Au cours des dernières décennies, le réchauffement climatique a entrainé une arbustation accélérée des écosystèmes arctiques. En modifiant l'albédo, les arbustes influencent la température de l'atmosphère, du manteau neigeux et du pergélisol, ce qui pourrait accélérer la fonte ou le dégel de ces deux derniers et initier de fortes boucles de rétroaction positive qui accentueraient les effets des changements climatiques. L'une des conséquences principales de cette arbustation est la réduction de l'albédo de la neige par les branches qui dépassent du manteau neigeux et en assombrissent la surface. De plus, des interactions complexes entre neige et arbustes d'une part modulent la remobilisation et le transport de la neige par le vent et d'autre part accélèrent la fonte durant les redoux. Ainsi, la présence d'arbustes au sein du manteau neigeux peut affecter les propriétés physiques et optiques de la neige, altérant encore davantage l'albédo de la surface affectée. Enfin, les branches ensevelies dans la neige peuvent également influencer le budget radiatif en absorbant les rayons lumineux car ceux-ci pénètrent généralement à plus de 10 cm de profondeur dans le manteau neigeux. Pour étudier et quantifier les interactions entre la neige, les arbustes et la lumière, nous avons récolté un jeu de données unique qui compare des manteaux neigeux avec et sans arbustes. Pour tous les sites échantillonnés, nous avons mesuré l'albédo spectral in situ et les profils de propriétés physiques de la neige ainsi que d'irradiance. Nous avons récolté ces données dans le bas Arctique, à Umiujaq, Nord du Québec, Canada (56° N, 76° W), au cours de plusieurs campagnes de terrain d'automne et d'hiver. En nous basant sur les données obtenues ainsi que des données de taille et de distribution verticale de branches d'arbustes, nous avons développé et validé une paramétrisation simple mais efficace permettant de modéliser l'albédo de surfaces hétérogènes composées de neige et d'arbustes. Cette nouvelle paramétrisation nous a permis de modéliser l'albédo avec une erreur inférieure à 3 %. Elle peut être utilisée de manière prédictive et est facile à intégrer aux modèles de système terre. L'albédo ainsi modélisé nous a permis d'élucider des processus importants des interactions entre la neige, les arbustes et la lumière. Nous avons trouvé que la réduction de l'albédo par les branches qui dépassent du manteau neigeux dépend de la longueur d'ondes considérée. Tôt durant la saison nivale, les branches diminuent l'albedo de 55 % à 500 nm et 18 % à 1000 nm. En revanche, l'effet des branches sur les propriétés physiques de la neige n'étaient pas suffisamment importants pour affecter l'albédo, sauf lors d'évènements climatiques extrêmes comme les blizzards ou les épisodes de chaleur. Nos résultats suggèrent que l'impact direct de l'assombrissement par les branches est largement supérieur aux effets indirects causés par les changements des propriétés physiques de la neige. Cependant, ces derniers pourraient gagner en importance si les évènements climatiques extrêmes devenaient plus fréquents au fur et à mesure que le réchauffement de l'Arctique s'intensifie. Finalement, nous montrons que l'impact des branches ensevelies sous la neige se traduit surtout par une augmentation de la fonte durant les épisodes de chaleur ainsi que par une intensification des processus métamorphiques tôt dans la saison. Cependant ces impacts étaient extrêmement localisés et restreints à l'environnement très proche des branches. Pour cette raison, il a été difficile de quantifier l'impact des branches ensevelies sur le budget radiatif terrestre, d'autant plus que les concentrations de carbone suie élevées (185 ng g⁻¹) dans le manteau neigeux d'Umiujaq ont accentué l'incertitude quant à l'effet relatif de ces deux processus sur l'albédo. Finalement, comme notre paramétrisation pour modéliser l'albédo a été développée sur la base de données provenant d'un seul site, nous croyons qu'il serait nécessaire de la tester de manière plus générale, avec des données provenant d'autres endroits. De cette manière, elle pourrait ensuite être intégrée aux modèles de surface continentale, ce qui permettrait d'inclure un effet réaliste de l'arbustation actuelle et future de l'Arctique sur les scénarios climatiques locaux et globaux. / Arctic warming is causing an expansion of deciduous shrubs in the Arctic tundra biome. By modifying albedo, shrubs affect the temperature of the atmosphere, snowpack and permafrost, potentially increasing permafrost thawing and snow melting, and forming a powerful feedback to global warming. The most prominent impact of shrubs is a reduction of surface albedo when dark branches protrude above the bright snow surface. Additionally, complex snow-shrub interactions modify snow redistribution during windy conditions and increase snowmelt rates during warm spells. Thus, snow over shrub-covered tundra may have different physical and optical properties, leading to further modification of surface albedo. Finally, shrub branches buried in snow may still have an impact on the radiation budget because they can absorb light rays which generally penetrate deeper than 10 cm into the snowpack. To study and quantify the snow-shrub-light interactions, we collected a unique dataset comparing snowpacks with and without shrubs. For every site sampled, we measured in situ spectral albedo (400–1080 nm) and recorded snow physical properties and irradiance profiles. These data were acquired in a low Arctic site near Umiujaq, Northern Quebec, Canada (56° N, 76° W), during several field campaigns in autumn and winter. Based on these field data and a dataset of branch sizes and vertical distribution, a simple yet accurate parameterization for modeling albedo of mixed snow-shrub surfaces was developed and validated. This new parameterization had an accuracy of 3 %, can be used in a predictive way, and is easy to implement in earth system models. We uncovered important insights on snow-shrub-light interactions. Surface darkening by protruding branches was wavelength-dependent, and decreased albedo early in the snow season by 55 % at 500 nm and 18 % at 1000 nm. Changes in snow physical properties that were significant enough to impact albedo only occurred in conjunction with extreme weather events like after blizzards or during warm spells. Thus, the direct impact of darkening from shrubs likely dominates over the indirect impact from changes in snow physical properties, however the latter may gain in importance if extreme weather events become more frequent as Arctic warming progresses. The impact of buried branches was very localized, increasing snow melting during warm spells and enhancing snow metamorphic processes early in the season in the direct vicinity of branches. However, quantifying the impact of buried branches on the radiation budget was challenging due to their highly localized effect and because of high black carbon concentrations in the snowpack at our study site, which reached 185 ng g-1. We suggest that future research test the parameterization developed here more broadly, as this study was based on data from just one study site. The parametrization can then be implemented into land surface models, allowing for reliable estimates of the effect of current and projected Arctic shrubification on global and regional warming.

Les changements climatiques ont entraîné une augmentation de la productivité végétale à l'échelle des régions circumpolaires. Ce phénomène, appelé verdissement, est documenté par des données de télédétection démontrant une augmentation de l'indice de végétation par différence normalisée (NDVI) et est principalement attribuable au phénomène d'arbustation. Le verdissement et l'arbustation suscitent un intérêt grandissant pour l'étude de la réponse des espèces arbustives aux changements climatiques et des facteurs responsables de l'hétérogénéité du verdissement. L'étude de la réponse des espèces arbustives nécessite toutefois des méthodes dendrochronologiques adaptées à leur forme de croissance particulière. De plus, peu d'études se sont concentrées sur la réponse différentielle des espèces arborescentes et arbustives aux changements climatiques. Les deux objectifs principaux de ce projet de recherche étaient donc de déterminer si la conversion des largeurs de cernes en surface peut être utilisée comme méthode de standardisation en dendrochronologie des arbustes et de déterminer si une réponse différentielle des espèces arbustives et arborescentes aux changements climatiques pourrait être à l'origine de l'hétérogénéité du verdissement des régions nordiques. L'utilisation des surfaces de cernes au lieu des largeurs standardisées de façon conventionnelle nous a permis d'obtenir des résultats de sensibilité climatique plus robustes et constants et de diminuer l'écart de sensibilité entre les branches et les collets. Nos résultats démontrent aussi que les arbres et les arbustes présentent des différences de réactivité aux changements climatiques et que la contribution aux augmentations de NDVI d'une espèce peut varier spatialement. Ce projet représente une contribution majeure au domaine de l'écologie nordique en adaptant les méthodes en dendrochronologie des arbustes et en améliorant notre compréhension du verdissement des régions circumpolaires. / Climate change has triggered an increase in plant productivity across circumpolar regions that can be seen on satellite images through increases in the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). This Arctic greening, mainly linked to shrub expansion, has triggered a growing interest in studying the response of shrub species to global warming as well as the factors responsible for the Arctic greening heterogeneity. To study the response of shrubs, dendrochronological methods need to be adapted to the particular growth form of shrub species. Moreover, very few studies have focused on the differential response of trees and shrubs species to climate change. Therefore, the two main objectives of this project were to determine if the conversion of ring width into ring area is an appropriate detrending method when shrub stems are used in dendrochronological studies and to determine whether differential responses of shrub and tree species to climate change could partially explain the greening heterogeneity of the Arctic and subarctic regions. We obtained more robust and consistent climate sensitivity results and a reduced sensitivity gap between stems and root collars of shrubs when using ring areas instead of conventionally standardized ring widths. Our results also showed that trees and shrubs differ in their response to climate change and that the contribution of a given species to the NDVI may vary spatially. This project represents a major contribution to the field of northern ecology by adapting methods in shrub dendrochronology and by improving our understanding of the greening of circumpolar regions.

Les changements climatiques ont entraîné une augmentation de la productivité végétale à l'échelle des régions circumpolaires. Ce phénomène, appelé verdissement, est documenté par des données de télédétection démontrant une augmentation de l'indice de végétation par différence normalisée (NDVI) et est principalement attribuable au phénomène d'arbustation. Le verdissement et l'arbustation suscitent un intérêt grandissant pour l'étude de la réponse des espèces arbustives aux changements climatiques et des facteurs responsables de l'hétérogénéité du verdissement. L'étude de la réponse des espèces arbustives nécessite toutefois des méthodes dendrochronologiques adaptées à leur forme de croissance particulière. De plus, peu d'études se sont concentrées sur la réponse différentielle des espèces arborescentes et arbustives aux changements climatiques. Les deux objectifs principaux de ce projet de recherche étaient donc de déterminer si la conversion des largeurs de cernes en surface peut être utilisée comme méthode de standardisation en dendrochronologie des arbustes et de déterminer si une réponse différentielle des espèces arbustives et arborescentes aux changements climatiques pourrait être à l'origine de l'hétérogénéité du verdissement des régions nordiques. L'utilisation des surfaces de cernes au lieu des largeurs standardisées de façon conventionnelle nous a permis d'obtenir des résultats de sensibilité climatique plus robustes et constants et de diminuer l'écart de sensibilité entre les branches et les collets. Nos résultats démontrent aussi que les arbres et les arbustes présentent des différences de réactivité aux changements climatiques et que la contribution aux augmentations de NDVI d'une espèce peut varier spatialement. Ce projet représente une contribution majeure au domaine de l'écologie nordique en adaptant les méthodes en dendrochronologie des arbustes et en améliorant notre compréhension du verdissement des régions circumpolaires. / Climate change has triggered an increase in plant productivity across circumpolar regions that can be seen on satellite images through increases in the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI). This Arctic greening, mainly linked to shrub expansion, has triggered a growing interest in studying the response of shrub species to global warming as well as the factors responsible for the Arctic greening heterogeneity. To study the response of shrubs, dendrochronological methods need to be adapted to the particular growth form of shrub species. Moreover, very few studies have focused on the differential response of trees and shrubs species to climate change. Therefore, the two main objectives of this project were to determine if the conversion of ring width into ring area is an appropriate detrending method when shrub stems are used in dendrochronological studies and to determine whether differential responses of shrub and tree species to climate change could partially explain the greening heterogeneity of the Arctic and subarctic regions. We obtained more robust and consistent climate sensitivity results and a reduced sensitivity gap between stems and root collars of shrubs when using ring areas instead of conventionally standardized ring widths. Our results also showed that trees and shrubs differ in their response to climate change and that the contribution of a given species to the NDVI may vary spatially. This project represents a major contribution to the field of northern ecology by adapting methods in shrub dendrochronology and by improving our understanding of the greening of circumpolar regions.

Les changements climatiques ont des effets importants sur la dynamique des écosystèmes subarctiques puisqu'ils résultent généralement en de meilleures conditions de croissance pour les espèces végétales. Une telle amélioration pourrait se répercuter sur la performance des espèces ligneuses et mener à la densification ou à l'avancée des peuplements arbustifs et arborescents, ce qui résulterait en la complexification de la structure verticale de ces écosystèmes. L'objectif de cette étude est de caractériser la biomasse, la croissance et l'évolution de la structure des communautés végétales au Nunavik (Québec). Pour ce faire, la caractérisation et l'échantillonnage de trois stations couvrant un gradient latitudinal s'étendant de la zone de la pessière à lichens jusqu'à la toundra arbustive ont été réalisés lors des étés 2018 et 2019. En plus des relevés de végétation permettant de quantifier la strate arbustive, des échantillons de Betula glandulosa ont été récoltés afin d'effectuer des analyses dendrochronologiques. Nos résultats montrent que les caractéristiques du couvert arbustif sont plutôt fonction de la formation végétale échantillonnée que de la position le long du gradient latitudinal, soulignant l'importance des facteurs biotiques (compétition) et abiotiques (topographies, expositions au vent) sur la dynamique de la strate arbustive. Nos résultats démontrent également que le taux de croissance vertical de B. glandulosa tend à diminuer du sud vers le nord le long du gradient d'intérêt. Finalement, nous avons également démontré que la croissance radiale de cette espèce dépend principalement de la température estivale et des précipitations en début de saison hivernale. Toutefois, les individus dans la portion nord du gradient ont une sensibilité climatique plus élevée que ceux de la portion sud. Nos résultats démontrent que le développement de la structure verticale de la strate arbustive sera plus lent pour les écosystèmes de la zone bioclimatique de la toundra arbustive, et ce même si la performance de l'espèce arbustive dominante y présente une sensibilité climatique accrue. / Climate change has important effects on the dynamics of subarctic ecosystems since it generally results in better growing conditions for plant species. Such an improvement could have repercussions on the performance of woody species and lead to the densification or advance of shrub and tree stands, which would increase in the complexity of the vertical structure of these ecosystems. The objective of this study is to characterize biomass, growth and the evolution of the plant structure of plant communities in Nunavik (Quebec). To do so, we characterized and sampled of three stations covering a latitudinal gradient extending from the spruce-lichen forest to the shrub tundra during the summers of 2018 and 2019. Vegetation surveys were carried out to quantify the shrub layer and samples of Betula glandulosa were collected to perform dendrochronological analyses. Our results show that shrub cover characteristics are more a function of the plant formation sampled than of the position along the latitudinal gradient, suggesting that biotic (competition) and abiotic (topography, wind exposures) factors have a strong influence on the dynamics of the shrub layer. Our results also show that the vertical growth rate of B. glandulosa tends to decrease from south to north along the gradient. Finally, we also demonstrated that the radial growth of this species mainly responds on summer temperature and early winter precipitation. However, individuals in the northern portion of the gradient have a higher climate sensitivity than those in the southern portion. Our results show that the development of the vertical structure of the shrub layer will be slower in the shrub tundra bioclimatic zone, even if the performance of the dominant shrub species has an increased climatic sensitivity in this zone.

L’analyse de photographies de la région de la rivière Boniface (Nunavik) a montré une forte expansion du couvert arbustif entre 1957 et 2008. L’objectif principal de ce projet était de déterminer si cette expansion est observable dans les assemblages polliniques récents des sédiments lacustres de cette région. Pour ce faire, une analyse pollinique à fine résolution temporelle a été effectuée sur les sédiments de deux lacs. Les pourcentages polliniques du bouleau glanduleux, la principale espèce responsable de la densification du couvert arbustif, sont plus élevés dans les sédiments récents de ces lacs. De plus, les influx polliniques calculés à l’aide de la datation au 210Pb montrent une augmentation des genres Betula et Alnus depuis environ 1975. Ces influx polliniques doivent toutefois être interprétés avec prudence en raison de difficultés liées à l’élaboration de la chronologie des sédiments. L’analyse pollinique à fine résolution semble néanmoins permettre de détecter l’expansion récente des arbustes.

Dans cette étude, la performance d'espèces arbustives dominantes a été étudiée au Mont de La Passe (altitude de 1242 mètres) dans le Parc National de la Gaspésie (PNG) le long d'un gradient altitudinal. Une cartographie récente (2008) de la limite altitudinale des formations de krummholz ainsi qu'une comparaison de photographies aériennes (1975 et 2004) ont été effectuées afin de déceler une possible expansion de la limite de certaines espèces arbustives ou une densification de leur population. De plus, un suivi phénologique, la récolte de fruits ainsi que la récolte d'individus ont été effectués dans cinq étages de végétation (forêt ouverte (1), subalpin (2), alpin inférieur (3), alpin moyen (4) et alpin supérieur (5)). Cet échantillonnage a permis d'analyser l'efficience de la reproduction sexuée de Betula glandulosa, d'Empetrum hermaphroditum, de Vaccinium uliginosum et de Vaccinium vitis-idaea ainsi que la croissance radiale de B. glandulosa. Au Mont de La Passe, une densification des espèces arbustives les plus abondantes semble être en cours depuis le milieu des années 1970. La densification observée se concentre dans l'étage de végétation alpin inférieur, près de la limite altitudinale des formations de krummholz. La répartition des espèces ainsi que leur performance reproductive et de croissance semblent être influencées par la modification des conditions climatiques survenant avec l'augmentation de l'altitude, ainsi que par la compétition présente dans les étages de plus basse altitude. V. uliginosum, qui montre une production de fruits supérieure vers le sommet et un taux moyen de germination élevé similaire tout le long du gradient, semble être davantage influencé par la compétition et être une espèce tolérante à la rigueur du climat. D'autres espèces semblent davantage affectées par ces conditions climatiques rigoureuses et connaissent de meilleures performances en plus basse altitude, comme E. hermaphroditum. Toutefois, l'étude d'individus de B. glandulosa révèle que la température des deux dernières décennies serait un facteur d'importance expliquant l'augmentation de la croissance radiale observée dans les étages de végétation alpins moyen et supérieur. Ainsi, la performance accrue des principales espèces arbustives présentes en grande abondance au Mont de La Passe pourrait être due, en partie, au réchauffement que connaît la région depuis peu. Ces espèces pourraient dès lors se propager vers de plus hautes altitudes, menaçant les quelques espèces arctiques-alpines (Diapensia lapponica, Loiseleuria procumbens, Rhododendron lapponicum, etc.) confinées aux sommets et présentes en faible abondance. La bonne croissance et le succès reproducteur des individus d'espèces arbustives à port érigé des étages alpins laissent croire à une possible fermeture du couvert arbustif vers le sommet, phénomène pouvant conduire à une perte de biodiversité au Mont de La Passe dans les prochaines décennies.