La demande de fibres de sphaignes, particulièrement dans le domaine de l'horticulture, connait une croissance importante. En culture, les espèces ciblées, soit celles de la section Sphagnum, s'établissent difficilement sur tourbe nue lorsque les conditions d'humidité sont suboptimales. Un des moyens envisagés afin d'accroître leur productivité est de prendre avantage de l'établissement rapide des sphaignes de la section Cuspidata sur tourbe nue. Nous avons observé, lors de conditions de sécheresse prolongées, que la vitesse d'établissement des sphaignes de la section Sphagnum introduites avec S. fallax (section Cuspidata) pouvait être 2 fois plus élevée qu'en l'absence de cette dernière. Une autre hypothèse testée dans cette étude est que certaines plantes vasculaires favoriseraient entre 20 et 75 % la croissance verticale des sphaignes. Nos résultats préliminaires montrent qu'après une saison de croissance, une telle association ne semble pas favoriser la survie des fragments de sphaignes lorsque les conditions d'introduction sont déjà très humides.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La paludiculture sous forme de culture de sphaigne est définie comme la production durable de biomasse de sphaignes sur une base renouvelable et cyclique, souvent dans des tourbières ombrotrophes réaménagées. Il a été établi qu'un meilleur contrôle des paramètres hydrologiques, tels que la tension de l'eau dans la tourbe et la profondeur de la nappe phréatique, était l'un des facteurs clés pour obtenir un taux optimal de croissance des sphaignes. L'objectif du contrôle de ces paramètres hydrologiques est d'assurer un flux d'eau suffisant vers le capitule de la sphaigne pour soutenir sa croissance et son activité photosynthétique, qui est principalement produite dans cette partie de la plante. Cette thèse étudie la gestion de l'eau dans les bassins de production de sphaignes de manière à optimiser l'hydrologie du système de de culture, et en conséquence la croissance des sphaignes. Cette optimisation est notamment obtenue à travers la quantification du stress hydrique lié à la productivité des espèces de sphaigne et la modélisation du mouvement de l'eau dans les bassins de culture. Une première étape a été d'établir la relation entre la durée et la fréquence des stress hydriques et la croissance de la sphaigne. La compilation de cinq années de culture de sphaigne avec suivi de la croissance des mousses, à la fois dans des systèmes en tourbières réaménagées et dans des mésocosmes en serre, a été utilisée pour construire un ensemble de données couvrant une large variation de profondeurs de la nappe phréatique. Il convient préciser que dans les cultures de sphaigne sur des tourbières restaurées, le terme restauration fait référence à la gestion pour atteindre la ressemblance d'une condition antérieure. Cette étude appuie le constat que plus le stress hydrique est élevé, plus la productivité des espèces de sphaigne est faible. Dans le cadre de cette étude, le terme stress hydrique ou stress osmotique désigne le stress abiotique subi par une plante de sorte que le taux d'humidité des tissus végétaux est réduit à des niveaux sous-optimaux pour la photosynthèse. Avant de quantifier le stress hydrique, il faut connaître les profondeurs seuils de la nappe phréatique provoquant ces stress. Ces seuils changent entre les sous-genres d'espèces de sphaigne, étant plus élevé pour des espèces du sous-genre Acutifolia (Sphagnum flavicomans, Sphagnum fuscum et Sphagnum rubellum), suivi par le sous-genre Sphagnum (Sphagnum medium et Sphagnum papillosum) et ensuite par le sous-genre Cuspidata (Sphagnum fallax). Pour les systèmes de culture de sphaigne analysés, les profondeurs seuils de la nappe phréatique fluctuent entre 7 et 20 cm. Ces valeurs correspondent à des nappes plus élevées que celle rapportée dans la littérature pour la recolonisation des tourbières de sphaigne lors de projets de restauration, qui est de 40 cm, et ceci parce que dans la culture de sphaigne l'objectif est de maximiser la productivité, et pas seulement la survie des mousses à travers le temps. Une deuxième étude de ce projet de doctorat a été de quantifier le stress hydrique. Les indicateurs identifiés pour la quantification sont la somme des nappes journalières sous la profondeur de la nappe seuil identifiée (SEW) et nombre de jours où la nappe phréatique est sous la profondeur de la nappe seuil (NDW). Le SEW considère l'amplitude de la variation de la nappe phréatique et le NDW contemple la fréquence à laquelle la nappe phréatique se trouvait sous des profondeurs critiques pour la productivité des sphaignes. Toutefois, chacun de ces indicateurs nécessite des relevés quotidiens de la profondeur de la nappe phréatique. Cela étant dit, il est essentiel de disposer de relevés quotidiens de la nappe phréatique, ce qui n'est généralement pas le cas. Malgré cela, deux sources d'information sont utiles pour estimer la profondeur journalière : les relevés journaliers des puits de référence situés sur le même site, et les relevés manuelles disponibles qui sont collectées de façon hebdomadaire ou bimensuel pour tous les puits répartis sur le système de culture de sphaigne. Afin d'obtenir les valeurs quotidiennes de la nappe phréatique à partir de ces informations disponibles, des méthodes d'apprentissage automatique ont été identifiées et elles sont couramment utilisées dans ce type d'application. Ces méthodes permettent d'obtenir une erreur d'estimation allant jusqu'à 4.6 cm, ce qui, pour cette application, est une erreur majeure. Pour cette raison, il a également été décidé de développer une nouvelle méthode basée sur la décomposition des séries temporelles, et elle est la plus performante parmi toutes les méthodes utilisées avec une erreur d'estimation de moins de 3 cm et un coefficient de détermination de 0,95. L'un des grands avantages de cette méthode de décomposition des séries temporelles est qu'elle ne nécessite ni entraînement ni estimation des paramètres de calibration, ce qui permet une application facile non seulement dans la culture de sphaignes mais aussi dans les projets de tourbières remouillées. Cette étude a également permis d'évaluer la fréquence des mesures dans les puits manuels et son influence sur l'erreur d'estimation. La réduction de la fréquence des mesures d'une fréquence bimensuelle à une fréquence hebdomadaire entraîne une diminution de l'erreur de 16 % et l'augmentation à une fréquence mensuelle augmente l'erreur de 13 %. Autrement dit, par rapport aux mesures hebdomadaires, la fréquence mensuelle augmente l'erreur de 29 %. Le troisième focus de cette étude a été d'analyser les fluctuations de la nappe phréatique en fonction des caractéristiques physiques et hydrauliques du système et de l'écoulement souterrain estimé. À cette fin, un modèle a été développé sur la base de l'équation de Boussinesq et qui considère la stratification du milieu, tel que le profil de tourbe où la culture de la sphaigne est aménagée. La performance du modèle, qui prédit 91 % de la variation observée du niveau de la nappe phréatique, est le résultat de la combinaison de la mesure continue du niveau d'eau dans les canaux d'irrigation, les mesures sur place des précipitations, l'approximation de l'évapotranspiration par un modèle utilisant des mesures de la température et de la radiation extraterrestre, ainsi que les mesures in-situ de la conductivité hydraulique saturée par la méthode de la tarière manuelle en milieu stratifié. Un résultat important de ce chapitre est l'exploration de micro-canaux d'irrigation creusés dans un bassin déjà établie afin d'améliorer son hydrologie. Ces canaux de section rectangulaire de 20 cm x 20 cm, espacés de 10 m et reliés au canal périphérique principal, ont permis une amélioration du réseau hydraulique des canaux d'irrigation en réduisant l'espacement entre les canaux, qui était initialement de 20 m entre canaux périphériques. En somme, en plus de répondre spécifiquement à trois défis de la gestion de l'eau en culture de sphaigne, cette thèse fournit une compréhension améliorée du stress hydrique saisonnier chez les espèces de sphaigne, et une vision plus claire du mouvement des eaux souterraines dans les tourbières ombrotrophes réaménagées. Plusieurs des résultats illustrés dans cette thèse sont déjà appliqués dans les systèmes de culture de sphaigne de l'est du Canada. / Sphagnum farming or Sphagnum cultivation is defined as the sustainable production of Sphagnum biomass on a renewable and cyclical basis, often in restored ombrotrophic peatlands. Improved control of hydrological parameters, such as peat water tension and water table depth, has been identified as key factors in achieving optimal Sphagnum growth rates. The objective of controlling those hydrological parameters is to ensure sufficient water flow to the Sphagnum capitula to support its growth and photosynthetic activity, which is primarily occurring in this part of the plant. This thesis studies water management in Sphagnum production systems to optimize the hydrology of the cultivation basins, and consequently of Sphagnum growth. This optimization is achieved through the quantification of water stress related to the productivity of Sphagnum species and the modeling of the water movement in the cultivation basins. A first part of this study addresses the relationship between duration and frequency of water stress and Sphagnum growth. The data compilation of five years of Sphagnum farming monitoring the growth of the mosses, both in managed peatland systems and in greenhouses mesocosms, was used to construct a data set covering a wide variation in water table depths. It is worth pointing out that in the context of Sphagnum cultivation on restored peatlands, the term restored refers the practices to achieve the resemblance of a previous condition. This study reinforces the idea that the higher the water stress, the lower the productivity of Sphagnum species. In this study, the term water stress or osmotic stress refers to abiotic stress experienced by a plant and its tissue moisture content is reduced to suboptimal levels for photosynthesis. Before quantifying water stress, it is necessary to know the water table depth thresholds causing water stress. These thresholds depths of water table vary between subgenera of Sphagnum species, being highest for species tested within subgenus Acutifolia (Sphagnum flavicomans, Sphagnum fuscum et Sphagnum rubellum), followed by subgenus Sphagnum (Sphagnum medium and Sphagnum papillosum) and then by subgenus Cuspidata (Sphagnum fallax). For the Sphagnum farming systems analyzed, the thresholds depths of water table fluctuate between 7 and 20 cm. These values correspond to higher water tables than the ones reported in the literature for allowing good recovery of restored of bogs, which is 40 cm, and this is because in Sphagnum farming the objective is to maximize productivity, not just the survival of the mosses through time. A second area of study in this doctoral thesis was to quantify water stress. The indicators identified for quantification are the sum of daily water tables below the identified threshold depth of water table (SDW), and the number of days the water table is below the threshold depth (NDW). The SWE considers the magnitude of water table variation and the NDW contemplates frequency of water table being below the critical depths for Sphagnum productivity. However, each of these indicators requires daily water table depth records. Hence, the prerequisite of daily water table depths, which is generally not available. Despite of this, tow sources of information are useful for estimating daily depth: daily readings from reference wells located on the same site, and available manual readings that are collected on a weekly or bi-weekly basis for all wells distributed over the sphagnum growing system. To obtain daily water table depths from this available information, machine learning methods have been identified. These methods allow to obtain an estimation error up to 4.6 cm, which for this application we consider to be a major error. For this reason, it was also decided to develop a new method based on time series decomposition. This last method was the one that shown the best performance among the methods used with an estimation error of less than 3 cm and a coefficient of determination of 0.95. A major advantage of the new method is that it does not require training or estimation of calibration parameters, which allows easy application not only in Sphagnum farming but also in rewetted peatland initiatives. This study also evaluated the influence of the frequency of measuring the water table depth in the wells to be estimated on the estimation error. Reducing the measurement frequency from bimonthly to weekly results in a 16% decrease in error and increasing to monthly increases the error by 13%. In other words, compared to weekly measurements, monthly frequency increases the error by 29%. The third focus of this study was to analyze the fluctuations of the water table depth as a function of the physical and hydraulic characteristics of the system and the estimated groundwater flow. For this purpose, a model was developed based on the Boussinesq equation and which considers the stratification of the media, such as the peat profile where Sphagnum moss is grown. The performance of the model, which predicts 91% of the observed variation of the water table, is the result of the combination of continuous measurement of the water level in the irrigation canals, on-site measurements of precipitation, approximation of evapotranspiration by a model using field measurements of temperature and extraterrestrial radiation, and in-situ measurements of saturated hydraulic conductivity by using the auger hole method in stratified media. An important outcome of this chapter is the implementation of micro irrigation channels dug in an already established Sphagnum farming basin to improve its hydrology. These micro shallow channels, with a rectangular cross-section of 20 cm x 20 cm were spaced 10 m apart and connected to the main peripheral channel. These have allowed and improvement of the hydraulic network of irrigation channels by reducing the spacing between channels, which was initially 20 m apart. In short, in addition to specifically addressing three water management challenges in Sphagnum culture, this thesis provides an improved understanding of seasonal water stress in Sphagnum species, and a clearer understanding of groundwater movement in rehabilitated ombrotrophic peatlands. Many of the results illustrated in this thesis are already being applied in Sphagnum farming systems in eastern Canada.

La culture de sphaigne est la production durable de biomasse de sphaigne sur une base renouvelable et cyclique. Un système de contrôle de l’eau est nécessaire pour maintenir le niveau de la nappe phréatique à une valeur définie au cours de la saison de croissance dans un contexte de conditions climatiques variables. Peu d’information et de documentation sont disponibles concernant la conception et l’opération de systèmes de contrôle de l’eau dans les bassins de culture de sphaigne. Les objectifs de ce projet sont de définir, concevoir et réaliser le système de drainage et d’irrigation souterraine pour la culture de sphaigne et de développer un système de contrôle correspondant aux contraintes du site de Shippagan au Nouveau-Brunswick installé en 2014. La définition d’un système d’irrigation et de drainage adapté est basée sur les connaissances du drainage et de l’irrigation en agriculture et des besoins physiologiques de la sphaigne. Le développement des équipements a été réalisé en adaptant les concepts du système aux contraintes du site. L’analyse du système comprend les mesures à effectuer, les éléments à contrôler et les consignes d’opération. Les appareils de mesure du niveau de l’eau permettent d’évaluer et de transmettre au contrôle central les niveaux d’eau des fossés et de la nappe phréatique. Le contrôle central analyse les conditions et contrôle les pompes et les barrages à hauteur variable. L’énergie est fournie par un système de panneaux solaires et de batteries. Les barrages à hauteur variable permettent d’ajuster le niveau d’eau dans les fossés. Le système et les équipements développés répondent aux objectifs de conception. Des améliorations et une optimisation sont à faire. Le système permettra de continuer les travaux notamment au niveau de la modélisation de l’écoulement de l’eau et du contrôle prédictif. / Sphagnum farming is the cultivation of Sphagnum mosses to produce biomass of non-decomposed Sphagnum fibers on a cyclic and renewable basis. A water control system is required to maintain the water table level through the season, in the context of variable weather conditions. A drainage and sub-irrigation system has been designed and installed in 2014 on the Sphagnum farming site near Shippagan (N.B). The objectives of this project are to define the drainage and irrigation system for Sphagnum farming and develop an adapted system for the site. The design of the system is based on the Sphagnum requirements, agricultural knowledge of drainage and irrigation and respect of site constrains. Water level measurement equipment allows evaluation and transmission of the water table level and the water level in ditches to the central control. The central control analyzes the conditions and control the pumps and the variable level dams. The energy is supplied by a system of solar panels and batteries. The variable level dam adapts the water output level in the control structure. The developed system achieves the design objectives. Improvement and optimization are planned. The system will be the basis of future research, in particular about flow modeling and predictive control.

Dans un contexte de réchauffement climatique, la fonction puits de carbone des tourbières à sphaignes est susceptible d'être altérée en raison d'une modification des interactions sphaignes-microorganismes, responsables de l'accumulation de carbone. L'objectif de cette thèse a été (1) d'identifier les interactions chimiques entre les polyphénols des sphaignes et les communautés microbiennes des sphaignes et (2) d'évaluer l'impact du réchauffement climatique sur ces relations.Un dispositif expérimental (Open Top Chambers) simulant in situ une hausse modérée des températures (+ 1°C) a été installé sur la tourbière de Frasne (25). La hausse des températures a provoqué une modification du réseau alimentaire microbien avec l'augmentation de la biomasse des bactéries et une baisse importante (-70%) de la biomasse des prédateurs (amibes à thèque). Le réchauffement climatique a également induit une baisse de la production de polyphénols, diminuant ainsi leur effet inhibiteur sur les microorganismes. En parallèle à cette baisse, une hausse des activités enzymatiques phénoloxydases a également été enregistrée. Le réchauffement a ainsi modifié les relations polyphénols - phénoloxydases, deux éléments essentiels du cycle du carbone des tourbières.Les différents changements induits par le réchauffement climatique (polyphénols, phénoloxydases, réseau trophique microbien) ont aussi conduit à une modification des relations " sphaignes-microorganismes " via une accélération potentielle du recyclage des nutriments, ce qui pourrait influencer sur le long terme le fonctionnement de l'écosystème tourbière.

Dans le cas particulier des tourbières à sphaignes affectées par l'exploitation horticole par aspiration, l'objectif à long terme de la restauration écologique est de ramener l'écosystème à un état fonctionnel et autosuffisant, assurant entre autre le rétablissement du cycle des éléments nutritifs et permettant l’accumulation de nouvelle matière organique. Pour déterminer le succès de l'intervention il est donc nécessaire de se tourner vers une approche capable de relier les éléments structuraux et fonctionnels de l'écosystème et d'intégrer une dimension plus dynamique, dans l'espace et dans le temps. Durant mon doctorat, j’ai analysé le retour de ces fonctions dans la tourbière restaurée de Bois-des-Bel à l'aide de différentes approches. Tout d'abord, j'ai étudié l'évolution temporelle de la composition chimique de la tourbe, de l'eau et des tissus de trois espèces végétales (Chamaedaphne calyculata, Sphagnum spp., et Polytrichum strictum) pour les sept premières années suivant la restauration. J'ai établi que la restauration permet une recharge en élément nutritifs suffisante pour compenser les carences des terrains mis à nu par l'exploitation, tel que révélé par la composition chimique des tissus végétaux. J'ai ensuite caractérisé le compartiment microbien (taille, composition et activité) et la physico-chimie de la tourbe suivant la restauration, à travers deux études. La première a mis en évidence que la restauration amène une augmentation de la quantité d'éléments nutritifs, de la biomasse microbienne et de l'activité des micro-organismes dans les horizons supérieurs. Cependant la faible qualité du carbone composant la tourbe fortement décomposée ne permet pas un rétablissement des populations microbiennes aussi rapide que le retour de la végétation. La seconde étude montre que la production de CO2 et de CH4 en conditions anaérobies dans la tourbe de la section restaurée s'apparente davantage à celle de la tourbe non-restaurée qu'à celle de la tourbe naturelle. Enfin, j'ai complété une étude innovatrice sur les relations unissant la composition de la végétation en surface, les conditions environnementales; la structure du compartiment microbien et son potentiel pour la décomposition en tourbière restaurée. TI en ressort que le retour de la sphaigne et de certaines éricacées modifie la structure du compartiment microbien et son potentiel pour la décomposition. De plus, j'ai démontré que le potentiel de décomposition est largement influencé par les conditions environnementales, notamment la présence et l'épaisseur du tapis de sphaignes et la masse volumique apparente sèche, mais aussi par la structure du compartiment microbien. / In the particular case of cutover Sphagnum peatlands, the long-term objective of ecological restoration is to bring back the ecosystem to a functional and self-sustainable state. Among other, this means a system where the nutrient cycle is efficient, and where the organic matter can accumulate actively. Hence, in a long term perspective, it is necessary to find a monitoring approach capable of linking the structural and functional aspects of the ecosystem together, one that would integrate a more dynamic dimension to evaluate success. During my PhD, I evaluated the return of these functions in the Bois-des-Bel restored peatland, using different approaches. To begin with, I studied the temporal evolution of chemistry in the peat, the water and the tissues of three plant species (Chamaedaphne calyculata, Sphagnum spp., and Polytrichum strictum). I established that restoration allows a sufficient nutrient recharge to outcome the deficiencies visible in the cutover section, as reflected by plant tissue chemistry. Then, I characterized the microbial compartment (size, composition and activity) and the physicochemistry of the peat, following restoration through two studies. The first of two studies showed that restoration augments nutrient quantity, microbial biomass and microbial activity in the surface layers; however, the recovery of the microbial compartment is delayed in comparison with the return of a typical vegetation cover, as a consequence of the poor quality of carbon and organic matter in the highly decomposed peat. The second study demonstrated that under anaerobic conditions, restored peat is more similar to non-restored than natural peat in terms of CO2 and CH4 dynamics. Finally, 1 explored the relations linking above-ground vegetation composition, environmental conditions, below-ground microbial structure and. decomposition potential. This unique research work revealed that the return of mosses and ericaceous shrubs modifies the structure and the decomposition potential of the microbial community. Moreover, it highlighted that the latter was also greatly influencedby environmental factors, notably Sphagnum presence and thickness as well as peat bulk, density, but also by the structure of the microbial community.

Le patron de buttes et de dépressions représente l'hétérogénéité, au niveau de la microtopographie, de la plupart des tourbières ombrotrophes. L'évolution du patron a souvent été expliquée par les propriétés intrinsèques et hydro-physiques des sphaignes ainsi que par les interactions entre les plantes vasculaires et les sphaignes. Le but du projet de recherche est de déterminer si l'initiation du patron de buttes et de dépressions dans les tourbières ombrotrophes boréales est possible dans un court laps de temps grâce aux propriétés intrinsèques des espèces végétales présentes et aux interactions interspécifiques. Les tourbières restaurées ou abandonnées avec un retour spontané de la végétation ont été utilisées comme modèles. Dans les tourbières restaurées, nous avons démontré que 10 à 30 ans sont nécessaires pour le développement de microstructures comparables à celles des tourbières naturelles. Par contre, les microstructures dans les tourbières abandonnées sont encore différentes à celles des tourbières naturelles 70 ans après l'abandon. Le retour d'une végétation typique dans le gradient de buttes et de dépressions est également moins rapide que l'apparition des structures elles-mêmes. Notre étude donne des preuves de l'utilité des plantes vasculaires pour la formation et le maintien des buttes. La croissance verticale des sphaignes est favorisée par la structure des plantes vasculaires lorsque leur couvert est faible et que les conditions climatiques ne sont pas optimales. Une augmentation du couvert des plantes vasculaires empêche la formation d'un tapis de sphaignes dense et réduit l'accumulation de biomasse. Conséquemment, les buttes ne peuvent pas se former sous des densités importantes de plantes vasculaires. L'étendue et le chevauchement interspécifiques les plus grands ont été observés dans les tourbières naturelles. Les différences les plus importantes sont visibles entre les tourbières abandonnées et naturelles et une situation intermédiaire est présente dans les tourbières restaurées. Aucunes des hypothèses associées au concept de niches écologiques (p. ex. hypothèses du gradient de stress ou du chevauchement maximal) ne semblent expliquer parfaitement comment les niches réalisées des espèces préférentielles aux tourbières dominées par les sphaignes se développent, peu importe le niveau de perturbations. Finalement, les espèces ont des niches réalisées semblables dans les tourbières naturelles de l'est et de l'ouest du Canada. Les indices d'étendue et de chevauchement ont ainsi permis de vérifier les observations faites sur le terrain pour la position des espèces dans le gradient de buttes et de dépressions.

Contexte et objectif : Les tourbières agissent comme de vastes réservoirs de carbone (C) en raison d'une production plus élevée de matière organique par rapport à sa décomposition. Malheureusement, les tourbières ont subi des transformations significatives par le passé, liées notamment à des activités humaines comme le drainage et l'extraction de tourbe. Ces perturbations ont augmenté la décomposition de la matière organique, d'où la transformation de puits de C à long terme en sources de C atmosphérique. Le remouillage est utilisé comme outil d'ingénierie écologique pour améliorer les propriétés hydrophysiques des tourbières perturbées, permettant de limiter les émissions de C et de fournir un substrat approprié pour la restauration des tourbières et la culture de la sphaigne. Un autre outil, soit l'addition de composés phénoliques, a été testé en laboratoire dans le passé pour évaluer si le mécanisme de verrou enzymatique (MVE) peut réduire la décomposition de la matière organique, mais plusieurs résultats rapportés semblent contradictoires. Par conséquent, cette thèse vise à évaluer l'effet du remouillage et l'ajout de produits phénoliques sur le renforcement du MVE, et à évaluer comment ce mécanisme peut limiter la décomposition de la matière organique dans deux modèles expérimentaux, soient des tourbières qui n'ont pas été restaurées après l'extraction de la tourbe et un site de culture de sphaigne au Québec (Canada). Cette thèse se divise en trois sous-objectifs : le premier se concentre sur les tourbières non restaurées après extraction de la tourbe et les deux autres sur un système de culture de sphaigne. Matériel et méthodes : Pour le 1er sous-objectif concernant la gestion des planches d'exploitation, une expérience impliquant le remouillage et trois traitements phénoliques a été menée sur deux secteurs de tourbières non restaurées à la suite à l'extraction horticole de la tourbe (NR) qui différaient selon le nombre d'années depuis la fin d'extraction (NR-1 an et NR-41 ans). Pour le 2e sous-objectif concernant la gestion de cultures de sphaignes, une expérience avec trois traitements phénoliques a été établie dans deux bassins de culture de sphaigne dominés par les sous-genres Acutifolia ou Sphagnum. Pour le 3e sous-objectif toujours en relation avec la gestion de cultures de sphaignes, une expérience avec trois traitements phénoliques a été menée dans des bassins de cultures ayant deux stades de développement de tapis de sphaignes du sous-genre Acutifolia : tapis établis d'un an et de neuf ans en âge. Des copeaux broyés de biomasse aérienne fraîche de Picea mariana (testés uniquement dans le 1er sous-objectif), des granules de bois, de vieilles racines récoltées lors du hersage de la tourbe et un traitement témoin sans ajout représentaient les traitements phénoliques. L'efficacité des traitements a été mesurée par les échanges de dioxyde de carbone (CO₂), la concentration de composés phénoliques solubles dans la tourbe et l'activité des enzymes extracellulaires. La productivité (pour le 2e sous-objectif) et l'accumulation de la biomasse de sphaignes (pour les 2e et 3e sous-objectifs) ont également été prises en compte. Résultats : Les résultats du 1er sous-objectif ont montré que le niveau de la nappe phréatique des deux secteurs de tourbières non restaurées n'a que légèrement augmenté à la suite du remouillage. Les émissions de CO₂ et l'activité des enzymes de polyphénol oxydase et des hydrolases n'ont pas été affectées par le remouillage et l'ajout de produits phénoliques. Dans le sous-objectif, l'ajout de produits phénoliques a mené à des émissions de CO₂ plus élevées par rapport au témoin pour les deux sous-genres, Acutifolia et Sphagnum. L'addition de composés phénoliques n'a pas augmenté la concentration en composés phénoliques solubles dans la tourbe, ni la productivité et l'accumulation de biomasse de sphaigne pour les deux sous-genres. L'activité des différentes enzymes étudiées n'a pas été limitée en réponse aux additions phénoliques. Les résultats du 3e sous-objectif ont révélé que les ajouts phénoliques étaient incapables de limiter les émissions de CO₂ et l'activité enzymatique aux deux stades de développement des tapis de sphaignes du sous-genre Acutifolia. Conclusion : Cette étude n'a pas réussi à démontrer le renforcement du MVE en réponse au remouillage et à l'ajout de composés phénoliques. Pour le 1er sous-objectif, les conditions oxiques dues à un niveau bas de la nappe phréatique (< -45 cm) n'auraient pas déclenché le verrou enzymatique. Pour tous les sous-objectifs, le non-renforcement du MVE pourrait être l'absence d'effets inhibiteurs des composés phénoliques testés. Nous pensons également que les émissions élevées de CO₂ détectées dans cette étude pourraient être liées à la décomposition des produits phénoliques. Bien que le MVE n'ait pas été validé dans ces expériences de terrain à court terme, cette étude a contribué à la compréhension du MVE en réponse à des applications de produits phénoliques. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour identifier des produits phénoliques susceptibles de limiter la décomposition de la tourbe. Également, la comparaison des variables environnementales entre les couches superficielles de la tourbe avec les couches plus profondes dans le profil de tourbe pourrait aider à améliorer notre compréhension du MVE et par conséquent des processus de décomposition en tourbière. / Background and aim : Peatlands act as vast carbon (C) reservoirs due to an imbalance between higher organic matter production compared to its decomposition. Unfortunately, in the recent past, considerable changes such as drainage and peat extraction due to anthropogenic activities have been impacting peatlands. These land conversions disturbed the functioning of peatlands by increasing organic matter decomposition: hence converting long-term C sink to atmospheric C source. Previously, ecological engineering tools such as rewetting was used to reverse hydro-physical properties of peatlands that can limit C emissions and provides better substrate conditions conducive to Sphagnum farming. Also, another tool could be phenolic addition as trialed at lab-based level to test the enzymic latch mechanism (ELM) but reports from the literature reveal contradictory results. Therefore, this dissertation aimed to assess the role of rewetting (blocking former ditches with dams) or enhanced rewetting (by an irrigation system through channels) with phenolic additions on strengthening of the ELM. More specifically, to test how ELM can limit peat decomposition in two experimental models such as post-extracted unrestored peatlands and Sphagnum farming system in Québec, Canada. This thesis is therefore divided into three sub-objectives: the first one focused on post-extracted unrestored peatlands and the other two sub-objectives were focused on Sphagnum farming system. Material and methods : For the first sub-objective related to management of post-extracted peat fields, an experiment involving rewetting along with three distinct phenolic treatments was conducted on two post-extracted unrestored (UNR) sectors (young and old) that differed in age (UNR-1 yr and UNR-41 yr) since the horticultural peat extracting activities ceased. For the second sub-objective aiming to improve Sphagnum culture, an experiment with the addition of three phenolic treatments was established in two cultivation basins dominated by the Acutifolia or Sphagnum subgenus species in a Sphagnum farming system. For the third sub-objective, an experiment with three phenolic treatments was conducted on two developmental stages -- 1 yr-established carpet and 9 yr-established carpet -- with Sphagnum species of the Acutifolia subgenus. The developmental stages refer to the cultivation age of carpets composed of Acutifolia subgenus species in a Sphagnum farming system. The phenolic treatments were: Picea mariana aboveground fresh wood chips (used only in the first sub-objective) or wood pellets (wood), old roots from peat harrowing (root), and a subplot with no additions (control). The effectiveness of treatments was assessed mainly by carbon dioxide exchange, peat soluble phenolics and extracellular enzyme activities. Sphagnum productivity (for the second sub-objective) and biomass accumulation (for the second and third sub-objectives) were also accounted. Results : In the case of first sub-objective, water table level at UNR-1 yr sector was slightly increased as a result of rewetting (-48 cm) compared to non-rewetted (-57 cm) plots. Largely, carbon dioxide (CO₂) emissions, phenol oxidase, and hydrolase enzyme activities at both UNR sectors were not inhibited in response to rewetting and phenolic additions. As for second sub-objective, phenolic additions showed higher CO₂ values (more CO₂ release compared to CO₂ uptake) as net ecosystem exchange compared to control for both Acutifolia and Sphagnum subgenus carpets. Phenolic additions were unable to induce positive effect on peat soluble phenolics, productivity, and biomass accumulation within both subgenera Sphagnum carpets. Enzyme activities were not limited in response to phenolic additions also for both subgenera Sphagnum carpets. For the third sub-objective, phenolic additions were unable to limit CO₂ emissions and enzyme activities at both developmental stages of Acutifolia subgenus Sphagnum carpets. Conclusion : The results of the three experimental approaches showed little support in the strengthening of ELM in response to rewetting and phenolic treatments. Specifically for the first sub-objective, we assumed that oxic conditions due to still low water table level (< -45 cm) did not create enzymic latch, which is required for strengthening of ELM. Overall, for all sub-objectives, another reason for failure in detecting ELM could be absence of inhibitory effects of phenolic additions on enzyme activities. We also assumed that higher CO₂ emissions detected in this study might be linked with the decomposition of phenolic products themselves. Though ELM in response to rewetting and phenolic additions on these short- term field experiments is not validated, this study has contributed to greater understanding of the ELM in response to field phenolic additions. Still, further research is warranted to compare environmental variables between the top surface and vertical peat profile depth to better understand rewetting and phenolic addition effects on peat decomposition processes. Also, additional investigations are required to identify phenolic products that could limit peat decomposition.

Les tourbières ombrotrophes (bogs) sont connues pour être des puits de carbone, en partie, en raison de leur résistance et leur résilience au feu. Ainsi, dans un contexte de changement climatique où plusieurs politiques incitent à diminuer les émissions de carbone vers l’atmosphère, on vise la restauration rapide de toute tourbière dégradée. L’industrie horticole canadienne a développé une méthode de restauration écologique prometteuse. Plus de 100 sites ont été restaurés au Canada et malgré plusieurs indicateurs de succès du fonctionnement de l’écosystème, on espère que les jeunes sites récemment restaurés seront résistants et résilients au feu. Toutefois, peu d’études concernent la réponse d’un écosystème restauré à une perturbation ultérieure à la restauration et aucune ne concerne la réponse au feu d’une tourbière restaurée. À la fin de l’été 2014, un feu s’est déclaré dans une tourbière brûlant partiellement un secteur restauré vieux de dix ans et un secteur naturel avoisinant. Cela offre la première occasion d’observer la réponse au feu d’une tourbière restaurée. Cette étude se divise en deux objectifs:1) déterminer si la capacité d’accumulation de carbone et le recouvrement végétal sont similaires entre les zones brûlées et non brûlées du secteur restauré, une saison de croissance après le feu; 2) comparer la reprise muscinale après feu entre le secteur restauré et le secteur naturel. Le taux de production de phytobiomasse était semblable entre les zones brûlées et non brûlées et le recouvrement végétal des zones brûlées retournait à un état semblable aux zones non brûlées à la fin de la première saison de croissance après le feu pour le secteur restauré. Les buttes de sphaignes du secteur restauré ont mieux résisté au feu et affichent une meilleure récupération initiale de la strate muscinale que le secteur naturel. Cette étude montre une tendance vers la résilience au feu des bogs restaurés. / Ombrotrophic peatlands (bogs) are known to be Carbone sink partially because of their resistance and resilience to fire. In a global climatic change context with politics aiming toward a reduction of atmospheric Carbone emission, a quick restoration of every degrade peatlands is desirable. The Canadian horticultural industry developed a promising peatland restoration technique. More than 100 sites were restored in Canada and despite many success indicators, we still hope that restored peatlands are resistantandresilient to fire. Indeed, few studies assess an ecosystem response to a disturbance happening after restorationandnone evaluates the response to fire of restored peatlands. At the end of summer 2014, a fire occurred in a Southern Quebec bog, partially burning a ten years old restored sectoranda natural one nearby providing the first opportunity to study the response to fire of a restored peatland. This research is divided in two objectives: 1) determine if the peat accumulation potentialandplant cover are the same between the burnedandunburned parts of the restored sector one growing season after fireand2) compare the mosses strata recovery between the naturalandthe restored sectors. The phytobiomass production rate was similar between the burnedandunburned parts of the restored sectorandthe burned parts plant cover growths significantly during the first growing season after fire, even reaching a similar level as the unburned parts for some areas. Sphagnumhummocks of the restored sectors showed a better resistanceandrecovery than the one in the natural sector. Thus, this study shows a tendency to resilience to fire of restored ombrotrophic peatlands.

Dans un contexte de réchauffement climatique, la fonction puits de carbone des tourbières à sphaignes est susceptible d’être altérée en raison d’une modification des interactions sphaignes-microorganismes, responsables de l’accumulation de carbone. L’objectif de cette thèse a été (1) d’identifier les interactions chimiques entre les polyphénols des sphaignes et les communautés microbiennes des sphaignes et (2) d’évaluer l’impact du réchauffement climatique sur ces relations.Un dispositif expérimental (Open Top Chambers) simulant in situ une hausse modérée des températures (+ 1°C) a été installé sur la tourbière de Frasne (25). La hausse des températures a provoqué une modification du réseau alimentaire microbien avec l’augmentation de la biomasse des bactéries et une baisse importante (-70%) de la biomasse des prédateurs (amibes à thèque). Le réchauffement climatique a également induit une baisse de la production de polyphénols, diminuant ainsi leur effet inhibiteur sur les microorganismes. En parallèle à cette baisse, une hausse des activités enzymatiques phénoloxydases a également été enregistrée. Le réchauffement a ainsi modifié les relations polyphénols – phénoloxydases, deux éléments essentiels du cycle du carbone des tourbières.Les différents changements induits par le réchauffement climatique (polyphénols, phénoloxydases, réseau trophique microbien) ont aussi conduit à une modification des relations « sphaignes-microorganismes » via une accélération potentielle du recyclage des nutriments, ce qui pourrait influencer sur le long terme le fonctionnement de l’écosystème tourbière. / Carbon stocks of Sphagnum-peatlands are likely to be altered by climate warming due to important changes in “Sphagnum-microorganisms” relationships which are responsible for carbon sequestration. The objectives of the thesis are (1) to identify the chemical interactions between Sphagnum-polyphenols and Sphagnum associated microbial communities and (2) to understand the impact of warming on these relationships.An experimental design using Open-Top-Chambers (OTC) was used to simulate an increase of air temperatures (+1°C) on a peatland situated in Jura Mountains (Frasne, 25). Temperature increase induced a modification of the microbial food web with an increase of the biomass of bacteria and a strong decrease of the biomass of top-predators (-70%), i.e. testate amoebae. Warming also induced a decrease of Sphagnum-polyphenols, diminishing their inhibitory effect on microbial communities. In parallel, an increase of phenoloxidase enzymatic activities was recorded in OTC. Climate warming thus modified polyphenol-phenoloxidase interplay, two crucial components of carbon cycle in peatlands. Warming effects on the different components – i.e. polyphenols, phenoloxidases, microbial food web – induced a modification of Sphagnum-microbial communities interplay, favoring carbon and nutrient recycling, which could alter peatland functioning in long-term.

Les tourbières ont stocké un tiers du carbone organique des sols mondiaux (C) malgré une superficie ne représentant que 3% de la surface terrestre. Cependant, en réponse aux changements globaux, les tourbières boréales et tempérées, majoritairement dominées par des sphaignes, peuvent être envahies par des plantes vasculaires susceptibles de modifier la dynamique du C dans ces écosystèmes. Cette thèse vise à étudier comment la présence des plantes vasculaires affecte le cycle du C des tourbières à sphaignes. Ces travaux ont porté principalement sur une plante envahissante de nombreuses tourbières, Molinia caerulea, via une étude en mésocosmes. Les expérimentations montrent que les plantes vasculaires sont à la fois favorables à la croissance des sphaignes et à la décomposition des litières. In fine, les résultats montrent que la présence de Molinia caerulea augmente la capacité de stockage du C dans les mésocosmes de sphaignes (30 to 220 gC stock m⁻² an⁻1), probablement liée à la forte productivité racinaire de cette plante. Cependant, cela semble s’opérer au détriment du C déjà stocké dans la tourbe avec une stimulation des microorganismes à travers la production d’exsudats racinaires. Ces derniers semblent également, d’une part promouvoir la consommation du C organique dissous et les émissions de CO₂ et de CH₄ observées en présence de Molinia caerulea, et d’autre part être responsables de la modification de la sensibilité à la température des exports de C via des changements des communautés microbiennes. L’impact de Molinia caerulea sur les microorganismes va aussi altérer ceux impliqués dans le cycle du N et entrainer une diminution des émissions de N₂O. / Peatlands have stored a third of the soil organic Carbon (C) in only 3% of the land area. However, in response to global change, boreal and temperate peatlands may shift from Sphagnum to vascular plant-dominated peatlands that may alter their C-sink function. This thesis aims at providing a better understanding of the vascular plants interactions in a Sphagnum dominated peatland and their implications on the C cycle. This work mainly focus on the invasion of a graminoid plant, Molinia caerulea, through a mesocosm experiment. Results from experiments show that vascular plants are both able to promote the growth of Sphagnum mosses as well as the decomposition of their litter. Molinia caerulea occurrence appears to increase the C sink capacity of Sphagnum peat mesocosms passing of 30 to 220 gC stock m⁻² y⁻1. This capacity of Molinia caerulea to store C is probably due to it high roots productivity. However, it also seems to stimulate the decomposition of ‘old’ C, stored as peat, by stimulating microorganisms activity through roots exudates. These latter also promote the dissolved organic C consumption and CO₂ and CH₄ emissions observed with Molinia caerulea occurrence, as well as the temperature sensitivity of C exports by altering the microbial communities. Molinia caerulea impacts on microorganisms also affect N cycle conducting to a decrease of N₂O emissions in these ecosystems.