Nous avons étudié l'impact des variations climatiques sur la phénologie et le succès de la reproduction chez la Grande Oie des neiges (Chen caerulescens atlantica), une espèce nichant en Arctique où le réchauffement climatique est particulièrement prononcé. Nos analyses ont été effectuées sur la base d'une banque de données climatiques et biologiques de 16 ans (1989-2004) récoltées sur l'île Bylot dans l'Arctique canadien. La variation individuelle de la phénologie de la reproduction était expliquée à environ 50% par des facteurs climatiques printaniers, principalement par la température de l'air et la couverture neigeuse. Au contraire, le succès reproducteur jusqu'à l'envol était davantage influencé par les valeurs extrêmes du climat régional (i.e. l'indice de l'OA) au cours de l'été que par les conditions climatiques printanières. La taille et la masse des oisons peu avant l'envol étaient généralement réduites par des températures printanières élevées, vraisemblablement parce que ces conditions diminuaient la synchronisation entre la date d'éclosion des oisons et le pic dans la qualité maximale des plantes en début de saison. Ce décalage est survenu puisque la phénologie des plantes est davantage devancée que celle des oies lors des printemps chauds. Nous concluons que le réchauffement climatique devrait devancer la phénologie de la reproduction des oies, mais que des températures printanières élevées et des valeurs extrêmes de l'indice estival de l'OA pourraient diminuer leur succès reproducteur. / We studied the impact of climatic variations on the breeding phenology and the reproductive success of the Greater Snow Goose {Chen caerulescens atlantica), a migratory bird breeding in the Arctic where climate warming is most pronounced. Our analysis used a 16-year climatic and biology database (1989-2004) collected on Bylot Island in the Canadian Arctic. About 50% of the individual variation in reproductive phenology was explained by climatic factors in spring, mostly air temperature and snow cover. In contrast, breeding success up to fledging was more influenced by extreme values of the regional climate (i.e. the AO index) during the summer than by the spring climatic conditions. Goslings size and mass near fledging were generally reduced in years with high spring temperatures, likely because these conditions reduced the synchronization between goslings hatching date and the early season peak in plant quality. This mismatch occurred because the advancement in phenology during warm springs is more pronounced in plants than in geese. We conclude that climate warming should advance the reproductive phenology of geese, but that high spring temperatures and extreme values of the summer AO index may decrease their reproductive success.

Water chemistry and bioindicators (diatoms and invertebrates) were examined for freshwater lakes, ponds and streams in two regions within Sirmilik National Park, northern Baffin Island, Nunavut. Significant differences were recorded between the water chemistry and diatom and invertebrate assemblages of the two regions. Modern diatom assemblages were explained mainly by specific conductivity, ORP, pH, temperature, elevation and distance from the coast. Paleolimnological techniques were applied to a sediment core from Lake BY14 on Bylot Island. Fossil diatom assemblages indicate increases in nutrients and temperature since 1935 AD. The diatom biostratigraphy does not show as large an increase in diversity and production since the middle 20th century as has been noted elsewhere, and this may be a reflection of the more nutrient-rich status of the lake relative to other Arctic lakes.

Water chemistry and bioindicators (diatoms and invertebrates) were examined for freshwater lakes, ponds and streams in two regions within Sirmilik National Park, northern Baffin Island, Nunavut. Significant differences were recorded between the water chemistry and diatom and invertebrate assemblages of the two regions. Modern diatom assemblages were explained mainly by specific conductivity, ORP, pH, temperature, elevation and distance from the coast. Paleolimnological techniques were applied to a sediment core from Lake BY14 on Bylot Island. Fossil diatom assemblages indicate increases in nutrients and temperature since 1935 AD. The diatom biostratigraphy does not show as large an increase in diversity and production since the middle 20th century as has been noted elsewhere, and this may be a reflection of the more nutrient-rich status of the lake relative to other Arctic lakes.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2016-2017 / Les populations caractérisées par des fluctuations cycliques ont fasciné et continuent de générer un grand intérêt chez la communauté scientifique en raison de la complexité des facteurs de régulation qui en sont responsables. Plusieurs hypothèses ont été proposées pour expliquer ces fluctuations cycliques mais aucun consensus n’a encore été atteint malgré près de 100 ans de recherche. La disponibilité de la nourriture et les effets sociaux (e.g. interactions compétitives) ont été proposés comme facteurs responsables de cycles de certaines espèces. Toutefois, la prédation est probablement le facteur le plus susceptible de causer des fluctuations cycliques chez les populations fauniques en raison de son effet dépendant de la densité avec délai. Un tandem circulaire de raréfaction et densification des prédateurs et des proies par des effets directs (i.e. mortalités) seraient à l’origine des cycles d’abondance. De plus, de récentes études montrent que les effets indirects (comme le stress) de la prédation pourraient être aussi importants que les effets directs pour générer les fluctuations cycliques. Cette thèse vise à identifier les effets directs et indirects de la prédation qui affectent la population de lemmings bruns de l’Île Bylot, Nunavut, caractérisée par des cycles d’abondance de 3-4 ans. Pour ce faire, nous avons d’abord comparé la plausibilité de l’hypothèse de la limitation par nourriture vis-à-vis l’hypothèse de la prédation en déterminant la chronologie saisonnière des cycles des lemmings. Ensuite, nous avons construit en 2012-2013 une clôture de 9 ha coiffée d’un filet anti-prédateur aviaire dans lequel nous avons piégé les lemmings de 2013 à 2015. Une deuxième grille de trappage sans clôture a été utilisée à des fins de comparaisons. Ces deux grilles étaient actives dès 2008, ce qui nous a permis d’avoir un contrôle pré-expérimental pour les données démographiques (effets directs). En 2014 et 2015, nous avons récolté les fèces des lemmings dans les deux grilles de trappage afin de quantifier les métabolites d’hormones de stress. Une validation de la mesure des métabolites fécales des glucocorticoïdes (i.e. hormones de stress) a été menée afin de mesurer le stress des lemmings de façon non-invasive. Les résultats sont clairs : (1) le déclin des lemmings se produit à la fin de l’été alors que les prédateurs sont au plus fort de leur abondance et pas à la fin de l’hiver, supportant ainsi l’hypothèse de la limitation par la prédation. Nos résultats suggèrent aussi (2) que les lemmings à l’intérieur de la clôture avaient une survie plus élevée qu’à l’extérieur, favorisant ainsi une croissance plus forte de la population. Ensuite, (3) les lemmings ont montré des niveaux de stress plus faibles sans prédation sans toutefois que cela ait un impact sur leur reproduction. À la lumière des résultats de cette thèse et en les comparant avec deux autres études ayant aussi réduit expérimentalement l’abondance des prédateurs dans la toundra arctique, nous pouvons conclure que la prédation est la force trophique dominante de régulation de l’abondance des lemmings. Cette étude montre également que le stress induit par la prédation est insuffisant pour avoir un impact sur la dynamique des lemmings en été, soit pendant la saison où la prédation est maximale. Il est possible que cette absence d’effet soit une réponse adaptative des lemmings pour maintenir une reproduction élevée face à une prédation élevée, et ainsi maximiser leur aptitude phénotypique. / Populations characterised by cyclic fluctuations have fascinated and continue to generate a great interest among the scientific community because of the complexity of the regulating factors. Several hypotheses have been proposed to explain these cyclical fluctuations but no consensus has yet been reached despite nearly 100 years of research. The availability of food and social effects (e.g. competitive interactions) has been proposed as factors responsible for cycles in certain species. However, predation is probably the factor most likely to cause cyclical fluctuations in wildlife populations due to its delayed density-dependence. A circular tandem of rarefaction and densification of predators and prey caused by direct effects (i.e. mortalities) can cause cycles of abundance. Moreover, recent studies show that indirect effects of predation such as stress could be as important as direct effects in generating cycles. This thesis aims to identify direct and indirect effects of predation that affect the cyclic brown lemming populations of Bylot Island, Nunavut, which is characterized by 3-4 yr cycles. To do this, we first compared the plausibility of the food limitation hypothesis vs. the predation limitation hypothesis by determining the seasonal timing of lemming cycles. We then we built a 9-ha fence in 2012-2013 covered by an anti-avian predator net in which we trapped lemmings from 2013 to 2015. A second control trapping grid was used for comparisons. These two grids were active since 2008, allowing us to have a pre-experimental control for demographic parameters (direct effects). In 2014 and 2015, we collected lemming feces in the two trapping grids to quantify stress hormone metabolites. A validation of the measurement of fecal glucocorticoid metabolites (i.e. stress hormones) was conducted to measure stress non-invasively. The results are clear: (1) the decline of lemmings occurs in late summer when predators are at their peak abundance and not in late winter, thereby supporting the predator-limitation hypothesis. Our results also suggest (2) that lemmings within the fence had higher survival than outside, thus promoting a higher growth of the population. Then, (3) even though lemmings had lower stress levels without predation, stress had no impact on their reproduction. In light of the results of this thesis and according to two other studies during which predator abundance was also reduced experimentally in the Arctic tundra, I conclude that predation is the dominant trophic force that regulates the abundance of lemmings. This study also shows that the stress induced by predation is insufficient to affect the dynamics of lemmings in summer, when predation is maximum. It is possible that this lack of an effect is an adaptive response by lemmings to maintain high reproductive rate despite high predation, and thus maximize their fitness.

L'objectif principal de ce mémoire était d'approfondir nos connaissances sur la dynamique des populations de deux espèces sympatriques de lemming, le lemming brun (Lemmus sibericus) et le lemming variable {Dicrostonyx groenlandicus) à l'Ile By lot, Nunavut, Canada. Une première analyse a permis de caractériser les fluctuations interannuelles d'abondance des deux espèces sur une période de 13 ans. Cette analyse a montré que la cyclicité des deux espèces diffère, malgré une période équivalente de 3-4 ans. Les variations d'amplitude chez le lemming brun, l'espèce la plus abondante, étaient plus importantes que chez le lemming variable, mais synchrones entre les deux espèces. Nous avons aussi analysé la démographie des deux espèces au cours de deux années consécutives, une de pic d'abondance et une de déclin. Nos résultats suggèrent une plus grande variation interannuelle de la démographie et de la densité pour le lemming brun par rapport au lemming variable. On n'a noté aucune différence dans les variations saisonnières entre les deux espèces. De façon générale, la taille de la population adulte diminuait durant l'été alors que le taux de reproduction et l'abondance des jeunes augmentaient. / The main objective of this thesis was to improve our knowledge on the population dynamic of two sympatric lemming species, the brown lemming (Lemmus sibericus) and the collared lemming (Dicrostonyx groenlandicus) on Bylot Island, Nunavut, Canada. In a first analysis, we characterised inter-annual fluctuations in abundance of both species over a 13-year period. The cyclicity differed between the two species but periodicity was the same (3-4 years). Fluctuations were of greater amplitude in the brown lemming, the most abundant species, than in the collared lemming but nonetheless synchronous between species. We also analysed the demography in both species during two consecutive years, a peak and a declining year of abundance. Our results suggest that the demography and density of brown lemmings was more variable than those of collared lemmings. We found no differences between the two species in seasonal variations. Generally, adult population size decreased during the summer and the reproductive rate and abundance of juveniles increased.

L’évaluation du rôle joué par les interactions trophiques dans un écosystème est essentielle afin de comprendre sa structure. La prédation pourrait être particulièrement importante dans les réseaux trophiques simples caractérisés par une faible productivité primaire comme la forêt boréale ou la toundra arctique. Nous avons mesuré la pression de prédation imposée par les principales espèces d’oiseaux prédateurs sur les populations de petits mammifères dans la toundra en évaluant précisément leurs réponses numériques, fonctionnelles et totales à l’Île Bylot, Nunavut et à l’Île Herschel, Yukon, Canada. Nous avons ainsi pu démontrer que la pression de prédation imposée par les oiseaux prédateurs est très forte, et qu’elle serait suffisante pour limiter les populations d’une des deux espèces de lemmings pendant la saison estivale. Nous avons ensuite étudié les déplacements annuels du harfang des neiges (Bubo scandiacus) afin de mieux évaluer son rôle dans la dynamique spatiale de l’écosystème terrestre arctique. À l’aide de la télémétrie par satellite, nous avons pu déterminer que le harfang effectuait des déplacements exploratoires printaniers importants et démontrait une très grande dispersion reproductive annuelle. De plus, nous avons évalué les taux de survie et de reproduction annuels chez les femelles harfangs et avons démontré que ces oiseaux pouvaient se reproduire à chaque année dans un environnement où la disponibilité des ressources varie considérablement et de façon irrégulière d’une année à l’autre. Finalement, nous avons étudié l’utilisation hivernale de l’espace chez ces oiseaux. Nous avons ainsi pu démontrer les liens étroits qui existent entre écosystèmes puisque le harfang, un prédateur reconnu pour se spécialiser sur des proies terrestres, semble s’alimenter de proies marines pendant une partie importante de son cycle annuel. Globalement, nos résultats indiquent que les oiseaux prédateurs peuvent fortement influencer le fonctionnement du réseau trophique de la toundra. Leur rôle dans l’écosystème terrestre est aussi vraisemblablement modulé par leur mobilité et la présence de subsides allochtones. / Evaluation of the role played by predator-prey interactions in an ecosystem is essential to understand its food web structure. Predation has been suggested to be especially important in simple food webs characterized by a low primary productivity such as the boreal forest or the Arctic tundra. We first measured the predation pressure that the main species of predatory birds imposed on small mammal populations of the tundra by assessing precisely their numerical, functional and total responses on Bylot Island, Nunavut and Herschel Island, Yukon, Canada. We were able to show that the predation pressure imposed by predatory birds is very strong, and appears to be sufficient to limit the populations of one of the two species of lemmings during the summer. We then studied the annual movements of snowy owl (Bubo scandiacus) to better assess its role in the spatial dynamic of the Arctic terrestrial ecosystem. Using satellite telemetry, we showed that owls do extensive exploratory movements in spring and exhibit very large annual breeding dispersal movements. In addition, we evaluated the annual survival and reproduction rates in breeding female snowy owl and showed that these birds can breed every year in an environment where resource availability can vary considerably and irregularly from year to year. Finally, we investigated winter space use in this species. We were able to demonstrate the close links between ecosystems as snowy owls, well-known to specialize on rodents, seem to feed on marine prey for a significant part of their annual cycle. Globally, our results show that avian predators can greatly influence the tundra food web functioning. Their role is apparently modulated by their mobility and access to allochthonous subsidies.