On estime qu'environ 50% des milieux humides mondiaux ont été détruits et convertis en terre agricole et en milieu urbain. Ces milieux humides sont d'importants écosystèmes qui jouent non seulement un rôle fondamental dans la préservation de la biodiversité, mais aussi dans le maintien de la qualité et de la quantité d'eau potable contenue dans les rivières et aquifères environnants. Ce projet de recherche avait pour objectif de quantifier les échanges entre le complexe tourbeux de Lanoraie, les rivières présentes sur le territoire et l'aquifère des sables du delta de Sorel. Une compilation des données existantes et des mesures de terrain (GPS différentiel, relevés de coupes stratigraphiques, niveaux de nappe, débits) ont permis de caractériser la tourbière et l'aquifère régional. À l'aide de ces données, un modèle hydrostratigraphique 3D a été construit. Quatre types d'écoulement ont été identifiés : 1) un écoulement suivant la topographie de l'aquifère vers la zone minérotrophe de la tourbière, 2) un écoulement suivant la topographie de la zone ombrotrophe à la zone minérotrophe, 3) un écoulement alimentant les rivières présentes sur le territoire (Saint-Joseph, Point-du-Jour, Saint-Jean, Saint-Antoine et Bras du sud-ouest) et 4) un écoulement de la tourbière à l'aquifère sableux de l'ancien delta de Sorel. L'ensemble de ces travaux a été utilisé pour construire un modèle numérique en régime permanent à l'aide du logiciel MIKE SHE. Focalisant sur les échanges aquifère-tourbière-rivière et l'impact potentiel des changements climatiques extrêmes sur les niveaux de nappes et les débits de base des différentes rivières, le modèle a permis de montrer qu'il existe des liens hydriques importants entre l'aquifère du delta de Sorel, le complexe des tourbières de Lanoraie et les rivières environnantes. Par exemple, les résultats du modèle numérique montrent que 1) 52% de l'eau qui circule annuellement dans la tourbière vient directement de l'aquifère sableux de l'ancien delta de Sorel, 2) les débits de base des différentes rivières environnantes sont constitués majoritairement (48% à 100%) d'eau ayant préalablement circulée dans le complexe tourbeux de Lanoraie et 3) des diminutions de 20% et 50% de la recharge annuelle causeraient des diminutions de 16% et 41% respectivement, en moyenne, des débits de base de la région, ce qui pourrait avoir des conséquences importantes sur les réserves en eau et l'écologie des rivières. Ce projet de recherche montre que la préservation des réserves hydriques de la région de Lanoraie passe non seulement par la protection de la ressource en eau potable et des rivières, mais aussi celle du complexe tourbeux. Ceci est encore plus vrai dans un contexte de changement climatique et de pressions anthropiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Tourbières, aquifère, rivière, Mike SHE, changement climatique, Lanoraie

La bordure côtière de la Côte-Nord de l'estuaire maritime et du golfe du Saint-Laurent est caractérisée par la présence de plusieurs complexes deltaïques au sommet desquels se révèle un faciès sédimentaire complexe et original, la tourbe. Des études récentes sur les falaises de dépôts meubles dans le nord de l'Atlantique montrent que la stratigraphie est un facteur déterminant de la sensibilité des côtes à l'érosion. À notre connaissance, les falaises à sommet tourbeux n'ont fait l'objet d'aucune recherche approfondie à ce jour. Les études indiquent qu'il est impératif d'établir un bilan saisonnier de l'érosion côtière, sans lequel de nombreux processus passent inaperçus et sans lequel les moments de recul sont difficilement identifiables et quantifiables. Dans le contexte des changements climatiques, la compréhension de la dynamique des falaises à sommet tourbeux est essentielle puisque les tourbières jouent un rôle important dans le cycle biogéochimique du carbone et que leur érosion est une perte nette de cet élément vers l'estuaire et le golfe du Saint-Laurent. Ce projet vise d'une part à comprendre le comportement des falaises à sommet tourbeux de la Côte-Nord du Saint-Laurent en fonction de leur litho-stratigraphie et des conditions environnementales et climatiques qui les affectent et d'autre part à quantifier le rythme de recul de ces falaises à l'échelle historique récente (depuis les années 1930), à l'échelle annuelle et à l'échelle saisonnière. Cinq tourbières localisées sur les complexes deltaïques des rivières Betsiamites, Manicouagan-Outardes, Saint-Jean et Natashquan ont été étudiées dans le cadre de ce projet. Entre 1930 et 2006, les taux de déplacement moyens annuels obtenus par photo-interprétation indiquent une valeur de -0,78 m/an pour l'ensemble des falaises à sommet tourbeux étudiées sur la Côte-Nord, mais certaines tourbières ont des taux moyens annuels aussi élevés que -2,00 m/an. Ces taux n'ont pas été constants dans le temps et certaines périodes ont été plus érosives que d'autres. C'est notamment le cas des années 1996-2005, caractérisées par des températures plus élevées que la normale et l'occurrence de plusieurs épisodes de pluies diluviennes. La fin de la décennie 1960 et la décennie 1970 a connu une fréquence importante de tempête, ce qui s'est aussi manifesté par des vitesses de recul plus élevées. À l'exception de la tourbière de Pointe-Lebel, dont la vitesse de recul historique et récente est restée la même, tous les sites ont des taux de recul annuels plus élevés entre 2009 et 2011 qu'à l'échelle historique. En effet, des relevés saisonniers de bornes implantées derrière le trait de côte des falaises ont révélé un taux de déplacement moyen annuel de -1,14 m/an entre 2009 et 2011 pour l'ensemble des falaises étudiées. Ils s'étendent cependant entre -0,28 et -2,69 m/an selon les sites. Les relevés indiquent aussi que l'érosion a eu lieu à toutes les saisons, mais que l'automne (particulièrement en 2010) et l'hiver (particulièrement en 2011) ont été propices au recul des falaises. À l'automne 2010, une forte tempête dans l'estuaire et le golfe du Saint-Laurent jumelée à des pluies abondantes ont provoqué le recul de la côte principalement par le biais du sapement par les vagues et de la suffosion dans le cas des sédiments non cohésifs, et des coulées boueuses, des décrochements superficiels et des glissements rotationnels dans le cas des sédiments cohésifs. En ce qui a trait aux reculs hivernaux, les nombreux cycles de gel-dégel et les redoux favorisés par les températures relativement chaudes des dernières années ont initié de la gélifraction et des coulées boueuses, particulièrement efficaces dans les sédiments silto-argileux formant la base de la majorité des falaises étudiées. La combinaison de ces conditions climatiques automnales et hivernales ont permis des vitesses de recul plus rapides que celles généralement observées à l'échelle historique. L'étude des modes de recul a permis de démontrer que les écoulements hydrogéologiques sont prépondérants, principalement par le biais de la suffosion. L'ampleur des reculs causés par ce processus est étroitement liée à l'épaisseur de l'unité sableuse qui repose sur des silt-argileux. Les processus gravitaires tels que les effondrements, les décrochements superficiels et les glissements rotationnels sont liés à la hauteur des talus, mais leur occurrence est elle aussi reliée aux écoulements souterrains. Quant aux processus hivernaux, ils dominent sur les falaises possédant une épaisse unité silto-argileuse. Ils sont particulièrement efficaces lors d'un enneigement faible de la côte, condition qui est favorisée par une arrière-côte à végétation arborescente, par des parois verticales et par l'absence de pied de glace. Cette recherche a également permis de démontrer l'importance d'évaluer l'érosion côtière en termes de volume puisque deux falaises dont le rythme de recul est très différent peuvent pourtant contribuer de manière similaire au bilan sédimentaire. À l'échelle historique, entre 290 et 865 m3/m de sédiments ont été érodés des falaises et une superficie totale de 612 700 m2 de tourbière est disparue pour les cinq sites à l'étude seulement. La hauteur des falaises et le mode de recul ont été identifiés comme des facteurs déterminants pour expliquer cette variabilité. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Érosion côtière, falaises, dépôts meubles, quantification des processus d'érosion, tourbières côtières.

Cette recherche réalisée dans le cadre d'un projet visant à développer les méthodes de caractérisation des eaux souterraines à l'aide des traceurs isotopiques a été entreprise grâce à un financement du FRQNT (programme partenariats-actions concertées sur les eaux souterraines). Ce projet de maîtrise s'est intéressé à la région de l'Abitibi-Témiscamingue. L'objectif était de quantifier l'apport d'eau souterraine aux tourbières à l'aide du 222Rn. Le 222Rn, radionucléide (demi-vie de 3.82 jours), produit par le 226Ra issu de la chaîne de désintégration de 238U, est un excellent traceur pour étudier les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Les tourbières étudiées sont situées sur les flancs des eskers de Saint-Mathieu-de-Berry et de Barraute, de même que sur la moraine d'Harricana. Les sites expérimentaux ont été instrumentés et caractérisés dans le cadre d'un autre projet de recherche également financé par le FRQNT. L'eau recueillie montre des activités en 222Rn de 2,8 à 34,9 Bq/L dans les eaux des eskers et du socle fracturé archéen au-dessous des plaines séparant les eskers. L'activité en 222Rn varie de 0,02 à 16,59 Bq/L dans les eaux de tourbières. Aussi, les tourbières montrent une bonne corrélation entre l'activité du 222Rn et les ions totaux dissous, et plus particulièrement les ions HCO3-, SO42-, Mg2+ et Ca2+. La relation établie entre le 222Rn et la profondeur permet de conclure que la salinité de l'eau provient en grande partie des eaux des eskers. Un bilan de masse entre les eaux de l'aquifère, riches en 222Rn et les eaux de tourbières appauvries en sels et en 222Rn, permet d'estimer qu'entre 0,03 et 39% de toute l'eau qui alimente les tourbières provient de l'eau souterraine des eskers. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : 222Rn, tourbière, esker, eau souterraine, eau de surface, traçage, Abitibi-Témiscamingue.

Ce travail a porté sur l'étude de la structure et de la dynamique des bio(géo)macromolécules de la tourbière des Sagnes (Limousin, France) à l'aide de méthodes de dégradation chimiques et thermochimiques. La première partie a été consacrée à l'application de méthodes de dégradation chimiques pour apprécier l'impact d'une perturbation argileuse contemporaine sur la tourbière étudiée dans le cadre d'un partenariat entre l'université de Poitiers et AREVA. La tourbière présente un fonctionnement normal : activité microbienne et apport de matière organique en surface (acrotelme et mésotelme) et état du sédiment profond (catotelme) non perturbés. La seule influence notable du dépôt argileux, c'est l'augmentation apparente de l'activité de bactéries sulfato-réductrices sous sa zone de dépôt. Une seconde partie de développement analytique a tout d'abord porté sur l'évaluation de la capacité de la thermochimiolyse préparative en présence de TMAH d'analyser en un temps court et simultanément plusieurs familles de biogéomarqueurs. Pour cela, les résultats obtenus ont été comparés avec ceux obtenus par les méthodes chimiques habituellement utilisées. Compte-tenu des différents mécanismes impliqués, la thermochimiolyse apparait plus comme une méthode complémentaire. Enfin, une nouvelle méthode d'analyse des sucres (utilisation du bromure d'acyle) a été développée. Cette méthode a permis l'analyse sélective des sucres de la fraction lignocellulosique (principalement xylose et arabinose). / The purpose of this work was to study the structural composition, and consequently, dynamics of bio(geo)macromolecules of the Sagnes peatland (Limousin, France) by chemical and thermochemical degradation techniques. The first part constituted a framework between the university of Poitiers and AREVA and aimed to present a molecular inventory of a peat disturbed by a clay deposit. Results show that the clay deposit has no significant impact on the peatland evolution: microbial activity and production in the upper layer (acrotelm and mesotelm) and no apparent modification of the deepest organic sediment in the bottom layer (catotelm). Only phospholipid analysis showed an increase in sulfate-reducing bacteria under the clay deposit zone. The second part consisted of comparative studies between the most used chemical and thermochemical techniques for molecular characterization. Thermochemolysis should be viewed and used as a pertinent and a complementary method for the analysis of complex environmental systems. Finally, a novel technique using acetyl bromide allows the specific analysis of ligno-cellulosic carbohydrates (especially xylose and arabinose).

L'extraction de la tourbe pour en produire des substrats horticoles entraine la perte de leur capacité à séquestrer le carbone (C) dans les sols. Cependant, depuis plus d’une trentaine d’années, de nombreuses tourbières se sont vues restaurées et dans certains cas des mares sont intégrées. Les mares de tourbières sont présentes surtout dans les régions côtières et maritimes et sont généralement émettrices de C, à l’inverse des tourbières. Or, les mares sont des micro-habitats ayant un grand potentiel lié à la biodiversité et jouent ainsi un rôle très important pour de nombreuses espèces. De manière générale, la mesure du succès de la restauration des mares se concentre surtout sur le retour des espèces végétales typiques des mares naturelles et la présence d’un niveau d’eau constant à l’année. Très peu d’études se concentrent sur la biogéochimie des mares pour évaluer le succès de la restauration. Mon projet de recherche vise à évaluer le succès de la création des mares dans les projets de restauration de tourbière en utilisant des variables biogéochimiques. La recherche vise donc à identifier les différences biogéochimiques entre les mares créées et naturelles en plus de déterminer la trajectoire biogéochimique des mares créées dans le temps. Pour ce faire, nous avons mesuré différentes variables biogéochimiques telles le pH, les concentrations d’azote (N), de phosphore (P), de carbone organique dissout (DOC), de cations basiques – calcium (Ca), sodium (Na), magnésium (Mg) et potassium (K) et des gaz dissouts - méthane (CH4), dioxyde de carbone (CO2) et protoxyde d’azote (N2O) -. L’échantillonnage s’est fait dans 62 mares réparties au sein de 7 tourbières situé au Québec et au Nouveau-Brunswick : des mares naturelles et des mares créées il y a entre 3 et 22 ans. Les mares naturelles et créées ont des caractéristiques biogéochimiques différentes, et ce sans prendre en compte l’année de création. De ce fait, l’eau des mares créées est moins acide (pH >5) et plus concentrée en nutriments - N et P - que les mares naturelles. Cependant, les mares créées les plus anciennes ont tendance à se rapprocher des caractéristiques biogéochimiques des mares naturelles où la variation de la nappe phréatique et par le fait même la profondeur des mares viendraient jouer un rôle important sur les variables biogéochimiques. Des mares créées plus profondes et plus grandes pourraient ainsi permettre une présence d’eau permanente sans qu’elles s’assèchent durant l’été et ainsi favoriser le retour des conditions biogéochimiques similaires aux mares naturelles. / The extraction of peat to produce horticultural substrates leads to the loss of their ability to sequester carbon (C) in soils. However, over the past 30 years, many peatlands have been restored and open-water pools have been incorporated in some cases. Pools are naturally present in some bogs, especially in coastal and maritime regions, and are generally net C emitters, unlike peatlands. Pools are known to be micro-habitats with great potential for biodiversity and play a very important role for many species. In general, the measurement of the success of pool creation focuses on the return of bog plant species and a constant presence of water throughout the year. Currently, very few studies focus on the biogeochemistry of created pools to assess success. My research project uses biogeochemical variables to evaluate the success of created pools in peatland restoration projects. The research aims to identify biogeochemical differences between created and natural pools and to determine the biogeochemical trajectory of created pools over time. We measured different biogeochemical variables such as pH, nitrogen (N), phosphorus (P), dissolved organic carbon (DOC), base cations - calcium (Ca), sodium (Na), magnesium (Mg) and potassium (K) and dissolved gases - methane (CH4), carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O) -. Sampling was done in 62 pools located in 7 peatlands in Quebec and New Brunswick. We sampled both natural pools and pools created between 3 and 22 years ago. Natural and created pools have different biogeochemical characteristics, without considering the year of creation. Water in created pools is less acidic (pH >5) and more concentrated in nutrients - N and P - than in natural pools. However, the oldest created pools tend to be closer to the biogeochemical characteristics of natural pools. The variation of the water table and the depth of the pools play an important role for the return towards natural biogeochemical characteristics. Deeper and larger created pools could allow a permanent water presence during dry periods in summer and thus promote the return of biogeochemical conditions similar to natural pools.

Les tourbières après exploitation perdent leur capacité de puits de carbone, propriété importante dans le contexte des modifications climatiques attendues au cours des prochaines années avec l'augmentation de la teneur atmosphérique en gaz à effet de serre.<br />Afin d'effectuer le bilan de carbone d'une tourbière anciennement exploitée du massif du Jura, trois stades de régénération ont été choisis : tourbe nue, régénération récente avec principalement Eriophorum angustifolium et régénération avancée avec une majorité de Sphagnum. Les flux de carbone et les facteurs abiotiques et biotiques les influençant ont été suivis très régulièrement pendant deux saisons complètes de végétation afin d'établir un modèle empirique et de simuler les flux de carbone.<br />La station de tourbe nue est une faible source de carbone (entre -19 et -32 g C m-2 an-1). Les deux stations en régénération sont des puits de carbone légèrement plus faibles pour la station récente (entre 67 et 166 g C m-2 an-1) que pour la station avancée (entre 93 et 183 g C m-2 an-1).<br />La mesure du δ13C du CO2 respiré des trois stations étudiées a permis de les distinguer avec une signature isotopique de plus en plus négative depuis la tourbe nue jusqu'à la régénération avancée. <br />L'augmentation de la respiration de la tourbe nue avec la baisse du niveau de la nappe a un impact négatif sur le bilan. Ce dernier dépend aussi de la quantité relative de bryophytes (perdant leur capacité de puits de carbone en cas de sécheresse) et de plantes vasculaires (facilitant le dégagement de méthane). Le retour de la fonction de puits de carbone de ces écosystèmes en régénération est ainsi lié aux choix de gestion instaurés sur ces sites.

Les changements climatiques en cours affectent particulièrement les écosystèmes des régions nordiques, dont les tourbières situées dans les secteurs à pergélisol continu et discontinu. Dans ce contexte, les modifications des conditions climatiques régionales peuvent perturber l'évolution des écosystèmes tourbeux et indirectement affecter leur bilan en carbone. Comme les changements climatiques actuels sont grandement attribuables aux contenus de l'atmosphère en gaz à effet de serre (GES) tel que le CO2 et le CH4, il devient important de mieux connaître l'influence du climat sur la dynamique des tourbières à pergélisol et sur le bilan de carbone dans ces milieux. L'objectif principal de ce projet de recherche est d'évaluer les effets des changements climatiques sur l'évolution des tourbières des régions à pergélisol discontinu par la reconstitution de la paléohydrologie d'une tourbière à palses du secteur de Kuujjuarapik sur la côte est de la baie d'Hudson. La relation entre les thécamoebiens et les niveaux de nappe phréatique des tourbières a été bien démontrée au cours des dernières années. La première étape pour réaliser ce projet a été de développer une fonction de transfert adaptée aux contextes de développement des tourbières du Québec au moyen de ces organismes afin d'inférer des valeurs d'élévation de la nappe phréatique (NP). Cette fonction de transfert a été construite à partir de thécamoebiens provenant d'échantillons de surface (modernes) de six tourbières ombrotrophes et six rninérotrophes réparties sur l'ensemble du territoire québécois. Ensuite, cet outil a été utilisé pour reconstituer les changements de conditions hydrologiques holocènes, à partir du contenu en thécamoebiens fossiles de deux profils tourbeux provenant d'une tourbière à palses dans la zone de pergélisol discontinu du secteur de Kuujjuarapik. Les résultats des échantillons modernes de thécamoebiens et des tests statistiques ont permis de développer une fonction de transfert pour la reconstitution des niveaux passés de NP des tourbières ombrotrophes et minérotrophes bien adaptée aux différents contextes québécois (Nb.: 86; RMSEP: 4,73 cm ; R2: 0,77). La comparaison des valeurs de NP inférées par cette fonction de transfert à celles d'une autre fonction de transfert nord-américaine déjà existante (Booth, 2008), confirme le potentiel de cet outil pour les recherches portant sur la paléohydrologie des tourbières. Les résultats des analyses stratigraphiques et de thécamoebiens de deux profils de tourbe indiquent un développement et des conditions d'accumulation du carbone distincts entre la zone à palses au centre de la tourbière et la bordure forestière en marge du bassin. Ces différences sont attribuées en partie à l'influence des processus autogènes variables entre ces deux secteurs de la tourbière. Les résultats des conditions hydrologiques du centre de la tourbière présentent plusieurs évènements synchrones avec des épisodes de changement de niveau d'eau de lacs du Québec nordique. Deux phases de développement du pergélisol ont été identifiées entre 1420 - 600 ans étal. BP et entre 440 ans étal. BP et l'actuel. Les résultats montrent aussi l'influence du pergélisol sur les taux d'accumulation en carbone avec des baisses de 11,12 g.m-2.an-1 et 9,23 g.m-2.an-1 lors des épisodes froids. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : tourbière, pergélisol, thécamoebiens, fonction de transfert, Holocène, carbone

Les tourbières boréales jouent un rôle important dans le cycle global du carbone en tant que puits de CO2 à long terme et en tant que l’une des plus grandes sources de méthane naturel (CH4). Ces importants réservoirs de carbone seront exposés à l’avenir au réchauffement et aux conditions plus humides caractérisant le changement climatique dans les hautes latitudes et, en raison de la grande quantité de carbone stockée dans les tourbières boréales, comprendre leurs dynamiques est important. Dans cette thèse, j'ai intégré une représentation du cycle de l'eau et du carbone dans les tourbières dans le modèle de surface terrestre ORCHIDEE-MICT (LSM), dans le but d'améliorer la compréhension du C des tourbes et de sa dynamique depuis l'Holocène, afin d'explorer les effets du changement climatique.Tout d'abord (chapitre 2), J'ai implémenté les tourbières en tant qu'unité hydrologique de sol (HSU) sous-réseau indépendante qui reçoit les eaux de ruissellement provenant des HSU non tourbeuses environnantes dans chaque cellule du réseau et ne possède pas de drainage, conformément la representation propose par Largeron et al. (2018). Pour modéliser les flux d’eau verticaux des sols tourbeux et non tourbeux, j’ai représenté les paramètres hydrologiques spécifiques à la tourbe pour l’HSU des tourbières, tandis que dans d’autres HSU, les paramètres hydrologiques sont déterminés par la texture dominante du sol de la cellule de la grille. j'ai choisi un modèle diplotelmique pour simuler la décomposition et l'accumulation de tourbe de C. Ce modèle à deux couches comprend une couche supérieure (acrotelm) inondée de manière variable et une couche inférieure (catotelm) inondée en permanence. Ce modèle a montré de bonnes performances dans la simulation de l'hydrologie des tourbières, du C et des flux d'énergie dans 30 tourbières boréales sur des échelles de temps quotidiennes à annuelles. Mais la simplification excessive de la dynamique du carbone pourrait limiter sa capacité à prévoir la réponse des tourbières boréales aux futurs changements climatiques.Deuxièmement (chapitre 3), j'ai remplacé le modèle carbone de tourbe diplotelmique par un modèle multicouche afin de prendre en compte les hétérogénéités verticales de la température et de l'humidité le long du profil de la tourbe. J'ai ensuite adapté TOPMODEL et les critères d'établissement des tourbières de Stocker et al. (2014) pour simuler la dynamique de la zone des tourbières dans une unité de la grille. Ici, la zone inondée donnée par TOPMODEL est traversée avec des conditions de croissance de tourbe appropriées pour définir la zone occupée par une HSU de tourbe. Ce modèle a été testé sur plusieurs sites de tourbières du nord et pour des simulations en 2D sur l'hémisphère nord (> 30 ° N). La superficie totale simulée de tourbières et le stock de carbone en 2010 est de 3,9 million de km2 et 463 PgC, conformément aux observations (3,4 à 4,0 million de km2 et 270 à 540 PgC).Enfin (chapitre 4), avec le modèle multicouche, j’ai réalisé des simulations factorielles à l’aide de données climatiques passées et futures issus des scenarios de trajectoire de concentration représentative (RCP) à partir de deux modèles de circulation générale (GCM) afin d’explorer les réactions des tourbières boréales au changement climatique. Les impacts des tourbières sur le futur bilan en carbone de l'hémisphère nord ont été examinés, notamment la réaction directe du bilan en carbone de la tourbière existante (simulée) et les effets indirects des tourbières sur le bilan de carbone terrestre lorsque les tourbières se modifient à l'avenir.Les travaux futurs se concentreront sur l’inclusion des influences du changement d’affectation des sols et des incendies sur les tourbières dans le modèle, étant donné que des pertes importantes de C pourraient survenir en raison de ces perturbations. Pour avoir une image complète du bilan C des tourbières, il faut prendre en compte les pertes de CH4 et de C organique dissous (DOC). / Northern peatlands play an important role in the global carbon (C) cycle as a long-term CO2 sink and the one of the largest natural methane (CH4) sources. Meanwhile, these substantial carbon stores will be exposed in the future to large warming and wetter conditions that characterize climate change in the high latitudes and, because of the large amount of C stored in northern peatlands, their fate is of concern. In this thesis, I integrated a representation of peatlands water and carbon cycling into the ORCHIDEE-MICT land surface model (LSM), with the aim to improve the understanding of peatland C and area dynamics since the Holocene, to explore effects of projected climate change to northern peatlands, and to quantify the role of northern peatlands in the global C cycle.Firstly (Chapter 2), I implemented peatland as an independent sub-grid hydrological soil unit (HSU) which receives runoff from surrounding non-peatland HSUs in each grid cell and has no bottom drainage, following the concept of Largeron et al. (2018). To model vertical water fluxes of peatland and non-peatland soils, I represented peat-specific hydrological parameters for the peatland HSU while in other HSUs the hydrological parameters are determined by the dominant soil texture of the grid cell. I chose a diplotelmic model to simulate peat C decomposition and accumulation. This two-layered model includes an upper layer (acrotelm) that is variably inundated and a lower layer (catotelm) that is permanently inundated. This model showed good performance in simulating peatland hydrology, C and energy fluxes at 30 northern peatland sites on daily to annual time scales. But the over simplification of the C dynamics may limit its capacity to predict northern peatland response to future climate change.Secondly (Chapter 3), I replaced the diplotelmic peat carbon model with a multi-layered model to account for vertical heterogeneities in temperature and moisture along the peat profile. I then adapted the cost-efficient version of TOPMODEL and peatland establishment criteria from Stocker et al. (2014) to simulate the dynamics of peatland area within a grid cell. Here the flooded area given by TOPMODEL is crossed with suitable peat growing conditions to set the area that is occupied by a peat HSU. This model was tested across a range of northern peatland sites and for gridded simulations over the Northern Hemisphere (>30 °N). Simulated total northern peatlands area and C stock by 2010 is 3.9 million km2 and 463 PgC, fall well within observation-based reported range of northern peatlands area (3.4 – 4.0 million km2) and C stock (270 – 540 PgC).Lastly (Chapter 4), with the multi-layered model, I conducted factorial simulations using representative concentration pathway (RCP)-driven bias-corrected past and future climate data from two general circulation models (GCMs) to explore responses of northern peatlands to climate change. The impacts of peatlands on future C balance of the Northern Hemisphere were discussed, including the direct response of the C balance of the (simulated) extant peatland area, and indirect effects of peatlands on the terrestrial C balance when peatlands area change in the future.Future work will focus on including influences of land use change and fires on peatland into the model, given that substantial losses of C could occur due to these disturbances. To have a complete picture of peatland C balance, CH4 and dissolved organic C (DOC) losses must be considered.

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.

Malgré leur empreinte géographique limitée (3% de la surface terrestre), les tourbières à sphaignes de l'hémisphère Nord renferment 1/3 du stock de carbone (C) des sols mondiaux. La forte accumulation de C n'est pas due à une forte production végétale primaire nette, mais à une faible décomposition de la matière organique (MO) intrinsèquement dépendante de communautés biologiques et de conditions environnementales et climatiques très spécifiques (engorgement, anoxie, oligotrophie, acidité, faible température) constituant ainsi des facteurs limitants de l'activité microbienne. Par cette fonction de " puits " de C, ces écosystèmes, qui sont à l'interface entre atmosphère, biosphère, hydrosphère et géosphère, jouent un rôle clé dans la régulation du cycle global du C et du climat en général. Or, les changements globaux en cours risquent d'altérer fortement cet équilibre, ce qui se traduirait alors par un déstockage massif du C. Un verrou scientifique majeur consiste donc à étudier et à prévoir les rétroactions " tourbières - climat ". Dans cette perspective, les travaux présentés visent à comprendre la dynamique du cycle biogéochimique du C dans divers types de tourbières et à en saisir la réponse aux changements environnementaux. Les résultats obtenus permettent de décrire à haute résolution les processus précoces de transformation des tissus végétaux et d'identifier des traceurs de source végétale et de synthèse microbienne. Ils ont notamment permis (i) de définir un modèle de préservation/fossilisation de la MO dans le cas d'un marécage tourbeux et (ii) de mettre en évidence des indicateurs organiques pertinents de la régénération dans le cas de tourbières exploitées et destinées à la restauration. La dynamique de la MO a également été appréhendée sous le forçage de trois facteurs clé : la température, l'humidité et le changement de végétation grâce à des investigations d'observation sur le terrain et des approches expérimentales in situ et en laboratoire. Parmi les résultats obtenus, un modèle de cinétique de décomposition de litières a été produit. Il prend en compte les trois compartiments majeurs du cycle du C dans les tourbières : le C organique particulaire de la tourbe, le C organique hydrosoluble et le CO2 produit par respiration microbienne.