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.

Dans le sud du Québec, les milieux humides ont été grandement perturbés depuis l'arrivée des premiers colons européens, particulièrement au cours des 100 dernières années. L'une des conséquences de ces perturbations est l'installation d'espèces habituellement peu présentes dans ces écosystèmes, comme le bouleau gris (Betula populifolia), un arbre pionnier opportuniste. Ce projet avait pour objectifs de documenter les époques de son installation au sein des tourbières ombrotrophes de la Montérégie et d'examiner les facteurs ayant favorisé cet établissement. Les hypothèses posées sont que la présence du bouleau gris dans les tourbières est un phénomène récent (XXe siècle), et qu'elle est étroitement associée aux activités anthropiques ayant lieu en périphérie des tourbières, notamment l'agriculture. Afin de répondre aux objectifs et de vérifier les hypothèses émises, quatre types d'analyse ont été effectués pour dix tourbières: i) des analyses dendrochronologiques pour identifier les périodes d'établissement minimales du bouleau; ii) des analyses macrofossiles de tourbe de surface afin de reconstituer l'histoire botanique récente des tourbières; iii) des analyses des photographies aériennes afin de reconstituer la dynamique spatio-temporelle du boisement des tourbières et celle de l'utilisation des terres en périphérie, enfin iv) l'analyse des données météorologiques pour déterminer si le climat a pu favoriser l'installation du bouleau gris. On a montré que la colonisation des tourbières par le bouleau gris est récente, les individus s'étant majoritairement installés il y a moins de 50 ans. Cette colonisation faite suite dans la plupart des cas à un incendie. Elle semble aussi liée à l'accroissement des activités humaines en périphérie des tourbières qui ont sans doute favorisé l'assèchement des dépôts et l'établissement des semis d'arbres. Il est toutefois difficile d'établir une relation avec les précipitations estivales car elles furent plus abondantes lors des périodes d'établissement du bouleau gris. Par contre, la température pourrait avoir stimulé sa croissance. Mots clés : bouleau gris, tourbières, perturbations anthropiques, boisement, analyse macrofossile, dendrochronologie, photographies aériennes, données météorologiques, Québec

Plusieurs tourbières du Québec sont aujourd'hui caractérisées par un processus de boisement qui est souvent une conséquence des activités anthropiques in ou ex situ ayant affecté leurs conditions hydrologiques. Bien que le pin blanc (Pinus strobus) soit une espèce arborescente que l'on rencontre plutôt rarement dans les tourbières ombrotrophes, les individus qui y poussent semblent afficher dans plusieurs cas une bonne croissance, autant en hauteur qu'en diamètre. Les objectifs de la présente étude étaient (1) de déterminer l'époque d'établissement de l'espèce dans quelques tourbières de la région écologique de la Plaine du Saint-Laurent et les facteurs ayant favorisé cet établissement, (2) de caractériser leur croissance radiale et (3) de déterminer les facteurs qui ont régi la croissance. Cinq tourbières ont été étudiées. Des analyses dendrochronologiques ont été réalisées pour des individus sur tourbe et sur sol minéral à proximité afin de comparer la croissance entre les deux types de milieu. Des fonctions de réponse et de corrélation ont été effectuées sur les séries dendrochronologiques afin de déterminer l'influence du climat sur la croissance. Enfin, des monolithes de tourbe de surface furent l'objet d'une analyse macrofossile afin de trouver des restes de pin blanc. La présence du pin blanc en milieu tourbeux semble être un phénomène relativement récent, la colonisation ayant débuté au plus tôt un peu avant la moitié du XIXe siècle. Cette installation récente concorde avec la présence de macrorestes de l'espèce dans les seuls premiers centimètres de la tourbe en surface. Bien qu'elle soit majoritairement inférieure à celle des individus sur sol minéral, la croissance radiale des individus sur tourbe s'avère très bonne. Le climat ne semble pas avoir influencé la croissance des individus et ce, autant sur tourbe que sur sol minéral ce qui suggère que d'autres facteurs régissent la croissance. Les précipitations moins abondantes durant certaines périodes du XXe siècle et le feu sont, selon les sites, des facteurs ayant fort probablement favorisé l'établissement du pin blanc sur les tourbières.

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

Le réseau de transport d’électricité sillonne le territoire québécois sur plus de 34 000 kilomètres et certains tronçons traversent inévitablement des tourbières. Ce projet de restauration a été réalisé sur deux tourbières où des chemins avaient été construits dans des emprises de lignes de transport d’énergie, à Sainte-Eulalie (Centre-du-Québec) et Chénéville (Outaouais). Un chemin minéral en tourbière change la nature du substrat et peut influencer le niveau de la nappe phréatique et les caractéristiques physicochimiques de l’eau et de la tourbe. Ces changements peuvent conséquemment modifier la composition et la diversité des communautés végétales tourbicoles. Nous avons tenté de déterminer si l’enfouissement du matériel minéral permet de restaurer la tourbière. La méthode d’enfouissement sous déblai tourbeux (MESDT) utilisée consiste à excaver, puis enfouir in situ le chemin minéral sous la tourbe sous-jacente à la perturbation. La MESDT devrait permettre d’atteindre les objectifs de restauration en (1) limitant l’enrichissement de la tourbière par les éléments nutritifs introduits par le matériel minéral du chemin, (2) en permettant de conserver une surface tourbeuse d’élévation similaire à la tourbière environnante et (3) en facilitant le retour d’une végétation de tourbières telle que trouvée dans l’écosystème de référence. Que ce soit 1 an ou 3 ans post-restauration, les résultats des analyses physicochimiques de l’eau échantillonnée à différentes distances et profondeurs du chemin enfoui ont montré des concentrations en nutriments semblables aux moyennes observées dans les écosystèmes de référence. Les différences d’élévation du sol dans les bandes restaurées entre les relevés sont négligeables. Le couvert de sphaignes à Chénéville a été de 33 ± 9 % moins d’une saison de croissance post-restauration. À Sainte-Eulalie, 3 ans post-restauration, ce couvert a été plus faible (5 ± 3 %) en raison de la qualité du matériel d’emprunt disponible dans le canal de l’emprise drainée. Les résultats de ce projet d’étude montrent que la MESDT répond aux objectifs de restauration. De plus, elle demande moins de ressources humaines, matérielles et monétaires en comparaison de la méthode de retrait complet du matériel minéral. / The electric power transmission lines network spans across the territory of the province of Québec on 34 000 kilometers and some of its sections inevitably go through peatlands. This restoration project has been conducted on two peatlands where access roads were constructed under power lines: at Sainte-Eulalie (Centre-du-Québec) and Chénéville (Outaouais). A mineral road in a peatland changes the nature of the substrate and can influence the water table level and the physicochemical characteristics of the water and peat. These changes can modify the composition and diversity of the vegetal communities. We examined if burying the mineral material within the bog is an effective method to restore the peatland conditions. The restoration by the “Burial Under Peat Layer Method” (BUPLM) consists in excavating and burying the mineral material beneath the underlying peat material. The method should allow to reach restorations goals by (1) confining the nutrients introduced with the mineral material, (2) by conserving a peaty surface elevation similar to the adjacent areas and (3) by re-establishing typical peatland vegetation. Whether it is 1 or 3 years post-restoration, the results of the physicochemical analyses of the water sampled at various depths and distances of the buried road showed similar nutriments concentrations to the means observed in the reference ecosystems. The soil elevation differences in the restored areas between readings are insignificant. Less than a growth season post-restoration, the Sphagnum mosses cover at Chénéville is 33 ± 9 %. At Sainte-Eulalie, 3 years post-restoration, the Sphagnum cover is lower (5 ± 3 %) because of the quality and quantity of the material available in the drained right-of-way. The results of this project show that the BUPLM complies with restoration objectives. Furthermore, it is economically profitable in comparison with the complete removal of the mineral material.

Les poussières atmosphériques naturelles jouent un rôle complexe dans le système climatique global étant à la fois un facteur affectant le climat et variant en fonction de ce dernier. Notre compréhension des différentes interactions entre les poussières atmosphériques et le climat est limitée par l’importante variabilité spatiale et temporelle des celles-ci. À l’aide de tourbières ombrotrophes, la variabilité spatiale et temporelle des dépôts de poussières atmosphériques holocènes au Québec boréal fut caractérisée en lien avec les fluctuations climatiques. Les flux de poussières atmosphériques furent reconstruits à l’aide des concentrations en terres rares. Les isotopes du Nd et Pb en combinaison avec les terres rares ont été utilisés afin de déterminer la source des particules déposées dans les tourbières. Afin d’évaluer les liens entre les flux de poussières et la variabilité climatique, les changements temporels dans les flux de poussières et l’isotopie du Nd furent comparés à la taille des particules déposée et des reconstitutions écohydrologiques basées sur l’analyse des macrorestes végétaux et des thécamoebiens. Dans les deux premiers volets de l’étude, les flux de poussières atmosphériques furent reconstruits dans deux tourbières de la Côte-Nord alors que les particules déposées dans celles-ci furent caractérisées à l’aide des concentrations des terres rares (REE), des isotopes du néodyme et du plomb ainsi que la granulométrie. Les deux profils présentent des valeurs de Nd similaires, ce qui s’explique soit par une source commune des poussières atmosphériques ou encore des sources distinctes, mais possédant des valeurs de Nd similaires dans les deux régions. Les deux sites étudiés montrent des tendances différentes dans les flux de poussières. La tourbière IDH montre peu de variations dans les flux de poussières, ce qui s’explique en partie par l’emplacement du site d’étude, qui prévient les apports de poussières atmosphérique. La tourbière Baie quant à elle, montre deux périodes de flux de poussières plus élevés soit 1700-1000 et 650-100 cal a BP correspondant avec des périodes de refroidissement du climat documentées. Les REE, le Nd et les tailles de particules suggèrent qu’au cours des 2000 dernières années, la tourbières de Baie a reçu une proportion accrue de poussières atmosphériques provenant de sources locales. Ces deux périodes ont été identifiées comme des épisodes d’instabilité climatique en réponse à une instabilité hydroclimatique régionale et une plus grande variabilité des températures (principalement contrôlée par l’activité solaire). Un changement du régime des vents dans la région a aussi probablement influencé ces les variations observées. Dans le troisième chapitre, les mêmes analyses furent réalisées sur des carottes de tourbe d’une tourbières de la Baie James, La Grande 2 (LG2). Des apports accrus de poussières furent observés lors de différentes période : 4000 à 3000, 2600 à 2000, 1600 à 1000, 800 à 650 cal a BP et de 1960 à 1990AD. Au moins trois sources distinctes constituent les apports de poussières dans le temps: les sédiments marins à la base de la tourbières, la moraine de Sakami, deux sources locales, ainsi qu’une source probablement plus régionale dont l’origine est non-identifiée. La période allant de 7000 à 4100 cal a BP montre des valeurs près des sources locales (Nd : -36 à -29). Une augmentation graduelle des valeurs de Nd à partir de 4100 cal a BP suggère une diminution des apports locaux de poussière à la faveur d’une source non identifiée. La majorité des périodes d’apports accrus de poussières identifiées correspondent à des périodes documentées comme étant froides et sèches probablement lié à des intrusions de masses d’air arctiques. La présence de certains de ces pics de poussières lors de minimums solaires suggère que la variabilité solaire joue aussi un rôle dans la variabilité climatique de la région. / Mineral dust plays an important role in the global climate system having effects on the radiation budget and the chemical composition of the atmosphere. Our understanding of the exact role of dust in the Earth’s climate system is still poorly constrained mostly due to a lack of data reflecting the high spatial and temporal variability of dust. Using peat bogs, spatial and temporal variability of Holocene dust deposition in boreal Quebec was investigated in relation to climate fluctuations. Dust fluxes were reconstructed using rare earth elements (REE) concentrations in bulk peat, while Nd and Pb isotopes in combination with REE were used to identify the source of dust particles deposited into these bogs. In order to evaluate the relationship between dust fluxes and climate variability, temporal changes in dust flux, and Nd isotopes were compared to dust grain size and ecohydrological reconstructions derived from testate amoebae and plant macrofossils. In two peat bogs from the North Shore region of the St. Lawrence Estuary (Baie bog) and Gulf (IDH bog), atmospheric dust fluxes were reconstructed using REE concentration while the geochemical composition of deposited dust was characterized using Nd and Pb isotopes combined with REE and grain size. Both peat bogs present similar Nd values, which suggests either a common source or sources with similar signatures in both regions. In terms of dust flux, the two study sites display distinct tendencies. IDH bog show few variations in dust flux, which can be explained by its geographical setting, where a tree fringe and higher altitude likely partially prevent dust from reaching the peat bog. Two dust events were recorded in the Baie bog from 1750 to 1000 cal BP and 600 to 100 cal BP and correspond to documented cold periods. These two periods have been found to occur at the same time as periods of high variability in the macrofossil record (i.e. successive layers dominated by Sphagnum or Ericaceae). REE elements, Nd and grain-size distribution suggest that, over the last 2000 years, the Baie bog received more local dust. The two periods were identified as periods of increased local storminess in response to regional hydroclimatic instability and temperature variations mainly controlled by solar activity. These episodes of climatic instability could also have been caused by changes in the wind regime. The same set of analyses were performed in a third peatland located in the James Bay region, the La Grande 2 bog (LG2). Increases in dust flux were reconstructed from 4000-3000, 2600-2000, 1600-1000, 800-650 cal BP and from 1960-1990AD. The Nd values show a large variability from -37 to -12, identifying a least three sources: local marine sediment, the Sakami moraine and another unidentified source likely from a more regional origin. Between 7000 and 4100 cal BP, Nd values resemble those localsources (-36 to -29). A gradual increase in Nd signature is observed from 4100 to 1500 cal BP suggesting a decreasing influence of local sources in favor of a yet unidentified source. The occurrence of increased dust deposition during cold periods in two of the three studied bogs suggests that dust fluxes can be used as an indicator of cold and dry climatic conditions in boreal Quebec. In northeastern Canada, these cold and dry conditions are usually the results of the intrusion of Arctic air masses. The exact mechanism controlling these incursion is yet unknown, but the similar timing of solar minima and dust peaks suggest that solar irradiance may also have played a role. The fact that both Baie and LG2 sites display similar tendencies during the last 2000 years reveals that both regions were likely controlled by the same climatic processes.

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

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La quenouille à feuilles larges (Typha latifolia, une plante indigène d’Amérique du Nord) et le roseau commun (Phragmites australis, haplotype M, le génotype exotique d’Eurasie) sont souvent observés dans les tourbières à sphaignes à la suite des activités d’extraction de la tourbe. L’envahissement des milieux humides par ces plantes peut nuire au rétablissement des communautés végétales typiques des tourbières et potentiellement réduire la capacité de ces écosystèmes à stocker le carbone. De plus, les graines produites en grandes quantités peuvent être responsables de la contamination de la tourbe extraite des terrains voisins. Au Québec, des populations denses de quenouille et de roseau ont été répertoriées récemment dans deux bogs de la région du Bas-Saint-Laurent autrefois utilisés pour l’extraction de la tourbe. Le but de ce projet était d’évaluer et tester des méthodes pour lutter contre la propagation de la quenouille et du roseau en tourbière. Différentes méthodes de lutte telles que la fauche des tiges, le bâchage et la revégétalisation ont été testées dans deux sites, Bois-des-Bel (BDB, une tourbière restaurée) et Saint-Alexandre-de-Kamouraska (SAK, une tourbière non restaurée). À BDB, les résultats montrent que le traitement de fauches répétées (trois fois par été) des tiges de quenouille a diminué la densité de repousses de tiges de 77 % et la biomasse aérienne de 88 % par rapport aux secteurs où aucune fauche n’a été effectuée. À SAK, des observations effectuées sur le terrain suggèrent que l’utilisation d’une toile opaque combinée à des plantations de saules pour former rapidement un couvert végétal dense pourrait contribuer à limiter la repousse du roseau. Ce projet aborde une nouvelle perspective de l’envahissement biologique dans les tourbières d’Amérique du Nord. Par ailleurs, il contribue à développer une expertise technique et opérationnelle basée sur l’approche expérimentale pour le contrôle des plantes envahissantes en tourbière. Mots-clés : Quenouille à feuilles larges, Typha latifolia, roseau commun, Phragmites australis, tourbières, bog, envahissement, lutte intégrée / Broad-leaf cattail (Typha latifolia, a native plant in North America) and common reed (Phragmites australis, haplotype M, the exotic Eurasian genotype) are often observed in Sphagnum-dominated peatlands once peat extraction activities have ceased. Both species are tall opportunistic herbs showing highly competitive behavior through vegetative propagation and seed production. They are invasive in peatlands that have been used for peat extraction and could become a major threat to restoration projects by preventing the establishment of desirable plant species and potentially reducing carbon sequestration. Furthermore, seed dispersal could contaminate adjacent commercial peat fields. Dense, nearly monospecific, patches of Cattail and Reed have been recently identified in two bogs located in eastern Canada cutover bogs. The main objective of this project was to evaluate and test methods to prevent the spread of these invasive plants in peatlands. Different control methods, such as repeated stem cutting, tarping and revegetation were tested on cattails and reeds, at Bois-des-Bel (BDB, a restored peatland) and Saint-Alexandre-de-Kamouraska (SAK, an unrestored site). Repeated cuttings (3 times per summer) decreased cattail stem density by 77 % and biomass by 88 % compared to control (no cutting) sites. Field observations suggest that a combination of tarping and planting willows to rapidly establish a dense plant cover could inhibit the regrowth of reeds. This project examines a new aspect of biological invasions in North American peatlands. It contributes to the development of technical and operational expertise regarding invasive plant control, based on experimental evidence. Key words: Broad-leaf cattail, Typha latifolia, common reed, Phragmites australis, peatlands, bog, invasion, control

Plusieurs tourbières ombrotrophes des régions tempérées sont présentement caractérisées par un processus de densification rapide de leur couverture forestière. Au Québec, ce phénomène implique diverses espèces, autant conifériennes qu'à feuillage décidu. La présente étude visait à documenter le boisement de la tourbière de la base de plein air de Sainte-Foy, située au sein d'un paysage semi-urbain de la ville de Québec, qui montre un important déploiement du mélèze laricin et de l'érable rouge. Les principaux objectifs étaient de caractériser la dynamique contemporaine du couvert forestier à l'aide d'analyses dendrométriques, dendrochronologiques et de photographies aériennes, et de reconstituer l'évolution à long terme (plusieurs millénaires) des espèces arborescentes via la conjugaison de l'identification botanique de pièces de bois préservées dans la tourbe et de l'analyse macrofossile. L'hypothèse qui a été testée est que la flore de la tourbière a toujours comporté des espèces arborescentes conifériennes mais de façon éparse. La constitution d'une couvert forestier dense et mixte serait un phénomène récent, associé à des perturbations anthropiques. Le couvert végétal s'est modifié rapidement depuis 1970, d'abord par la formation d'un mélèzin. Le mélèze étant présentement incapable de se régénérer, il est progressivement supplanté par l'érable rouge. Cette dynamique récente fait suite à plusieurs millénaires durant lesquels la tourbière a toujours présenté une physionomie arbustive et où les arbres étaient présents de façon éparse. La densification du couvert forestier fut causée par les activités humaines en périphérie de la tourbière (agriculture, construction d'une gare de triage) qui ont eu pour effet de réduire sa superficie et de l'assécher. L'érable rouge domine maintenant la régénération au sol et devrait, à plus ou moins long terme, devenir l'espèce dominante pour former une érablière rouge sur tourbe.