Au Canada, la mousse de tourbe est exploitée à une échelle industrielle pour la production de substrats horticoles. Suite à cette exploitation, des techniques de restauration sont appliquées pour restaurer les secteurs centraux en écosystème fonctionnel, mais sans s’attarder à l'intégration de l’écosystème restauré au paysage environnant. Cette thèse vise l’acquisition des connaissances écologiques fondamentales nécessaires à la restauration des transitions (écotones) tourbière-forêt dans les marges des tourbières ombrotrophes (bogs). Dans un premier temps, une caractérisation du gradient bog-écotone-forêt dans les bogs naturels a montré que l’écotone (aussi appelé le lagg de la tourbière) diffère des écosystèmes adjacents (bog et forêt) sur plusieurs aspects : 1) une structure de végétation différente, notamment avec un couvert plus abondant d’arbustes; 2) une concentration plus élevée en azote et phosphore dans les sols; 3) un niveau d’eau plus fluctuant que dans le bog, mais restant aussi plus élevé au cours de la saison de croissance. Dans un deuxième temps, une comparaison de l’état écologique de ces écosystèmes de référence (laggs naturels) aux secteurs en fin de production en marge des tourbières industrielles (écosystèmes à restaurer) a mis en évidence que : 1) les sols des secteurs à restaurer sont appauvris en nutriments (particulièrement en phosphore et potassium) et 2) pratiquement aucune espèce de lagg ne recolonise spontanément ces sites. En parallèle, les résultats d’une étude d’inventaire comparant l’état écologique d’un secteur afforesté (plantation de conifères de 20 ans) à l’état d’un secteur voisin non restauré suggèrent que l’afforestation améliore les conditions abiotiques (sols plus riches, microclimat plus tempéré), sans toutefois améliorer la recolonisation végétale du sous-bois. Ensuite, lors de réintroductions expérimentales, les potentiels d’établissement de mousses et d’arbustes ont été évalués en fonctions de filtres écologiques ciblés. La mousse Dicranum polysetum et le némopanthe (Ilex [Nemopanthus] mucronata) ont montré un potentiel d’établissement intéressant en conditions ombragées. Pour le némopanthe, une fertilisation initiale a significativement amélioré la croissance des semis, alors que leur établissement sur un tapis de mousses de Dicranum a plutôt amélioré leur survie par une réduction des effets du soulèvement gélival. En conclusion, la combinaison des études exploratoires et expérimentales de cette thèse a permis d’améliorer significativement nos connaissances sur les transitions tourbière-forêt en milieu naturel, mais aussi de dresser certaines lignes directrices de la stratégie à préconiser pour améliorer la gestion des marges des tourbières récoltées pour la tourbe. / In Canada, peat moss is extracted for production of horticultural substrate on an industrial scale. Several studies have contributed to develop restoration techniques for open Sphagnum-dominated habitats on the peat massif of peatlands. Beside tree plantation trials, however, peatland margins and their connectivity with surrounding landscapes has received little attention. The goal of this thesis is to acquire the ecological knowledge required to develop an ecological restoration strategy adapted to the bog - mineral land (upland) forest transition (aka the “lagg” habitat of the peatland). A first study of the bog-ecotone-forest gradient showed that the lagg is a true ecotone, with unique properties: 1) vegetation is more structured, with a dense shrubby stratum (Ilex mucronata often present); 2) nitrogen and phosphorus soil concentrations are high; 3) water table level fluctuates widely, but remains high for relatively long periods. A second study aimed at improving our knowledge of the baseline ecological conditions in cutaway peat fields located within the marginal areas of extracted peatlands. One major result is that soil nutrient concentrations in cutaway peat fields are very low: for phosphorus and potassium, approximately one order of magnitude lower when compared to natural laggs. Also, in exception to recolonization in former ditches, there is little spontaneous recolonization. In this same study, one area rehabilitated through afforestation (20-year-old coniferous plantations) was also characterized to compare its ecological status to unrestored fields: results suggest that afforestation ameliorates abiotic micro-site environmental conditions (richer soils and more temperate soil-air microclimate), but spontaneous recolonization does not occur. As reintroduction seems inevitable, two studies were conducted to improve our ecological knowledge of ecological filters in cutaway areas, and to assess the establishment potentials of some target species: one study on bryophytes, and one study on shrubs. Among the reintroduced species, two showed higher establishment potential: the bryophyte Dicranum polysetum and the shrub Ilex (Nemopanthus) mucronata. Shade significantly ameliorated the establishment potential of the reintroduced bryophytes Sphagnum and Dicranum, and of the shrub Ilex. Fertilization significantly increased Ilex seedling growth, while presence of a Dicranum carpet significantly increased seedling survival through a reduction of frost-heaving effects. In conclusion, the combination of exploratory and experimental studies allowed us to significantly improve our knowledge of bog - mineral land forest transitions, and to suggest guidelines for an ecological restoration strategy leading to a functioning lagg ecotone.

La restauration de tourbière vers des fens est relativement nouveau au Canada. La première tentative de restauration à l’échelle écosystémique d’un fen utilisant la technique de transfert de tapis muscinal s’est résulté par un échec de l’établissement de la couche muscinale (bryophytes). La couche muscinale typique des fens (composée de mousses vraies de fen, souvent appelée mousses brunes) est une composante importante des fens naturels. La littérature scientifique sur le sujet de la restauration de la couche muscinale de fen est pauvre, ou difficilement applicable dans des conditions nord-américaines. Le but de ce projet est d’acquérir certaines connaissances écophysiologiques sur les facteurs influençant la régénération des mousses de fen. Les facteurs choisis proviennent de différentes étapes de la restauration écologique des tourbières ainsi que de la biologie et l'écologie des mousses. Les quatre espèces de mousses utilisées sont communément trouvées dans les fens naturels du Canada : Aulacomnium palustre, Campylium stellatum, Scorpidium cossonii et Tomentypnum nitens. Les traitements testés sont : a) effet de la distance, par rapport à l’apex, des fragments des mousses sur leur régénération; b) la fragmentation mécanique; c) la fertilisation phosphatée; d) le chaulage; e) une expérience combinant fragmentation, fertilisation ainsi que différentes communautés de mousse testées sur le terrain; et f) l’effet de A. palustre comme plante compagne. Les principaux résultats sont : a) la régénération des fragments diminue en dessous de 2 ou 3 cm à partir de l’apex; b) la fragmentation augmente le nombre d’innovations quand il y a suffisamment d’eau (conditions de croissance humides); c) la fertilisation phosphatée a un effet positif sur la régénération des mousses lorsque maintenues en environnement contrôlé humide; d) le chaulage n’affecte positivement que l’espèce C. stellatum; e) A. palustre se régénère mieux sur le terrain que les autre mousses f) A. palustre n’apparaît pas être une bonne plante compagne pour C. stellatum et S. cossonii. Ces résultats visent à améliorer notre compréhension de la niche de régénération de mousses vraies de fen. Ici, nous établissons les connaissances de base pour une éventuelle restauration des fens à l’échelle de l’écosystème. / Peatland fen restoration is relatively new in Canada. The first attempt at an ecosystem scale fen restoration project with the moss layer transfer technique was unsuccessful in establishing the moss layer (bryophytes). The typical fen moss layer (composed mainly of fen true moss, often called brown moss) is an important part of natural fen ecosystem. The scientific literature about fen restoration regarding the moss layer is either poor or inadequate for restoration in the North Americans conditions. The goal of this project is to develop some base ecophysiological knowledges on factors influencing the regeneration of fen true mosses. The chosen factors come from studying different steps of peatland restoration techniques, and the biology and ecology of fen true mosses. The four species chosen for this project are all commonly found across natural fens in Canada: Aulacomnium palustre, Campylium stellatum, Scorpidium cossonii and Tomentypnum nitens. The tested treatments are: a) the effect of a moss fragment position on the stem relative to the apex on their regeneration; b) mechanical fragmentation; c) phosphate fertilization; d) liming; e) an experiment combining fragmentation, fertilization and different moss communities tested on the field; and f) the effects of A. palustre as a nursing plant. The main results are: a) regeneration decreases 2 or 3 centimeters below the apex; b) fragmentation increased the number of innovations for all species when enough water is available (moist growth conditions); c) phosphate fertilization has a positive effect on the regeneration in a controlled moist environment; d) liming only had a positive impacts on C. stellatum; e) A. palustre regenerate better in the field then the other species; f) A. palustre was not proven to be an effective nursing plant for C. stellatum and S. cossonii. These results aim at improving the understanding of fen true moss regeneration niche on bare peat surfaces. Here, we set the baselines for large scale and long-term fen regeneration attempts.

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.

Les tourbières boréales des régions des sables bitumineux de l'Alberta sont soumises à de vastes perturbations et à la pollution causée par l'industrie de l'extraction in situ du pétrole et du gaz. En même temps, les tourbières sont reconnues comme des écosystèmes avec d'énormes capacités à stocker du carbone (C) qui ont besoin d'être protégés en période d'augmentation des émissions de gaz à effet de serre et de réchauffement climatique continu d'origine anthropique. Depuis 2015, le gouvernement de l'Alberta a publié de nouvelles réglementations visant à conserver et à protéger les tourbières suite aux perturbations causées par des infrastructures pétrolières et gazières in situ, par une approche de la restauration d'une « capacité foncière équivalente ». Par conséquent, la restauration écologique réglementaire des tourbières vise à rétablir les fonctions primaires des tourbières, soient l'accumulation de tourbe et la séquestration de carbone. Les premiers essais de restauration des tourbières dans ce contexte ont débuté au début des années 2000 et jusqu'à ce jour, très peu de recherches ont été menées à évaluer le succès des différentes techniques de restauration. L'objectif de cette thèse est donc l'évaluation de différentes techniques de restauration de tourbières à la suite de perturbations de plateformes de forage in situ, via l'évaluation des communautés végétales et des fonctions de la tourbière restaurée, en particulier le potentiel d'accumulation de tourbe et le retour de la séquestration du carbone. Trois sous-objectifs étaient axés sur le développement des espèces végétales caractéristiques des tourbières, la production et la décomposition de la matière organique végétale, la biogéochimie et la séquestration du carbone. L'étude a eu lieu sept à dix ans après la restauration. Les sites de recherche étaient deux anciennes plateformes de forage in situ, situées dans les régions des sables bitumineux de Peace River et de Cold Lake, dans le nord de l'Alberta. Dans le cadre de cette étude, nous avons choisi cinq tourbières restaurées, une zone témoin non restaurée d'une ancienne plateforme et 28 milieux humides de référence non perturbés. Les techniques de restauration évaluées comprenaient l'enlèvement complet des matériaux de construction de la plateforme de forage in situ (CR), l'enlèvement partiel du remplissage minéral de la plateforme de forage jusqu'à 15 cm (PR15) au-dessus du niveau de la nappe phréatique (WTL), jusqu'à 5 cm au-dessus du WTL (PR5), et jusqu'à près du WTL de l'écosystème de tourbière non perturbé adjacent (PR0). La revégétalisation s'est faite soit spontanément par l'intermédiaire de la dispersion naturelle des plantes, soit par la plantation active d'espèces vasculaires, en particulier Carex aquatilis, Larix laricina et Salix lutea. Sur deux saisons de croissance, nous avons mesuré l'abondance, la diversité et la richesse des communautés végétales émergentes, la productivité primaire nette (PPN) et la décomposition, ainsi que l'échange brut de l'écosystème (EBE) via l'échange de dioxyde de carbone (CO₂) et les émissions de méthane (CH₄). En outre, nous avons mesuré les facteurs environnementaux, tels que les niveaux d'eau (WTL), la chimie du sol et de l'eau et les concentrations de nutriments. Pour l'approche de restauration CR, une zone d'eau libre peu profonde s'est formée avec des espèces aquatiques flottantes migrant spontanément et une végétation de type marais sur le périmètre. On a observé que ces types de végétation étaient une source de C, où le CH₄ était libéré par les tissus d'aérenchyme bien développés de ces végétaux. La production de biomasse et l'accumulation de tourbe ont été observées de façon marginale, sauf dans un tapis de mousse brune flottant. En conséquence, on a observé que l'approche de restauration par CR avait un potentiel de réchauffement global accru, en raison du bilan positif de C, où plus de C est libéré dans l'atmosphère qu'il n'est absorbé par la pédosphère. PR15 et PR5, qui ont fait l'objet d'introduction d'espèces végétales, nous avons constaté que la diversité et la richesse des espèces étaient les plus faibles parmi les tourbières restaurées. Des conditions trop sèches, avec un niveau d'eau trop profond sous la surface du sol, ont transformé PR5 et PR15 en sources de carbone avec un potentiel de réchauffement global accru, en raison de la libération de CO₂ dans l'atmosphère. La forte production de biomasse a été neutralisée par un taux de décomposition tout aussi élevé et donc par un faible potentiel d'accumulation de tourbe. Le développement des arbustes a eu un effet positif sur l'absorption du carbone. Nous avons observé que le PR0, qui a été spontanément revégétalisé par la migration naturelle des diaspores, a développé une végétation plus similaire aux tourbières de référence avec une plus grande diversité et richesse d'espèces végétales par rapport aux autres zones restaurées. Une couverture dominante de bryophytes ou une végétation arbustive ont contribué à de meilleurs taux d'accumulation de tourbe par rapport aux autres zones d'étude. Le WTL près de la surface était un facteur significatif pour le retour d'une fonction de puits de carbone dans cette zone restaurée (PR0). Nous pensons que la restauration écologique de tourbières peut être réalisée avec l'élimination partielle du remplissage minéral. Les résultats suggèrent que la connectivité hydrologique avec les écosystèmes de tourbières adjacents non perturbés est le facteur limitant le plus important pour le développement de communautés végétales caractéristiques des tourbières ou la restauration des fonctions d'accumulation de tourbe et d'absorption de carbone. En outre, la proximité physique d'une banque de diaspores semble faciliter et accélérer la migration naturelle spontanée de diverses espèces végétales, même sur un sol minéral résiduel des anciennes plateformes de forage. L'introduction active de plantes ne s'est pas avérée avoir des effets significatifs sur la diversification et l'enrichissement des communautés végétales caractéristiques des tourbières. / Boreal peatlands in the Oil Sands regions of Alberta are subject to vast disturbances and pollution caused by the in situ oil and gas extraction industry. At the same time, peatlands are recognized as enormous carbon (C) storing ecosystems that need protection during times of enhanced greenhouse gas emissions and ongoing anthropogenically-caused global warming. Starting in 2015, the Alberta Government released new regulations that aim at the conservation and protection of peatlands following disturbance by in situ oil and gas infrastructure via the restoration of an "equivalent land capability". The obligatory ecological restoration aims at the reestablishment of primary peatland functions, such as peat accumulation and C sequestration. First trials to restore peatlands following in situ oil sands well pad disturbances started in the early 2000's and until this day little research on the success of the various restoration techniques has been done. The aim of this dissertation is therefore the evaluation of different peatland restoration techniques following in situ oil sands well pad disturbances, via the assessment of the restored peatland's vegetation communities and functions, in particular the peat accumulation potential and return of C sequestration. Three sub-objectives focussed on the development of peatland characteristic plant species, the plant organic matter production and decomposition, the biogeochemistry and carbon sequestration. The study took place seven to 10 years post-restoration. Research sites were two decommissioned in situ oil sands well pads located in the Peace River and Cold Lake Oil Sands regions in northern Alberta. For this study, we selected five restored peatland areas, one unrestored control area of an in situ well pad, and 28 undisturbed reference wetlands. The evaluation of the restoration techniques included the complete removal of the in situ well pad's construction materials (CR), the partial removal of the well pad's mineral fill to 15 cm (PR15) above the water table level (WTL), to 5 cm above the WTL (PR5), and to near the WTL of the adjacent undisturbed fen ecosystem (PR0). Revegetation happened either spontaneously via natural ingress or was managed by active planting of vascular species, in particular Carex aquatilis, Larix laricina, and Salix lutea. Throughout the two-year study period, we measured the abundance, diversity, and richness of emerging plant communities, the net primary productivity (NPP) and litter decay, as well as net ecosystem exchange (NEE) via carbon dioxide (CO₂) exchange, and methane (CH₄) emissions. Furthermore, we measured environmental factors, such as WTL, soil and water chemistry and nutrient concentrations. In CR, a shallow open water area had formed with mostly spontaneously colonizing floating aquatic species and marsh-like vegetation in the periphery. This type of vegetation was measured to be a C source, where CH₄ was released via aerenchyma. Biomass production and peat accumulation was observed marginal, except in a floating brown moss carpet. As a result, CR was observed to have an enhanced global warming potential, due to the positive C balance, where more C was released to the atmosphere than was taken up by the pedosphere. At PR15 and PR5, which were subject to plant species introduction, we found the lowest species diversity and richness among restored peatlands. Too dry conditions, with low WTL below the surface, turned PR5 and PR15 into carbon sources with increased global warming potential, due to the release of CO₂ to the atmosphere. High biomass production was neutralized by an equally high decay rate resulting in low peat accumulation potentials. There was a positive relationship between shrub cover and net carbon uptake. We observed PR0, which was spontaneously revegetated by natural migration of diaspores, to develop fen characteristic vegetation with the highest plant species diversity and richness compared to other restored areas. Either dominant bryophyte cover or shrub vegetation helped contribute to the greatest peat accumulation potential compared to the other study areas. The WTL at the surface was a significant factor for returning a C sink function in the same restored area. Results indicate that the benefit of the complete removal of a former in situ oil sands well pad is negligible, and that ecological peatland restoration can be achieved with the partial removal of the mineral fill. Also, hydrological connectivity to undisturbed adjacent fen ecosystems is the most important limiting factor for the development vegetation communities characteristic of peatlands and resume peat accumulation and C uptake. Furthermore, the physical proximity to the respective diaspore bank is believed to facilitate and accelerate spontaneous natural migration of diverse plant species even on a residual mineral soil. Active plant introduction did not prove to have significant effects on diversification and enrichment of peatland characteristic plant communities.

Les tourbières boréales des régions des sables bitumineux de l'Alberta sont soumises à de vastes perturbations et à la pollution causée par l'industrie de l'extraction in situ du pétrole et du gaz. En même temps, les tourbières sont reconnues comme des écosystèmes avec d'énormes capacités à stocker du carbone (C) qui ont besoin d'être protégés en période d'augmentation des émissions de gaz à effet de serre et de réchauffement climatique continu d'origine anthropique. Depuis 2015, le gouvernement de l'Alberta a publié de nouvelles réglementations visant à conserver et à protéger les tourbières suite aux perturbations causées par des infrastructures pétrolières et gazières in situ, par une approche de la restauration d'une « capacité foncière équivalente ». Par conséquent, la restauration écologique réglementaire des tourbières vise à rétablir les fonctions primaires des tourbières, soient l'accumulation de tourbe et la séquestration de carbone. Les premiers essais de restauration des tourbières dans ce contexte ont débuté au début des années 2000 et jusqu'à ce jour, très peu de recherches ont été menées à évaluer le succès des différentes techniques de restauration. L'objectif de cette thèse est donc l'évaluation de différentes techniques de restauration de tourbières à la suite de perturbations de plateformes de forage in situ, via l'évaluation des communautés végétales et des fonctions de la tourbière restaurée, en particulier le potentiel d'accumulation de tourbe et le retour de la séquestration du carbone. Trois sous-objectifs étaient axés sur le développement des espèces végétales caractéristiques des tourbières, la production et la décomposition de la matière organique végétale, la biogéochimie et la séquestration du carbone. L'étude a eu lieu sept à dix ans après la restauration. Les sites de recherche étaient deux anciennes plateformes de forage in situ, situées dans les régions des sables bitumineux de Peace River et de Cold Lake, dans le nord de l'Alberta. Dans le cadre de cette étude, nous avons choisi cinq tourbières restaurées, une zone témoin non restaurée d'une ancienne plateforme et 28 milieux humides de référence non perturbés. Les techniques de restauration évaluées comprenaient l'enlèvement complet des matériaux de construction de la plateforme de forage in situ (CR), l'enlèvement partiel du remplissage minéral de la plateforme de forage jusqu'à 15 cm (PR15) au-dessus du niveau de la nappe phréatique (WTL), jusqu'à 5 cm au-dessus du WTL (PR5), et jusqu'à près du WTL de l'écosystème de tourbière non perturbé adjacent (PR0). La revégétalisation s'est faite soit spontanément par l'intermédiaire de la dispersion naturelle des plantes, soit par la plantation active d'espèces vasculaires, en particulier Carex aquatilis, Larix laricina et Salix lutea. Sur deux saisons de croissance, nous avons mesuré l'abondance, la diversité et la richesse des communautés végétales émergentes, la productivité primaire nette (PPN) et la décomposition, ainsi que l'échange brut de l'écosystème (EBE) via l'échange de dioxyde de carbone (CO₂) et les émissions de méthane (CH₄). En outre, nous avons mesuré les facteurs environnementaux, tels que les niveaux d'eau (WTL), la chimie du sol et de l'eau et les concentrations de nutriments. Pour l'approche de restauration CR, une zone d'eau libre peu profonde s'est formée avec des espèces aquatiques flottantes migrant spontanément et une végétation de type marais sur le périmètre. On a observé que ces types de végétation étaient une source de C, où le CH₄ était libéré par les tissus d'aérenchyme bien développés de ces végétaux. La production de biomasse et l'accumulation de tourbe ont été observées de façon marginale, sauf dans un tapis de mousse brune flottant. En conséquence, on a observé que l'approche de restauration par CR avait un potentiel de réchauffement global accru, en raison du bilan positif de C, où plus de C est libéré dans l'atmosphère qu'il n'est absorbé par la pédosphère. PR15 et PR5, qui ont fait l'objet d'introduction d'espèces végétales, nous avons constaté que la diversité et la richesse des espèces étaient les plus faibles parmi les tourbières restaurées. Des conditions trop sèches, avec un niveau d'eau trop profond sous la surface du sol, ont transformé PR5 et PR15 en sources de carbone avec un potentiel de réchauffement global accru, en raison de la libération de CO₂ dans l'atmosphère. La forte production de biomasse a été neutralisée par un taux de décomposition tout aussi élevé et donc par un faible potentiel d'accumulation de tourbe. Le développement des arbustes a eu un effet positif sur l'absorption du carbone. Nous avons observé que le PR0, qui a été spontanément revégétalisé par la migration naturelle des diaspores, a développé une végétation plus similaire aux tourbières de référence avec une plus grande diversité et richesse d'espèces végétales par rapport aux autres zones restaurées. Une couverture dominante de bryophytes ou une végétation arbustive ont contribué à de meilleurs taux d'accumulation de tourbe par rapport aux autres zones d'étude. Le WTL près de la surface était un facteur significatif pour le retour d'une fonction de puits de carbone dans cette zone restaurée (PR0). Nous pensons que la restauration écologique de tourbières peut être réalisée avec l'élimination partielle du remplissage minéral. Les résultats suggèrent que la connectivité hydrologique avec les écosystèmes de tourbières adjacents non perturbés est le facteur limitant le plus important pour le développement de communautés végétales caractéristiques des tourbières ou la restauration des fonctions d'accumulation de tourbe et d'absorption de carbone. En outre, la proximité physique d'une banque de diaspores semble faciliter et accélérer la migration naturelle spontanée de diverses espèces végétales, même sur un sol minéral résiduel des anciennes plateformes de forage. L'introduction active de plantes ne s'est pas avérée avoir des effets significatifs sur la diversification et l'enrichissement des communautés végétales caractéristiques des tourbières. / Boreal peatlands in the Oil Sands regions of Alberta are subject to vast disturbances and pollution caused by the in situ oil and gas extraction industry. At the same time, peatlands are recognized as enormous carbon (C) storing ecosystems that need protection during times of enhanced greenhouse gas emissions and ongoing anthropogenically-caused global warming. Starting in 2015, the Alberta Government released new regulations that aim at the conservation and protection of peatlands following disturbance by in situ oil and gas infrastructure via the restoration of an "equivalent land capability". The obligatory ecological restoration aims at the reestablishment of primary peatland functions, such as peat accumulation and C sequestration. First trials to restore peatlands following in situ oil sands well pad disturbances started in the early 2000's and until this day little research on the success of the various restoration techniques has been done. The aim of this dissertation is therefore the evaluation of different peatland restoration techniques following in situ oil sands well pad disturbances, via the assessment of the restored peatland's vegetation communities and functions, in particular the peat accumulation potential and return of C sequestration. Three sub-objectives focussed on the development of peatland characteristic plant species, the plant organic matter production and decomposition, the biogeochemistry and carbon sequestration. The study took place seven to 10 years post-restoration. Research sites were two decommissioned in situ oil sands well pads located in the Peace River and Cold Lake Oil Sands regions in northern Alberta. For this study, we selected five restored peatland areas, one unrestored control area of an in situ well pad, and 28 undisturbed reference wetlands. The evaluation of the restoration techniques included the complete removal of the in situ well pad's construction materials (CR), the partial removal of the well pad's mineral fill to 15 cm (PR15) above the water table level (WTL), to 5 cm above the WTL (PR5), and to near the WTL of the adjacent undisturbed fen ecosystem (PR0). Revegetation happened either spontaneously via natural ingress or was managed by active planting of vascular species, in particular Carex aquatilis, Larix laricina, and Salix lutea. Throughout the two-year study period, we measured the abundance, diversity, and richness of emerging plant communities, the net primary productivity (NPP) and litter decay, as well as net ecosystem exchange (NEE) via carbon dioxide (CO₂) exchange, and methane (CH₄) emissions. Furthermore, we measured environmental factors, such as WTL, soil and water chemistry and nutrient concentrations. In CR, a shallow open water area had formed with mostly spontaneously colonizing floating aquatic species and marsh-like vegetation in the periphery. This type of vegetation was measured to be a C source, where CH₄ was released via aerenchyma. Biomass production and peat accumulation was observed marginal, except in a floating brown moss carpet. As a result, CR was observed to have an enhanced global warming potential, due to the positive C balance, where more C was released to the atmosphere than was taken up by the pedosphere. At PR15 and PR5, which were subject to plant species introduction, we found the lowest species diversity and richness among restored peatlands. Too dry conditions, with low WTL below the surface, turned PR5 and PR15 into carbon sources with increased global warming potential, due to the release of CO₂ to the atmosphere. High biomass production was neutralized by an equally high decay rate resulting in low peat accumulation potentials. There was a positive relationship between shrub cover and net carbon uptake. We observed PR0, which was spontaneously revegetated by natural migration of diaspores, to develop fen characteristic vegetation with the highest plant species diversity and richness compared to other restored areas. Either dominant bryophyte cover or shrub vegetation helped contribute to the greatest peat accumulation potential compared to the other study areas. The WTL at the surface was a significant factor for returning a C sink function in the same restored area. Results indicate that the benefit of the complete removal of a former in situ oil sands well pad is negligible, and that ecological peatland restoration can be achieved with the partial removal of the mineral fill. Also, hydrological connectivity to undisturbed adjacent fen ecosystems is the most important limiting factor for the development vegetation communities characteristic of peatlands and resume peat accumulation and C uptake. Furthermore, the physical proximity to the respective diaspore bank is believed to facilitate and accelerate spontaneous natural migration of diverse plant species even on a residual mineral soil. Active plant introduction did not prove to have significant effects on diversification and enrichment of peatland characteristic plant communities.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Dans les projets de restauration écologique, bien qu'un des buts soit communément de réintroduire des communautés végétales diversifiées, peu d'attention est généralement accordée au rétablissement de la diversité en bryophytes après la restauration. C'est notamment le cas des tourbières à sphaignes restaurées par la méthode de transfert de la couche muscinale (MTCM) après l'extraction mécanique de tourbe pour l'horticulture. Ce sont ces écosystèmes qui sont au cœur de la présente recherche, où les pools d'espèces de bryophytes et de lichens ont d'abord été comparés dans 41 paires de sites donneurs naturels - secteurs de tourbière restaurée. La proportion des espèces muscinales transférées des sites donneurs se rétablissant avec succès après la restauration (taux de transfert) a pu être établie à 69 ± 2 %, ou à en moyenne 13 des 18 espèces de bryophytes réintroduites. Seulement quatre espèces ont été identifiées comme récalcitrantes - présentes dans les sites donneurs, mais absentes des secteurs restaurés : Calypogeia neesiana, C. sphagnicola, Ptilidium ciliare et Sphagnum quinquefarium. La flore muscinale et lichénique des tourbières ayant servi de site donneur est, toutefois, moins diversifiée que celle des tourbières restaurées, où la richesse en bryophytes diminue au fil des années post-restauration. Après l'application de la MTCM, il y a expansion du tapis de sphaignes en régénération et recouvrement des substrats perturbés (e.g. tourbe à nu, soulèvement gélival, paille, litière). Cela entraîne la disparition progressive des bryophytes apparues spontanément - absentes du matériel transféré et souvent des espèces de début de succession, - permettant aux communautés muscinales des tourbières restaurées par MTCM d'évoluer vers celles typiques de leurs équivalents naturels, soit des tourbières de type « bog ouvert ». La méthode de restauration permet ainsi le rétablissement de la diversité de la bryoflore typique des tourbières à sphaignes, les bryophytes identifiées comme récalcitrantes étant surtout associées à des conditions ombragées, lesquelles peuvent ne pas être disponibles entre 6 et 26 ans post-restauration. Considérant que l'écosystème de référence ciblé par la restauration est, après tout, le « bog ouvert », aucune intervention autre que de laisser s'écouler davantage de temps depuis celle-ci n'est suggérée pour favoriser le rétablissement des quatre espèces récalcitrantes. / In ecological restoration projects, although one common goal is to reintroduce diverse plant communities, little attention is generally given to the restoration of bryophyte diversity. This is particularly the case for Sphagnum-dominated peatlands restored using the Moss Layer Transfer Technique (MLTT) after mechanical peat extraction for horticulture. These ecosystems are the focus of the present study, where the species pools of bryophytes and lichens were initially compared between 41 pairs of natural donor sites and restored peatland sectors. The proportion of transferred bryophyte species successfully re-establishing after restoration (transfer rate) was determined to be 69 ± 2% (13 out of 18 reintroduced bryophytes). Only four species were identified as recalcitrant - present in donor sites but absent in restored sectors: Calypogeia neesiana, C. sphagnicola, Ptilidium ciliare, and Sphagnum quinquefarium. However, the bryophyte and lichen flora of the donor peatlands was less diverse than that of the restored peatlands, where bryophyte richness decreased over the post-restoration years. Following MLTT application, there was expansion of regenerating Sphagnum cover and revegetation of disturbed substrates (e.g., bare peat, frost heaving, straw, litter). This led to the progressive disappearance of spontaneously established bryophytes, which are absent from the transferred material and often represent early successional species. As a result, the bryophyte communities of MLTT-restored peatlands evolved towards those typical of their natural counterparts, namely « open bog » type peatlands. The restoration method thus facilitates the recovery of typical bryophyte diversity in Sphagnum-dominated peatlands, as the recalcitrant bryophytes are mostly associated with shaded conditions that may not be available between 6 and 26 years post-restoration. Considering that the targeted reference ecosystem for restoration is ultimately the « open bog », no intervention other than allowing more time to elapse since restoration is suggested to promote the recovery of the four recalcitrant species.

Une importante perturbation des tourbières du nord de l'Alberta est la présence d'un vaste réseau de routes d'accès nécessaire à l'extraction in situ du pétrole dans la région des sables bitumineux. Ces structures linéaires engendrent la dégradation, la fragmentation et la perte d'habitats ainsi que l'altération des propriétés physicochimiques et des processus hydriques des tourbières. Ce projet évalue la restauration d'une tourbière perturbée par une route d'accès sur un site d'extraction près de Fort McMurray. La restauration a permis de retirer partiellement la matière minérale de la route, d'ajouter une couche de tourbe mince (20 ou 50 cm) ou épaisse (75 cm), d'épandre des diaspores de tourbière sur le site restauré, de protéger les diaspores avec un paillis et de fertiliser la moitié du site restauré. La restauration s'est faite en deux temps et deux sites donneurs pour la réintroduction de diaspores ont été utilisés. Les objectifs de ce projet sont d'évaluer l'impact de l'épaisseur de tourbe et de la fertilisation sur les propriétés physicochimiques du substrat et par conséquent, ce qui influence ou non l'établissement des communautés végétales. Des analyses physicochimiques ont été effectuées une saison de croissance à la suite de la restauration. Des inventaires de végétation ont été réalisés deux saisons de croissance après la restauration. Deux communautés végétales distinctes sont présentes sur le site restauré. La section restaurée dont l'épaisseur de tourbe est la plus importante (75 cm) présente un plus grand nombre d'espèces et un couvert plus important de plantes et mousses typiques des tourbières que les sections dont la couche de tourbe est mince (20 ou 50 cm). La fertilisation n'entraîne aucune différence dans l'établissement des communautés végétales. Les différences entre les techniques et étapes de la restauration pourraient expliquer les divergences entre les deux communautés qui se sont établies sur le site restauré. / Significant disturbance to peatlands in northern Alberta is due to the extensive network of access roads required for in situ bitumen extraction in the oil sands region. These linear disturbances result in the degradation and fragmentation of habitats, and the alteration of the physicochemical properties and the water processes of peatlands. This project assesses the restoration of a peatland disturbed by an access road at an oil sands extraction site near Fort McMurray. The peatland restoration involved partially removing the mineral material from the road, adding a thin layer of peat (20 and 50 cm) or a thick peat layer (75 cm), spreading diaspores on the restored site, protecting the diaspores with straw, and fertilizing half of the restored site. Restoration occurred in two periods and two donor sites were used for diaspore collection. The objectives of this research are to assess the impact of the added organic substrate (peat) and of the fertilization on physicochemical properties of the substrate and therefore what does and does not influence the establishment of plant communities. Physicochemical measurements were taken one growing season following restoration. Vegetation inventories were conducted two growing seasons after restoration. After two growing seasons following restoration, fertilization had no impact on plant establishment. Results showed that two plant communities were present on the restored site. Two growing seasons following the restoration, the restored section with the greatest peat thickness (75 cm) had a greater number of species and a greater cover of plant and moss species typical of peat bogs. We conclude that the differences between restoration techniques between the two restored sections might explain the differences between the two communities that established at the restored site.

Je me suis intéressée à la valorisation de tourbières restaurées en caractérisant la diversité végétale des bords de mares et en développant des techniques de restauration pour ce biotope. J’ai d’abord estimé l’apport des mares à la diversité végétale des tourbières grâce à des inventaires comparatifs en milieu naturel et restauré. J’ai ensuite mis en place deux expériences pour tester l’efficacité de la technique de « transfert du tapis muscinal » pour la végétation de mares. Les résultats des inventaires montrent que dans les tourbières naturelles, les mares augmentent la richesse végétale. Cependant, les espèces associées aux mares naturelles demeurent absentes de mares créées six ans après un projet de restauration. Des expériences indiquent que pour se régénérer, des fragments de Cladopodiella fluitans doivent être recouverts de paille. Seules les sphaignes ont réussi à coloniser les berges de mares créées à l’aide de la méthode de transfert; les plantes vasculaires introduites avaient un recouvrement faible après trois ans. / In this thesis, I was interested in increasing restored peatland value by characterizing plant diversity along pool margins and by developing restoration techniques for this particular habitat. I first conducted inventories in restored and natural peatlands in order to measure the contribution of pools to plant diversity of the ecosystem. I also established two experiments to test the efficiency of the moss layer transfer technique in regard to pool vegetation. Inventories showed that pools enhance plant species richness in natural peatlands. Around created pools though, species associated with natural pools were still absent and non-bog species present six years after restoration. Two experiments revealed that Cladopodiella fluitans fragments need to be covered with straw to regenerate. Only Sphagnum mosses colonised pool margins with the moss layer transfer technique; introduced vascular plants had a very low mean cover after three years and adapted techniques should be developed to insure their establishment in restored peatlands.

Lors de la mise en place d’un projet de restauration, il est impératif de définir un écosystème de référence qui aidera à orienter les actions à poser. La restauration écologique des tourbières minérotrophes (fens) en est à ses débuts au Canada. À court terme, le but est d’introduire des communautés végétales qui ont le potentiel d’accélérer le retour de l’accumulation de la tourbe. Or, les connaissances actuelles des communautés végétales et des processus écosystémiques propres aux fens sont limitées. Cette recherche doctorale a pour objectif de définir un écosystème de référence pour des fens modérément riches à riches du sud-est du Canada et de cibler des communautés végétales préférentielles à l’atteinte des buts de restauration écologique des tourbières. Afin de consolider l’écosystème de référence, trois sources d’informations (temporelle, spatiale et empirique) ont été utilisées. L’analyse paléoécologique nous informe sur la dynamique de développement hydroséral, somme toute stable, d’un écosystème tourbeux sur une période de 8000 ans. Le comblement d’un plan d’eau est à l’origine de la tourbière où se sont succédées des communautés végétales de grandes cypéracées, puis des communautés dominées par les mousses brunes et les cypéracées basses. Les processus autogènes semblent avoir été prédominants dans l’évolution de la tourbière telle qu’elle est aujourd’hui. La caractérisation de treize fens naturels a résulté à l’identification de deux communautés végétales. La première est une communauté de grandes-cypéracées (magnocariçaie) associée à une production de biomasse et à un niveau d’eau élevés. La seconde est une communauté plus diversifiée de Sphagnum(warnstorfii)-Thuja. À l’exception du S. warnstorfii, cette communauté se compose davantage d’espèces généralistes des tourbières boréales qui croissent dans des habitats plus secs ou ombragés tels que les buttes ou les sous-bois. L’étude met aussi en lumière l’importance du Thuja occidentalis dans les fens régionaux. Sa présence, en densité modérée, devrait être favorisée à long terme. Trois fens naturelles ont été sélectionnées pour une étude approfondie des caractéristiques fonctionnelles de production primaire nette (PPN) et de taux de décomposition. La moyenne de PPN incluant toutes les strates de végétation est de 450 g m⁻² an⁻¹. Cette étude confirme l’importance des estimations de PPN du compartiment souterrain (45% de la biomasse totale), des bryophytes (21%) et des arbres (16%). Le S. warsntorfii est la mousse la plus productive (140 g m⁻² an⁻¹) et celle qui se décompose le plus lentement (valeur annuelle de décomposition exponentielle k de 0,07). La présence du S. warnstorfii contribue à l’augmentation du potentiel d’accumulation de tourbe. Les communautés du biotope des buttes ont également un meilleur potentiel d’accumulation de tourbe que celles des platières. Finalement, dans la partie expérimentale de la thèse, il a été conclu qu’il n’est pas nécessaire d’augmenter la diversité spécifique et structurelle pour accroître les chances de retour de l’accumulation de tourbe. La performance des variables mesurées est plutôt dépendante de l’identité des espèces composant les assemblages. La présence du Myrica gale, du Carex aquatilis ou du S. warnstorfii dans une communauté augmente significativement la production de biomasse sur le terrain. La présence d’une bryophyte augmente le recrutement de nouvelles espèces tandis que le M. gale ou le C. aquatilis le diminue. La complémentarité entre les espèces a été l’effet dominant sur la production de biomasse dans l’expérience terrain, tandis que l’effet de sélection a été observé en serre. On conclut qu’il existe des relations synergiques dans la décomposition de plusieurs litières mises en association. Une production de biomasse plus élevée devra ainsi être ciblée si le taux global de décomposition est prévu d’augmenter. Suite à la synthèse de ces trois chapitres, il est recommandé d’inclure des bryophytes dans les communautés à restaurer, en particulier le S. warnstorfii afin d’accélérer le retour des fonctions dans les tourbières restaurées et le recrutement de nouvelles espèces. Une communauté de grandes cypéracées est considérée lorsque l’introduction de bryophytes est hasardeuse. / When setting up a restoration project, it is imperative to define a reference ecosystem. This will determine the actions to be taken. In Canada, the ecological restoration of the minerotrophics peatlands (fens) is at its infancy stage. In the short term, the restoration goal is to introduce plant communities that have the potential to accelerate the return of peat accumulation. However, current knowledge of plant communities and ecosystem processes specific to fen are limited. The aim of this doctoral research is to define a reference ecosystem for moderately rich to rich fens in southeastern Canada and to target preferential plant communities to achieve the ecological restoration goals of peatlands. In order to consolidate the reference ecosystem, three sources of information were used: temporal, spatial, and empirical. Paleoecological analysis shows us the dynamics of the hydroseral development, notably how stable plant communities has been over a period of 8000 years. Terrestrialization was at the origin of the peatland development. Not long after body of water filled, tall cyperaceae community were followed by communities dominated by the brown mosses and the small cyperaceae. Autogenous processes seem to have been predominant in the evolution of the peatland. The characterization of thirteen natural fens has resulted in the grouping of two plant communities. The first is a tall cyperaceae (magnocaricion) community associated with high biomass production and high water level, the second is a more diverse community of Sphagnum (warnstorfii)–Thuja. With the exception of S. warnstorfii, this community is composed primarily of generalist species of boreal peatlands that grow in drier or shaded habitats, such as underwood or hummocks. The study also highlights the importance of Thuja occidentalis in regional fens. Over time and in moderate density, its presence should be promoted. Three natural fens were selected for an in-depth study of the functional characteristics of net primary production (NPP) and decomposition rates. The average production, including all vegetation layers, is 450 g m⁻² yr⁻¹. This study confirms the importance of the NPP estimations with regard to belowground (representing 45% of total biomass), bryophytes (21%) and trees (16%), among others. S. warsntorfii is the most productive bryophyte (140 g m⁻² yr⁻¹) and decomposes the slowest (annual exponential decomposition value k of 0.07). The presence of S. warnstorfii contributes to the increased potential for peat accumulation. The communities of the hummock biotope also have a better peat accumulation potential than those of lawns. Finally, in the experimental part of the thesis, it was concluded that there is no need to increase specific or structural diversity to increase the chances of return of peat accumulation. The performance of the measured variables is rather dependent on the identity of the species composing the assemblages. In the field, the presence of Myrica gale, Carex aquatilis or Sphagnum warnstorfii, individually or in combination, increases biomass production. The combination of these three species leads to transgressive overyielding for the production of aerial biomass. The presence of a bryophyte increases the recruitment of new species while M. gale or C. aquatilis will decrease it. The complementarity between species was the dominant effect on biomass production in the field experiment, while the selection effect was observed in greenhouses. Moreover, we concluded that there are synergistic relationships in the decomposition of litters when grouped. Higher biomass production should therefore be targeted if the overall rate of decomposition is predicted to increase. Following the synthesis of the three chapters, it is recommended to include bryophytes in the communities to be restored, in particular S. warnstorfii, in order to accelerate the return of functions in the restored peatlands, and the recruitment and establishment of new species. A community of tall cyperaceae could be considered when the introduction of bryophytes is hazardous and where water levels are forecasted to be high. In short, the preferential plant communities targeted in the reference will accelerate the return of the peat accumulation function and the revival of plant diversity.

La plantation d'arbres ou d'arbustes fruitiers figure parmi les options de réaménagement complémentaires à la restauration des tourbières résiduelles. Aucune étude n'avait toutefois été effectuée concernant le potentiel de telles plantations dans l'est du Canada. Le présent projet avait pour principal objectif de dresser un portrait des plantations existantes en tourbières résiduelles canadiennes, afin de connaître le potentiel de différentes essences forestières et d'une espèce d'arbuste fruitier (l'Aronia noir) à croître sur substrat tourbeux. Les essences forestières montrant de bonnes croissances sont l'Épinette noire et le Mélèze laricin. L'Érable rouge, le Pin gris, le Pin sylvestre et l'Aronia noir ont présenté certaines difficultés d'implantation ou de croissance, mais demeurent potentiellement intéressants. Les plantations de Peupliers hybrides sur tourbière résiduelle se sont avérées un échec. Une régie de la fertilisation comportant de faibles doses d'azote, de phosphore et de potassium est un atout pour des plantations forestières ou fruitières de ce type. Le présent projet a donc permis de mettre en évidence le réel potentiel d'établissement de certaines espèces forestières et fruitières en tourbières résiduelles dans l'Est du Canada.