Dans le contexte actuel de réchauffement climatique, les impacts de ces changements climatiques se font déjà ressentir dans les régions subarctiques telles qu’à Umiujaq au Nunavik (Québec) dont notamment la dégradation du pergélisol. Les processus physiques à l’origine de cette dégradation demeurent peu documentés. L’objectif principal du projet de recherche est d’étudier l’impact de la variabilité spatiale des conditions de surface sur la dégradation du pergélisol. Pour atteindre cet objectif, des photographies infrarouges de buttes de pergélisol à Umiujaq ont été prises pour identifier les conditions de surface caractéristiques du site d’étude. Selon ces différentes conditions, trente-cinq sondes autonomes de température ont été enfouies sous la surface du sol pour assurer un suivi horaire des variations de température de surface. Les relations entre les températures de surface et la température de l’air montrent que les conditions de surface contrôlent de manière significative la transmission de la chaleur à l’interface air-sol et le régime thermique du pergélisol permettant l’identification d’une séquence de dégradation du pergélisol (en ordre décroissant : ostioles, lichens et mousses, développement de mares de themokarst et arbustation). Les suivis des températures de surface et de l’air ont été utilisés pour contraindre un modèle numérique qui simule la transmission de chaleur par conduction et advection dans le pergélisol. Ce modèle a été soumis à une période d’entraînement et à la variabilité climatique récente. Différents scénarios de réchauffement climatique, de développement d’une mare de thermokarst ainsi que d’invasion de la végétation ont été ensuite considérés. Les résultats des simulations démontrent que la modification des conditions de surface peut entraîner une augmentation des températures de la butte de pergélisol jusqu'à 1,5 °C, la migration de la base du pergélisol jusqu’à 4 m vers la surface et la diminution de l’extension de la butte de pergélisol jusqu’à 7 m. / In the current context of global warming, the impacts of climate change including permafrost degradation are already being felt in subarctic regions such as Umiujaq in Nunavik (Quebec). The physical processes causing this degradation are poorly documented. The main objective of the research project is to study the impact of the spatial and temporal variability of surface conditions on heat transfer at the airsurface interface as well as on permafrost degradation. To achieve this objective, infrared photographs of several permafrost mounds at Umiujaq were taken to identify the characteristic surface conditions of the study site. Based on these different conditions, thirty-five autonomous temperature probes were buried below the ground surface to monitor surface temperature variations on an hourly basis. The relationships between the surface temperatures and air temperature show that the surface conditions significantly control heat transfer at the air-surface interface as well as the thermal regime of the permafrost allowing the identification of a permafrost degradation sequence (in decreasing order : mudboils, lichens and mosses, development of thermokarst lakes and shrubbification). This monitoring of air and surface temperatures was used to constrain a numerical model of advectiveconductive heat transfer in permafrost terrain. A training period was first considered and then the observed climate variability was reproduced in the model. Different scenarios of global warming, formation of a thermokarst pond and vegetation invasion were considered. Simulated results show that changes in surface condition can result in an increase of temperatures in the permafrost mound up to 1.5 °C, the migration of the permafrost base up to 4 m towards the surface and a decrease in the extent of the permafrost mound up to 7 m.

Titre de l'écran-titre (visionné le 25 octobre 2023) / Au Québec, la production maraîchère en champ s'effectue en grande partie sur les sols organiques cultivés de la Montérégie. Ces sols deviennent cultivables à la suite du drainage de tourbières minérotrophes qui s'avèrent hautement fertiles, avec des taux de matière organique pouvant dépasser les 90 %. En revanche, l'abaissement du niveau de la nappe d'eau entraîne inexorablement un déclin des propriétés agronomiques et de la hauteur de sol cultivable causé par l'affaissement, l'érosion et la minéralisation de la matière organique. Ce dernier mécanisme cause la perte de carbone du sol vers l'atmosphère sous forme de CO₂. Dans le but de mettre sur pied une stratégie de conservation de ces sols, ce mémoire a pour objectifs de quantifier les émissions de CO₂ et d'identifier les paramètres édaphiques et météorologiques qui influencent leur intensité. À cette fin, cinq (5) sites en champ ont été sélectionnés en fonction de leur taux de matière organique (MO) pour représenter un large éventail du degré de composition du sol, soit F1 à 52.2 % MO, F2 à 56.7 % MO, F3 à 74.0 % MO, F4 à 77.4 % MO et F5 à 91.3 % MO. Tous les sites à l'exception de F3 étaient dépourvus de végétation alors que ce dernier avait une importante présence de miscanthus. Les émissions de CO₂ du sol furent mesurées avec des chambres statiques manuelles sur une durée d'un an (septembre 2021 à septembre 2022) à une fréquence bimensuelle. Les résultats montrent des pertes brutes de carbone annuelle de 4.94 Mg C-CO₂ ha⁻¹ an⁻¹ pour F1, de 5.47 Mg C-CO₂ ha⁻¹ an⁻¹ pour F2, de 15.30 Mg C-CO₂ ha⁻¹ an⁻¹ pour F3, de 7.62 Mg C-CO₂ ha⁻¹ an⁻¹ pour F4 et de 3.20 Mg C-CO₂ ha⁻¹ an⁻¹ pour F5. Les paramètres ayant influencé significativement et positivement ces flux sur toute la période étudiée furent les températures (du sol et de l'air), le carbone labile, l'azote total et le pH alors que la teneur en eau du sol a été corrélée négativement. Les pertes annuelles de carbone ont également été corrélées exponentiellement à l'activité microbiologique totale du sol, montrant l'importance de mesurer des paramètres biologiques pour étudier la minéralisation de la matière organique. Une expérience en serre a également été réalisée avec les mêmes cinq (5) sols. Cependant, dû à l'augmentation de la concentration en sel dans les sols, aucune conclusion n'a pu être retenue excepté la relation de toxicité entre la conductivité électrique, l'activité microbiologique totale et les émissions de CO₂. Ces données permettront d'aller plus en avant dans la modélisation de la dégradation des sols organiques cultivés afin de développer des solutions d'intervention pour la préservation de ces sols. / In Québec, agri cultura hortensis in agris maxima ex parte in solis organicis cultis Montérégie agitur. Hi soli cultibiles fiunt post drenationem paludibus mineralitrophicis, quæ valde fertilis sunt cum materia organica ultra 90% superare possit. Sed deminutio aquæ stagnantis altitudinis necessario causat decrementum proprietatum agronomicarum et altitudinis soli cultibiles per subsidium, erosionem et mineralisationem materiae organicæ. Ultimum mechanisma perdita carbonis soli in atmosphaeram sub formā CO2 efficit. Hoc opus, ut strategiam conservationis solium constituat, emittendi CO2 quantitatem determinare et edaphicos meteorologicosque parametros identificare intendit, qui eorum magnitudinem influunt. Quinque (5) loci in agris electi sunt propter quantitatem materiae organicæ (MO) ut varietatem compositionis soli repraesentent: F1 52.2% MO, F2 56.7% MO, F3 74.0% MO, F4 77.4% MO et F5 91.3% MO. Omnes loci excepto F3 vegetatu carent, F3 vero miscanthi copiosa præsentia est. Emittendi CO2 soli mensi sunt caminis staticis manualemensurati per annus spatium (Septembris 2021 ad Septembris 2022) bis vel ter hebdomade. Resultata ostendunt carbonis annuum brutum amissionem 4.94 Mg C-CO2 ha-1 an-1 pro F1, 5.47 Mg C-CO2 ha-1 an-1 pro F2, 15.30 Mg C-CO2 ha-1 an-1 pro F3, 7.62 Mg C-CO2 ha-1 an-1 pro F4 et 3.20 Mg C-CO2 ha-1 an-1 pro F5. Parametros, quae significanter influent haec fluxa per totum periodum studiatum, sunt temperatura (soli et aeris), humiditas soli, carbonis labilis, nitrogenium totale et pH. Carbonis amissiones annuæ etiam exponetialiter cum activitate microbiologica totali soli correlantur, ostendendo importentiam biologicos parametros metiendi ad materiae organicæ mineralisationem studiandam. Experimentum in vitro etiam est factum cum iisdem quinque (5) solis. Ceterum, ob salis concentationem in solis auctam, quæ respirationem microorganismorum inhibet, nullum conclusio potuit obtineri praeter toxicitatis relationem inter conductivitatem electricam, activitatem microbiologicam totalem et CO₂ emissiones. Hæ data progrediendo ad modelationem solium organicorum cultorum degradationis adiuvabunt, ut interventiones ad solium præservandum elaborentur.

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 le Haut-Boréal québécois, les tourbières minérotrophes structurées semblent affectées par une dégradation relativement récente de leur surface se manifestant par la formation et l'agrandissement de mares, ainsi que par une réduction du couvert arborescent. Nous avançons l'hypothèse que la hausse des précipitations depuis le milieu du XVIIIe siècle est à l'origine de ce phénomène désigné par le néologisme aqualyse. Plusieurs profils stratigraphiques échantillonnés le long de transects longitudinaux et transversaux ont permis de documenter le développement holocène de quatre tourbières minérotrophes structurées. La datation au radiocarbone effectuée sur près de la moitié de ces profils montre que les tourbières se sont installées entre 7400 et 6500 ans cal. BP, soit immédiatement après les retraits glaciaire et marin. Les tourbières étaient alors de type minérotrophe forestière. Des conditions climatiques plus humides depuis 3000 ans cal. BP ont entraîné une hausse de la nappe phréatique et du taux d'accumulation, de même qu'un déboisement généralisé des tourbières. La confection 4e courbes isochrones et la datation dendrochronologique des arbres morts trouvés dans les mares indiquent que celles-ci se sont formées pendant le dernier millénaire et que, depuis les derniers siècles, l' aqualyse a connu un essor sans précédent, ce qui appuie notre hypothèse de départ. L'accumulation de la tourbe dans les buttes et les platières des quatre tourbières a été analysée à l'aide des plantules de mélèze et d'épinette. Les taux d'accumulation récents varient grandement d'une plantule à l'autre, mais ils tendent à diminuer avec le temps en raison de la compaction et de la décomposition. Les taux d'accumulation récents des buttes sont supérieurs à ceux des platières, mais la différence est réduite d'environ 75 % après une cinquantaine d'années. Contrairement aux taux d'accumulation à long terme obtenus par la datation 14C, les taux d'accumulation récents des secteurs où les mares sont présentes sont plus faibles que ceux des secteurs terrestres. Ce renversement de tendance est associé à un excès d'eau depuis les derniers siècles. En l'absence d'une diminution significative et prolongée des précipitations, l' aqualyse se poursuivra et continuera de compromettre la capacité de stockage du carbone dans les tourbières minérotrophes.