Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Le lac Saint-Charles est utilisé comme réserve d'eau potable pour plus de 230 000 résidents de la Ville de Québec. En 2006, une première prolifération importante de cyanobactéries y a été signalée. L'objectif de ce mémoire est de caractériser la limnologie du lac Saint-Charles sur une période de deux ans afin de mieux comprendre les facteurs de contrôle des populations de cyanobactéries ainsi que les sources potentielles d'eutrophisation. Les analyses de la qualité de l'eau montrent que les concentrations de phosphore total de l'épilimnion, en moyenne 10 [mu]g L⁻¹, n'ont pas changé de manière significative au cours des 30 dernières années et elles indiquent un niveau oligo-mésotrophe. Cependant, la transparence de l'eau et la concentration de chl α indiquent plutôt un niveau méso-eutrophe. D'autres indices comme le déficit en oxygène dans les sections les plus profondes du lac et la prolifération de cyanobactéries formant des fleurs d'eau suggèrent aussi que le lac est à un stade mésotrophe avancé. L'analyse de la communauté de phytoplancton a révélé de grandes variations interannuelles dans sa composition taxonomique. En 2007, la communauté de phytoplancton a été dominée par deux espèces de cyanobactéries qui forment des fleurs d'eau (Microcystis aeruginosa et Anabaena cf. flos-aquae) alors qu'en 2008, il n'y a pas eu de fleurs d'eau de cyanobactéries et la communauté de phytoplancton était dominée par des chrysophytes flagellés. L'échantillonnage complet réalisé en 2007 et 2008 offre l'opportunité d'évaluer les facteurs pouvant être responsables de ces variations. Comme le phosphore est l'élément qui limite la croissance du phytoplancton et des cyanobactéries au lac Saint-Charles, nous avons tenté d'identifier les sources principales de cet élément à partir de données mesurées et modélisées. Nos résultats indiquent que le bassin versant de la rivière des Hurons est la principale source de phosphore et qu'il existe une forte relation entre la concentration de phosphore total et le débit dans cette rivière. Les périodes de crue auraient, par conséquent, un impact majeur sm- les charges en phosphore du lac. Nos résultats suggèrent aussi que les stations d'épuration ont un impact notable sur les charges en phosphore des deux principaux affluents du lac Saint-Charles, ce qui peut mener à des répercussions négatives sur la qualité de l'eau du lac.

La surface des tourbières minérotrophes que l'on trouve dans le Haut-Boréal québécois est constituée de deux éléments principaux : des lanières de végétation et des mares qui alternent de manière plus ou moins ordonnée. La surface de ces tourbières est dégradée par un phénomène nommé aqualyse, qui consiste en la formation et l'agrandissement des mares. La végétation meurt noyée dans les dépressions inondées. Une analyse morphométrique a été menée sur les tourbières des hautes terres de la Baie de James afin de mieux comprendre cet écosystème. L'analyse de la dynamique des mares dans des tourbières de superficie variable et à différents degrés de dégradation a été effectuée. Un modèle conceptuel du développement des tourbières a été conçu à l'aide des données quantitatives et spatiales de la répartition des mares dans le but d'avoir une meilleure compréhension de l'évolution de l'aqualyse. L'abondance, la superficie, la profondeur, le type de contour et la forme des mares ont été mesurés dans 4881 mares réparties dans 24 tourbières. Le modèle est basé principalement sur la structure de taille des mares, c'est-à-dire le nombre de mares présentes selon leur superficie. L'étude révèle que les tourbières minérotrophes de la Baie de James sont diversifiées tant par leur structure de surface que par leur degré de dégradation par l'aqualyse. La superficie et le degré de pente contribuent positivement au développement de la structure de la surface de la tourbière. La superficie du bassin versant, la structure de la surface et l'épaisseur de tourbe favorisent l'aqualyse d'une tourbière tandis que la pente nuit au processus. Les structures de taille des mares indiquent que les populations de mares sont soit en expansion, à l'équilibre ou en transition. Le modèle présenté suggère que davantage de tourbières à fort degré d'aqualyse seront présentes dans le futur dans le Haut-Boréal québécois à cause de la hausse des précipitations reliée au réchauffement climatique.

Dans cette étude, la performance d'espèces arbustives dominantes a été étudiée au Mont de La Passe (altitude de 1242 mètres) dans le Parc National de la Gaspésie (PNG) le long d'un gradient altitudinal. Une cartographie récente (2008) de la limite altitudinale des formations de krummholz ainsi qu'une comparaison de photographies aériennes (1975 et 2004) ont été effectuées afin de déceler une possible expansion de la limite de certaines espèces arbustives ou une densification de leur population. De plus, un suivi phénologique, la récolte de fruits ainsi que la récolte d'individus ont été effectués dans cinq étages de végétation (forêt ouverte (1), subalpin (2), alpin inférieur (3), alpin moyen (4) et alpin supérieur (5)). Cet échantillonnage a permis d'analyser l'efficience de la reproduction sexuée de Betula glandulosa, d'Empetrum hermaphroditum, de Vaccinium uliginosum et de Vaccinium vitis-idaea ainsi que la croissance radiale de B. glandulosa. Au Mont de La Passe, une densification des espèces arbustives les plus abondantes semble être en cours depuis le milieu des années 1970. La densification observée se concentre dans l'étage de végétation alpin inférieur, près de la limite altitudinale des formations de krummholz. La répartition des espèces ainsi que leur performance reproductive et de croissance semblent être influencées par la modification des conditions climatiques survenant avec l'augmentation de l'altitude, ainsi que par la compétition présente dans les étages de plus basse altitude. V. uliginosum, qui montre une production de fruits supérieure vers le sommet et un taux moyen de germination élevé similaire tout le long du gradient, semble être davantage influencé par la compétition et être une espèce tolérante à la rigueur du climat. D'autres espèces semblent davantage affectées par ces conditions climatiques rigoureuses et connaissent de meilleures performances en plus basse altitude, comme E. hermaphroditum. Toutefois, l'étude d'individus de B. glandulosa révèle que la température des deux dernières décennies serait un facteur d'importance expliquant l'augmentation de la croissance radiale observée dans les étages de végétation alpins moyen et supérieur. Ainsi, la performance accrue des principales espèces arbustives présentes en grande abondance au Mont de La Passe pourrait être due, en partie, au réchauffement que connaît la région depuis peu. Ces espèces pourraient dès lors se propager vers de plus hautes altitudes, menaçant les quelques espèces arctiques-alpines (Diapensia lapponica, Loiseleuria procumbens, Rhododendron lapponicum, etc.) confinées aux sommets et présentes en faible abondance. La bonne croissance et le succès reproducteur des individus d'espèces arbustives à port érigé des étages alpins laissent croire à une possible fermeture du couvert arbustif vers le sommet, phénomène pouvant conduire à une perte de biodiversité au Mont de La Passe dans les prochaines décennies.

Au sein du réseau alimentaire arctique, la morue arctique (Boreogadus saida) est le lien trophique principal entre le zooplancton et les prédateurs supérieurs tels que les phoques et les oiseaux marins. Un mode de vie associé à la glace et une physiologie spécialisée en font une espèce particulièrement vulnérable à la réduction prédite de la banquise et au possible envahissement de sa niche écologique par des espèces généralistes boréales. Dans le contexte actuel de réchauffement climatique, particulièrement intense dans l’Arctique, la connaissance des facteurs contrôlant le devenir de cette espèce clé est essentielle. Le but de cette thèse est l’identification des processus nécessaires et suffisants à inclure dans un modèle mathématique pour simuler de façon réaliste la croissance et la survie du stade larvaire de ce poisson. Un modèle individu-centré a été développé et validé à l’aide d’observations recueillies dans la polynie des eaux du Nord (Baie de Baffin) et la polynie des eaux du Nord-est (Mer du Groenland). La température, la concentration et la qualité des proies ont dû être prises en compte pour reproduire la croissance observée et ses différences régionales. La pression de prédation a été simulée à l’aide d’une mortalité taille- et croissance-dépendante qui a permis l’élimination sélective des individus petits et croissant lentement. Le modèle a également pris en compte la date d’éclosion des individus afin de reproduire les différences dans la trajectoire de vie entre les individus ayant éclos avant et après l’ouverture de la polynie. Ainsi, les larves hâtives ont crû plus lentement que les larves tardives en raison des faibles températures, mais cette tendance s’inversait si l’épuisement des réserves vitellines des larves hâtives coïncidait avec une période de concentration élevée de proies. Une méthode inédite de sous-échantillonnage des résultats du modèle prenant en compte l’âge, la date d’éclosion et la position géographique des individus capturés in situ, reproduisit les discontinuités inévitablement présentes dans les observations in situ. Cette méthode a amélioré la validation du modèle, permis l’identification de ses faiblesses et indiqué de nouvelles directions de recherche. Le sous-échantillonnage des résultats du modèle peut servir à une vaste gamme d’applications dans le domaine de la modélisation individu-centrée et est applicable a tout modèle tentant de simuler des organismes pouvant être âgés. / Within the Arctic food web, Arctic cod (Boreogadus saida) is the dominant trophic link between zooplankton and higher predators such as seals and sea-birds. An ice-dependent lifestyle and a specialized physiology make this species particularly vulnerable to the predicted reduction in ice-cover and the potential invasion of its ecological niche by boreal generalists. With the unfolding of climate warming which is particularly intense in the Arctic, it is essential to document the factors that control the fate of this key species. The primary focus of this thesis is the identification of the necessary and sufficient processes required in a mathematical model to realistically simulate the growth and survival of the larval stage of Arctic cod. An individual-based model was developed and validated with observations collected in the North Water (Baffin Bay) and the Northeast Water (Greenland Sea). Temperature, as well as the concentration and quality of prey were necessary to reproduce observed growth and its regional differences. Predation pressure was simulated using a length- and growth-dependent mortality which allowed the selective elimination of small and slow-growing individuals. The model took into account the hatch-date of individuals to reproduce differences in life trajectory among individuals hatched before and after the polynya opened. For instance, early hatchers grew slower than late hatchers due to lower temperatures, but this trend was reversed if the yolk exhaustion of early hatchers coincided with high prey concentrations. A novel method of model output sub-sampling accounting for the age, hatch-date and geographical position of individuals captured at sea, reproduced the inevitable discontinuities that plague field observations. This method improved model validation, allowed weaknesses to be identified and highlighted new research directions. The model output sub-sampling has wide-ranging applications in individual-based modeling and is applicable to any model attempting to simulate organisms that can be aged.

Un problème rencontré par plusieurs espèces animales est qu'elles retrouvent rarement toutes les composantes essentielles à leur survie et leur reproduction au même endroit. Ainsi, le comportement de sélection d'habitat et d'approvisionnement des herbivores résulte de compromis entre l'acquisition de nourriture et l'exposition à des facteurs limitants, comme la prédation ou les coûts de thermorégulation et de locomotion. Les cerfs de Virginie (Odocoileus virginianus) de l'île d'Anticosti sont à l'extrémité d'un continuum de conditions environnementales, où la forte saisonnalité de cet écosystème boréal, l'absence de prédateurs et le broutement intensif exposent les cerfs à des conditions environnementales extrêmes, permettant de mieux comprendre comment les individus modifient leur comportement selon les contraintes du milieu. Grâce au suivi d'individus en milieu naturel, ma thèse examine comment le comportement de sélection d'habitat et d'approvisionnement change selon les variations spatiotemporelles de la nourriture et des conditions météorologiques. Durant l'été, l'absence de prédation permet aux cerfs d'adopter un comportement facilitant l'acquisition d'énergie, car ils sélectionnent leur habitat à plusieurs échelles spatiales principalement en fonction de l'abondance de la nourriture et ils maintiennent un budget d'activité et des déplacements élevés, ce qui favorise la prise alimentaire. Durant l'hiver, les cerfs répondent positivement à des sources alternatives de nourriture dont la disponibilité résulte d'événements stochastiques, comme les vents violents ou une couche nivale épaisse et compacte. Afin de compenser pour l'imprévisibilité de l'accès au brout, aux chutes de litière et aux arbres renversés lors de chablis, les cerfs adoptent un comportement qui favorise la probabilité d'accès à ces sources de nourriture à plusieurs échelles. Les cerfs ajustent aussi leur budget d'activité et leurs déplacements pour conserver l'énergie. Lorsque les ressources préférées sont limitées au cours des deux saisons, les cerfs sélectionnent des mosaïques d'habitats hétérogènes ou des milieux où la diversité végétale est grande. Ainsi, ma thèse montre que les contraintes du milieu peuvent moduler les compromis entre l'acquisition de nourriture et l'exposition aux facteurs limitants. La grande plasticité comportementale des cerfs illustre à quel point notre connaissance des relations plantes-herbivores gagne à être approfondie car leurs implications pour l'aménagement et la conservation des écosystèmes sont multiples.

Les surabondances de cerfs peuvent nuire à la régénération forestière et modifier les communautés végétales et ainsi avoir un impact sur plusieurs groupes d'arthropodes. Dans cette étude, nous avons utilisé un dispositif répliqué avec trois densités contrôlées de cerfs de Virginie et une densité non contrôlée élevée sur l'île d'Anticosti. Nous y avons évalué l'impact des densités de cerfs sur les communautés de quatre groupes d'insectes représentant un gradient d'association avec les plantes, ainsi que sur les communautés d'arthropodes herbivores, pollinisateurs et prédateurs associées à trois espèces de plantes dont l'abondance varient avec la densité de cerfs. Les résultats montrent que les groupes d'arthropodes les plus directement associés aux plantes sont les plus affectés par le cerf. De plus, l'impact est plus fort si la plante à laquelle ils sont étroitement associés diminue en abondance avec la densité de cerfs. Les insectes ont également démontré une forte capacité de résilience. / Deer overabundances can be detrimental to forest regeneration and can modify vegetal communities and consequently, have an indirect impact on many arthropod groups. In this study, we used a replicated exclosure system with three controlled white-tailed deer densities and an uncontrolled high deer density on Anticosti Island. The impact of deer density on the communities of four insect groups following a gradient of association with plants was studied alongside with the communities of herbivorous arthropods, pollinators and plant dwelling predators associated with three plant species whose abundance varies with deer density. The results revealed that arthropod groups more closely associated to plants were more strongly affected by deer density. Furthermore, the impact was stronger if the abundance of the plant to which they are closely associated decreased with deer density. Overall, insects appeared to be highly resilient to deer overabundance.