du sens que les reboiseurs donnent eux-mêmes à leur expérience.

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.

Note: a corner of paper is cut p. 176.

L'aménagement forestier durable, incluant la gestion écosystémique, passe nécessairement par une participation active des autochtones. Ceci est d'autant plus vrai sur YEeyou Astchee (nord du Québec) où les Cris détiennent des droits constitutionnels dans le régime forestier collaboratif. Sur YEeyou Astchee, les divergences culturelles et politiques entre Québec et les Cris ont limité la compréhension mutuelle et favorisé l'émergence de conflits, particulièrement au sujet de l'orignal, la principale espèce d'intérêt cri. Ainsi, les Cris demandent la protection permanente des habitats d'hiver de l'orignal, tandis que les gestionnaires forestiers considèrent la coupe forestière bénéfique pour l'espèce. Afin de contribuer à définir la participation nécessaire des Cris à la foresterie, nous avons développé des lignes directrices d'aménagement de l'habitat de l'orignal potentiellement plus durables et mieux adaptées au contexte culturel des Cris. Pour renforcer la compréhension mutuelle entre les gestionnaires Cris et non-Cris et favoriser l'acceptabilité des pratiques forestières, nous avons développé localement une connaissance intégrée crie et scientifique sur l'habitat de l'orignal. Nous avons documenté les connaissances cries sur l'orignal par le biais d'entrevues avec les chasseurs experts d'orignaux. Nous avons validé scientifiquement des hypothèses basées sur ce savoir écologique local en étudiant le comportement d'orignaux équipés de colliers GPS. Dans l'ensemble, les résultats scientifiques coïncident avec les connaissances cries. Ainsi, les deux approches montrent l'importance des habitats d'hiver (peuplements matures mixtes et de sapin baumier) et des zones riveraines, et permettent de mieux comprendre les impacts de la coupe totale sur l'orignal dans la pessière noire nordique. Pour répondre aux enjeux cris, nous avons développé nos lignes directrices d'aménagement de l'habitat de l'orignal sur la base de notre connaissance intégrée crie et scientifique, des stratégies de gestion existantes et convergentes avec les bonnes pratiques d'aménagement proposées par les Cris, et sur les principes de la gestion écosystémique. Les lignes directrices encouragent un aménagement et une connectivité plus adéquats des habitats d'hiver, des sites de mise bas et des écosystèmes riverains. L'utilisation de la connaissance intégrée semble une avenue prometteuse pour renforcer la compréhension mutuelle entre les gestionnaires cris et non-cris, et favoriser l'acceptabilité des lignes directrices d'aménagement qui en découlent.

Les propriétés hydrauliques d'un till du Nord du Québec en condition saturée et non saturée ont été étudiées en laboratoire à l'aide de l'essai de conductivité hydraulique et l'essai de succion qui permet d'obtenir la courbe de rétention d'eau. Les essais ont été réalisés avec des échantillons compactés sous différentes conditions de teneur en eau et de masse volumique sèche, de manière à évaluer l'influence de ces conditions sur les propriétés hydrauliques. Les études précédentes ont montré qu'une structure agrégée se développe dans le till lorsqu'il est compacté de côté sec de l'optimum Proctor, c'est-à-dire à un degré de saturation de compactage inférieur au degré de saturation optimum (Sr0 < Sr-opt). Le till étudié dans le cadre de cette étude diffère de ceux utilisés dans les études précédentes par son très faible pourcentage de particules argileuses (< 2 μm) de 0,7%. L'objectif principal de cette étude est d'évaluer l'influence des conditions de compactage sur la conductivité hydraulique et la courbe de rétention d'eau et de déterminer si une structure agrégée se développe lorsque le till est compacté du côté sec de l'optimum. Les résultats expérimentaux typiques de la conductivité hydraulique saturée obtenus pour les échantillons compactés du côté humide de l'optimum (Sr0 > Sr-opt) avec un indice des vides de 0,328 varient de 2,6 x 10-7 à 8,6 x 10-7 m/s. Les conductivités hydrauliques typiques obtenues pour les échantillons compactés du côté sec de l'optimum (Sr0 < Sr-opt) avec le même indice des vides étaient très similaires, variant entre 2,4 x 10-7 et 9,1 x 10-7 m/s. Les courbes de rétention d'eau mesurées en laboratoire sont très semblables entre elles, présentant toutes une structure de sol homogène, peu importe si l'échantillon a été compacté du côté sec ou du côté humide. Il apparait que la conductivité hydraulique et la courbe de rétention d'eau de ce till sont très peu influencées par le degré de saturation de compactage. Ceci peut être expliqué par le très faible pourcentage de particules argileuses, qui prévient la formation d'agrégations de particules dans la structure du till lorsqu'il est compacté du côté sec de l'optimum Proctor. Plusieurs modèles d'estimation de la conductivité hydraulique sont utilisés. Cette étude propose trois nouveaux modèles d'estimation de la conductivité hydraulique saturée pour les tills du Nord du Québec. Le premier modèle met en relation la conductivité hydraulique saturée avec le diamètre des grains de la fraction fine (d50 FF) et le deuxième modèle est une équation modifiée de Kozeny-Carman et Hazen basée sur la porosité et une taille de particule effective (d10). Finalement, un modèle permettant d'évaluer l'effet de l'agrégation avec l'équation de Kozeny-Carman modifiée dans les tills compactés est proposé.

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