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Peatland ecological engineering : testing an approach to strengthen enzymic latch mechanism and impede carbon emissions in post-extracted unrestored and Sphagnum farming system

Asif, Talal 06 February 2025 (has links)
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.

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