La sélection d’habitat et les mouvements sont parmi les caractéristiques les plus étudiées en écologie animale puisqu’ils font partie intégrante de la dynamique et de la distribution des populations. En effet, la sélection d’habitat peut influencer la survie des cerfs de Virginie en hiver. Dans cette étude, j’ai montré que cette influence semble être plus importante à grande échelle, indiquant par le fait même son plus grand potentiel pour influencer la survie, d’où l’importance d’aménager adéquatement les ravages de cerfs de Virginie à grande échelle. Les cerfs ont également démontré une sélection pour les chemins primaires, influence qui s’est répercutée sur les mouvements. Ainsi, les cerfs ont diminué la distance parcourue lorsqu’ils se trouvaient à proximité des chemins lorsque les mouvements sont étudiés à fine échelle. De plus, l’utilisation d’intervalles de temps continus pour les points GPS, une méthode innovatrice, a permis de découvrir que, peu importe l’intervalle de temps étudié, les cerfs maximisent l’utilisation de l’habitat tout en minimisant leurs déplacements en revenant fréquemment sur leur pas. / Habitat selection and movements are among the most studied parameters in wildlife ecology since they influence population distribution and its dynamics. Indeed, habitat selection may influence white-tailed deer winter survival. In this study, I showed that the influence of habitat on survival appears to be more important at broad scale, thus indicating its greater potential to influence survival. This demonstrates the importance of adequately managing white-tailed deer yards at a broader scale. Deer also showed a selection for primary roads, an influence that was reflected on movements. They lowered their distance moved when movements were occurring near roads when these were studied at a fine temporal scale. Also, the use of a continuous-time interval for GPS fixes, a novel sampling strategy we used here, demonstrated that no matter the time interval used, white-tailed deer maximize their habitat use while minimizing displacements since they tend to reverse their direction.

De nombreuses populations migratrices sont actuellement en déclin. Les changements climatiques entrainent des modifications dans les habitats des espèces migratrices et la phénologie des processus naturels, lesquels se répercutent sur la migration, une période critique pour ces espèces. Comprendre comment les variables environnementales et climatiques affectent la phénologie et les patrons de migration est donc crucial. Ma thèse s'intéresse à l'impact du climat, des ressources alimentaires et de la compétition sur les migrations printanières et automnales des caribous migrateurs, Rangifer tarandus, des troupeaux Rivière-George (TRG) et Rivière-aux-Feuilles (TRF) du Nord-du-Québec et du Labrador. Le premier volet de ma thèse propose une approche objective, basée sur la détection des changements dans la structure des déplacements saisonniers, pour identifier les dates de départ et arrivée en migration. Validée à l'aide de trajets simulés, elle a été appliquée aux migrations printanières et automnales de femelles caribous. Le second volet porte sur l'impact des conditions environnementales sur la phénologie des migrations de printemps et d'automne. Il montre que la phénologie de la migration est principalement affectée par les conditions climatiques rencontrées lors de la migration, les conditions d'enneigement affectant notamment les coûts des déplacements. Au printemps, les caribous subissent des conditions défavorables lorsque la fonte des neiges est précoce. À l'automne, ils semblent ajuster leurs déplacements et migrent plus vite quand la neige débute tôt pour limiter les coûts de déplacement dans une neige profonde. Le troisième volet porte sur les patrons de migration à l'automne et montre que ceux-ci sont affectés essentiellement par une compétition intra- et inter-troupeaux pour les aires d'hivernages. Les caribous du TRG répondent à une augmentation de la compétition sur les aires les plus proches de l'aire de mise bas, liée à une taille de population élevée, en migrant préférentiellement vers les aires les plus éloignées. L'utilisation des aires hivernales par les caribous du TRF est, quant à elle, contrainte par la présence et l’abondance du TRG, cette contrainte diminuant à mesure que le TRG décline et abandonne les migrations vers les aires d'hivernages communes aux deux troupeaux. Cette thèse améliore notre compréhension de l'influence des facteurs environnementaux sur la phénologie et les patrons de migration du caribou migrateur. Ces connaissances sont très utiles pour comprendre l'impact des changements climatiques et établir les plans de conservation pour les espèces migratrices. / Several populations of migratory species are actually declining. Climate changes affect the habitat of migratory species and the phenology of natural processes, and impact the migration, a critical period for migratory species. Thus, it is crucial to understand how environmental and climatic variables affect the timing and the patterns of migration. This thesis assesses the impact of climate, food resources and competition on the spring and fall migrations of migratory caribou, Rangifer tarandus, from the Rivière-George (RGH) and Rivière-aux-Feuilles (RFH) herds, in Northern Québec and Labrador. The first part of my thesis presents an objective approach, based on the detection of changes in the structure of seasonal movements, to assess the departure and the arrival dates of the migrations. The approach was validated on simulated paths, and was then applied on the spring and fall migrations of female caribou. The second part focuses on the impact of environmental conditions on the phenology of the spring and fall migrations. It revealed that migration is mainly affected by the climatic conditions encountered during migration, snow conditions partly determining the cost of movements. In the spring, caribou suffer from adverse conditions when the snowmelt is early. In the fall, caribou adjust their movements and migrate faster when snowfall occurs early to limit the cost of moving through deep snow. The third part of my thesis focuses on fall migration patterns and revealed that migration patterns are mainly affected by intra- and inter-herds competition for the winter ranges. Caribou from RGH migrate preferentially toward the furthest winter ranges in response to increased competition, linked with a high population size, limiting the competition on the closest winter ranges. The use of the winter ranges by caribou from RFH is constrained by the abundance of RGH. This constraint decreased as RGH declined and abandoned the migrations toward the winter ranges commonly used by both herds. My thesis increases our knowledge of the environmental factors that affect the phenology and patterns of caribou migrations. This knowledge is useful to understand the impact of climate changes and establish conservation plans for migratory species.

Les modèles de prédiction sont utilisés dans divers domaines. En agriculture, l'assurance récolte n'y fait pas exception. La Financière agricole du Québec (FADQ), qui se devait de réviser sa protection d'assurance collective pour le foin, souhaitait répondre davantage à la réalité des entreprises agricoles en basant sa protection sur la modélisation. Puisqu'au Québec cette protection d'assurance récolte couvre les pertes de rendement et de qualité des plantes fourragères, la nouvelle façon de faire devait s'appliquer à ces deux volets. Elle visait également à réduire la dépendance envers les producteurs et le personnel sur le terrain pour faire l'estimation des pertes. La production fourragère est affectée par plusieurs facteurs environnementaux et agronomiques, notamment le climat, les types de sols, la diversité des espèces utilisées (légumineuses et graminées) et l'âge de la culture. Pour estimer les pertes en plantes fourragères subies par les producteurs, il est possible de développer des modèles empiriques en utilisant des variables indépendantes dérivées des facteurs énumérés précédemment. Le présent projet de recherche visait d'une part à confirmer la possibilité de bâtir un modèle empirique à l'aide de régressions statistiques et de variables bioclimatiques et agronomiques afin d'estimer les pertes de rendement annuelles des plantes fourragères causées par le climat. D'autre part, il visait aussi à confirmer la possibilité de bâtir un modèle dynamique afin d'estimer les pertes de valeur nutritive des plantes fourragères. Le rendement moyen annuel s'est avéré la meilleure variable dépendante à modéliser suite à l'analyse des bases de données historiques (agronomiques et climatiques). La famille botanique de la culture, le nombre de coupes effectuées et le type de sol sont apparus comme des variables indépendantes à caractère agronomique qui influencent le rendement. À partir des variables climatiques disponibles dans la base de données et d'une revue bibliographique, 31 variables indépendantes à caractère bioclimatique ont été élaborées pour créer le modèle empirique d'estimation du rendement annuel (MEERA). Ces variables décrivaient les conditions automnales, hivernales, printanières et estivales pouvant affecter le rendement annuel des plantes fourragères. La perte ou le gain de rendement était établi en comparant le rendement estimé par le modèle avec un rendement de référence établi sur la moyenne historique des rendements. Deux modèles MEERA ont été créés, le premier, 98-05, avec une base de données s'étendant de 1998 à 2005 et le deuxième, 98-06, avec une base de données s'étendant de 1998 à 2006. Dans les deux modèles, la variable dépendante et les variables indépendantes ont été déterminées pour, respectivement, 710 et 887 zones d'assurance toutes années confondues et réparties à travers le Québec agricole. Chacune des zones d'assurance, aussi appelées territoires de stations climatologiques, confient une station climatologique à laquelle un groupe de producteurs est rattaché, et ce, pour chaque année donnée. Afin de circonscrire la diversité climatique, le Québec agricole a été divisé en 12 régions climatiques. Ainsi, les deux modèles MEERA reposent sur 12 équations générales, une par région climatique, développées à l'aide de la procédure Mixed de SAS. Ces équations contiennent entre 5 et 20 variables bioclimatiques, dont le paramétrage était fonction du caractère agronomique de chaque territoire de station climatologique. À la calibration, le modèle 98-05 avait une efficacité (EF) moyenne de 68 %, variant de 50 à 81 % selon les régions climatiques. Si l'ajustement des rendements simulés sur les rendements mesurés avait été parfait, l'EF aurait été de 100%. La moyenne des 12 racines quadratiques de l'erreur moyenne (RMSE) des régions climatiques était de 267 kg ha"1 , soit 9,9 % du rendement moyen. Les résultats obtenus avec notre modèle se comparaient avec ceux des modèles rencontrés dans la littérature. À la validation du modèle 98-05 sur l'année 2006, les statistiques comparatives effectuées sur les équations des 12 régions climatiques indiquaient que le modèle était peu performant, car toutes les EF étaient négatives. De plus, le RMSE était en moyenne pour les 12 régions climatiques de 467 kg ha-1 , soit 14,7 % du rendement moyen de 2006. Les 12 équations du modèle 98-06 présentaient une efficacité moyenne de 67 %, variant de 46 à 84 % selon les régions climatiques. Pour l'ensemble des 12 équations, le modèle sous-estimait de 4,3 kg ha-1 le rendement moyen de toutes les régions climatiques confondues (2702 kg ha"1 ). Cela représentait un biais moyen non significatif d'à peine 0,2 %. La moyenne des 12 RMSE était de 287 kg ha-1 , soit 10% du rendement moyen. Toutefois, par rapport au modèle 98-05, l'efficacité moyenne est demeurée sensiblement la même, alors que l'écart entre l'efficacité la plus faible et la plus forte s'était accru. La validation du modèle 98-06 sur l'année 2007 présentait des EF négatives pour les 12 régions climatiques. De plus, le RMSE était en moyenne de 571 kg ha"1 pour les 12 régions, soit 20,1 % du rendement moyen de 2007. Cette perte d'efficacité des deux modèles MEERA, lorsqu'ils estiment une année externe à la base de données de calibration, peut, entre autres, provenir de l'incertitude liée aux données d'entrées. En effet, la base de données climatiques comportait en moyenne 4,4 % de données manquantes pour les variables climatiques (températures minimale et maximale, précipitations et épaisseur de neige au sol). La perte de qualité des plantes fourragères est associée à l'accroissement de la proportion en fibres non digestibles lors de la maturation des plantes causé par le retard de coupe, particulièrement en première coupe, ainsi qu'à la perte des nutriments, surtout l'azote, causée par la pluie tombée sur le foin au sol. Pour estimer les pertes de qualité, nous avons développé un modèle d'estimation des pertes de qualité des fourrages (PERQUALI) par territoire de station climatologique, en distinguant la perte pour le foin de celle pour l'ensilage. Ultimement, le modèle devait estimer la perte cumulée pour toutes les coupes provenant des différentes causes possibles, c'est-à-dire le retard de coupe pouvant survenir en début ou en cours de récolte et la pluie tombée sur le fourrage laissé au sol suite à la coupe, en première coupe seulement. De plus, le modèle devait considérer la destruction du foin laissé au sol par la pluie après la coupe, et ce, pour toutes les coupes. Quatre variables bioclimatiques et une composante agronomique (famille botanique) ont été utilisées pour développer le modèle PERQUALI. Ces variables décrivaient les conditions qui prévalaient pendant les périodes de coupe et de récolte des plantes fourragères. Les degrés-jours historiques nécessaires pour débuter la première coupe, le nombre de jours propices pour effectuer la coupe et la durée de la coupe sont des variables qui sont calculées à partir des variables climatiques enregistrées dans chaque territoire de station climatologique et qui sont directement utilisées par le modèle PERQUALI. La composition botanique, le nombre de coupes et la texture du sol observés dans chaque territoire de station climatologique sont également considérés par le modèle. Ainsi, pour connaître la perte associée à l'augmentation de la teneur en fibres non solubles dans un détergent neutre (NDF), PERQUALI estime la teneur en NDF au moment où le fourrage est prêt à être coupé selon le nombre de degrés-jours accumulés en première coupe et le compare à la teneur en NDF au moment où le foin est effectivement coupé. Pour leur part, les teneurs en fibres non solubles dans un détergent acide (ADF) et celles en protéines brutes (PB) sont issues d'équations empiriques tirées de la littérature. La méthodologie utilisée pour estimer la perte de qualité associée à la pluie après la coupe est également tirée de la littérature. Cette dernière méthodologie s'applique à chacune des coupes réalisées dans chaque territoire de station climatologique. La Financière agricole du Québec ne possède pas de données de qualité des fourrages pour valider les estimations de pertes obtenues par le modèle PERQUALI. Le modèle utilisé pour les données 2008 surestime possiblement les pertes réelles sur le terrain, puisque dans plusieurs cas, la durée de coupe estimée par le modèle était au-delà de celle déclarée par les fermes témoins en 2008. Néanmoins, de façon générale, les pertes corroboraient les présomptions des conseillers régionaux de la FADQ, c'est-à-dire que les pourcentages de pertes estimés pour le foin variaient de 24,8 % à 66,7 % alors que pour la production d'ensilage, les pertes estimées oscillaient plutôt entre 1,1 % et 21 %. Ces résultats font également ressortir le fait que les pertes en ensilage sont moins élevées que celles du foin. D'une façon générale, en 2008, l'Abitibi-Témiscamingue, l'Outaouais, la Mauricie, la Capitale-Nationale (Québec), Chaudière-Appalaches et certains endroits du Lac-Saint-Jean ont été les régions les plus affectées par les pertes de qualité des fourrages, et ce, peu importe le mode de récolte. Toutefois, le modèle n'a pas été testé sur d'autres années pour vérifier si la durée estimée, par le modèle se rapprochait de la réalité des fermes témoins sous d'autres conditions climatiques. Le modèle PERQUALI devrait donc être testé sur d'autres années afin de confirmer la capacité du modèle à simuler la durée de coupe. À notre connaissance, il n'existe pas d'autres modèles semblables à MEERA et PERQUALI qui soient utilisés pour estimer des pertes dans le but d'octroyer une indemnité d'assurance. En France, le modèle dynamique et mécaniste, STICS, a été en partie utilisé pour faire des estimations de pertes en assurance agricole, mais ce modèle ne tient pas compte des pertes hivernales, ni des pertes de qualité. Les modèles MEERA et PERQUALI sont donc uniques puisqu'ils prennent en compte des caractéristiques agronomiques et l'ensemble des aléas climatiques et qu'ils estiment à la fois les pertes de rendement et les pertes de qualité. / In the province of Quebec, more than half of agricultural lands are in forage production, and forage crops represent 25% of all insured value of « La Financière agricole du Québec (FADQ) »'s crop insurance program. The FADQ has recently proceeded to a reform its forage crop insurance with the objective of estimating forage losses in yield and quality according to insured grower's reality. Furthermore, the FADQ wanted to reduce its dependence on grower's information and crop adviser interventions for the estimation of losses in each insurance year. Forage productivity depends on agronomic and environmental factors such as climate, soil texture, species (legumes and grasses) and sward age. These factors can be taken into account to estimate forage losses by developing empirical models using independent variables derived from the factors just listed. The first objective of the present study was to develop an empirical model (MEERA) for the estimation of annual forage yield. Yield losses or gains were established by comparing the model estimated yield with a reference yield based on historical production. The second objective was to develop a dynamic model to estimate forage quality losses (PERQUALI). Annual forage yield was chosen as the dependent variable and the botanical family of the forage crop (legumes or grasses), the number of cuts (1, 2 or 3) and the soil texture (coarse or mean-fine) contained in the agronomic database were considered as independent variables of interest. Also, 31 bioclimatic independent variables were available for the MEERA calibration. These variables described the effects of climatic conditions in fall, winter, spring and summer on the yield forage crops. Two MEERA models were developed. The first one, 98-05, was created from a database covering the years 1998 to 2005 and the second one, 98-06, was created from a database for the years 1998 to 2006. Dependent and independent variables of both models were respectively created for 710 and 887 insurance zones spread throughout Quebec. Each insurance zone, also referred to as a weather station territory, included a number of forage growers associated to a weather station. The agricultural area of the Quebec province was divided into 12 climatic regions and a general linear equation was calculated for each region using the SAS System for Mixed models. Equations included 5 to 20 bioclimatic variables. The model MEERA 98-05 had an average forecasting efficiency (EF) across the 12 climatic regions of 68 %, varying from 50 to 81 % depending on the climatic region. The average root mean square error (RMSE) was 267 kg ha-1 which represents 9,9 % of the average annual yield. These results are comparable with other models described in the literature. The model MEERA 98-05 was then validated using the 2006 database. The differences between measured and estimated annual forage yield obtained for the 12 equations suggested an unsatisfactory model since all EF were negative. Furthermore, the average RMSE was 467 kg ha-1 or 14,7% of the average annual yield. The model MEERA 98-06 had an average forecasting efficiency (EF) of 67 %, varying from 46 to 84 % depending on the climatic region. The average RMSE of 287 kg ha-1 represented 10 % of the average annual yield. The model MEERA 98-06 was validated using the 2007 database. Differences between measured and estimated annual forage yield obtain for the 12 equations were large and the EF were negative. Moreover, the average RMSE was 571 kg ha-1 which represented 20,1% of the average annual yield. The loss of efficiency at validation time, for both models, may be caused by missing values in the climatic data set. Forage quality losses are associated with indigestible fibres that increase with forage maturity caused by a delay in cutting, as well as, nutrients losses, especially nitrogen, caused by rainfall after cutting. To estimate quality losses, we developed a dynamic model (PERQUALI) that estimated losses for each weather station territory. PERQUALI estimations concerned the delay of cutting at the beginning and throughout the harvesting period, the damage and the destruction of forage left on the ground caused by rainfall after the cut; this was done for all cuts. Four bioclimatic independent variables were used to develop the PERQUALI model. The historical accumulated degree-days corresponding to the maturity stage at the beginning of the first cut (DDBC1 ), the number of working days usually used to do the first cut, and the duration of the first cut were determined for each weather station territory. Also, botanical family, soil texture and number of cuts were ascertained for each weather station territory. The decline in quality was associated to increasing concentration of neutral detergent fibre (NDF) which was estimated by comparing the NDF concentration at DDBC1 to the NDF concentration when the forage was effectively cut. Moreover, PERQUALI estimated concentrations of acid detergent fibre (ADF) and crude protein (CP) using published equations. In 2008, quality losses estimated by PERQUALI were possibly overestimated compared to those observed in the field. This observation was based on the fact that the calculated duration of the cut was longer than the duration of the cut as provided by growers. Nevertheless, losses estimated by the model were generally in accordance with those observed by crop advisors. PERQUALI loss estimations were between 24.8 % and 66.7 % for hay while they were between 1.1 % and 21 % for silage. These results were in concordance with the fact that losses are usually lower for silage than those for hay. In 2008 specifically, the regions of Abitibi-Témiscamingue, Outaouais, Mauricie, Capitale-Nationale (Québec), Chaudière-Appalaches, and some parts of Lac-Saint-Jean were more affected by wet conditions during the harvesting period than other parts of the province. To confirm the estimation capacity of PERQUALI, we need to test the model using other climatic conditions since our model has only been tested for one-year data. To our knowledge, MEERA and PERQUALI are the first models that can estimate yield and quality losses for forage crop insurance that considers whole climatic effects.

Thèse ou mémoire avec insertion d’articles / Les bouleaux sont une composante importante du paysage forestier de l'hémisphère nord. Les bouleaux arbustifs, contribuant actuellement au verdissement de la toundra, sont des témoins privilégiés des changements climatiques (CC) en régionssubarctiques. À ce jour, ces espèces demeurent peu étudiées sur le plan génétique et des incertitudes persistent quant à leur taxonomie et leurs liens phylogénétiques. Le développement de connaissances sur la diversité génétique des espèces végétales nordiques et leur capacité d'adaptation aux CC sera essentiel pour mettre en place des mesures de conservation. L'objectif de l'étude était d'analyser la biogéographie et la diversité génétique du bouleau glanduleux (Betula glandulosa), un arbuste de la toundra nord-américaine. Un échantillonnage, à l'échelle de son aire de répartition en Amérique du Nord, a été réalisé. Une approche multicritère, basée sur la détermination du niveau de ploïdie, la génomique (échantillonnage des régions de l'ADN nucléaire et chloroplastique) et la morphologie, a été utilisée pour distinguer les individus de B. glandulosa des autres espèces de bouleaux, en raison des difficultés liées à la validation taxonomique des échantillons. Les résultats ont révélé la présence de trois espèces distinctes et leurs hybrides parmi les échantillons. L'analyse des polymorphismes nucléotidiques (« single nucleotide polymorphisms », SNP) nucléaires et chloroplastiques a mis en évidence une longue histoire d'échanges de gènes entre les différentes espèces et groupes génétiques. L'ensemble des résultats porte à croire que B. glandulosa fait partie d'un syngaméon de bouleaux arbustifs nord-américains avec B. pumila, B. nana et B. occidentalis. À l'échelle intraspécifique, deux groupes génétiques issus probablement de deux lignées glaciaires ont été détectés chez B. glandulosa en Amérique du Nord. L'étude souligne l'importance d'une approche multicritère pour décrire la diversité génétique intraspécifique lorsque les limites taxonomiques sont floues et l'importance de prendre en compte l'impact évolutif des espèces apparentées pour préserver la diversité génétique et la capacité d'adaptation dans un contexte de CC. / Birches are an important component of the northern hemisphere forest landscape. Shrub birches, currently contributing to tundra greening, are an indicator of climate change in subarctic regions. To date, these species remain poorly studied genetically and uncertainties persist regarding their taxonomy and phylogenetic relationships. The development of knowledge on the genetic diversity of northern plant species and their ability to adapt to CC will be essential to implement conservation measures. This study aimed to analyze the biogeography and genetic diversity of dwarf birch (Betula glandulosa), a shrub of the North American tundra. Sampling was conducted throughout its North American range. A multicriteria approach, based on ploidy level assessment, genomics (sampling of nuclear and chloroplast DNA regions) and morphology, was used to distinguish individuals of B. glandulosa from other birch species, due to the difficulties associated with taxonomic validation of the samples. The results revealed the presence of three distinct species and their hybrids among the samples. Analysis of nuclear and chloroplast single nucleotide polymorphisms (SNPs) revealed a long history of gene exchange between the different species and genetic clusters. Taken together, the results suggest that B. glandulosa is part of a North American shrub birch syngameon with B. pumila, B. nana, and B. occidentalis. At the intraspecific level, two genetic clusters were detected within B. glandulosa in North America originating probably from two glacial lineages. The study highlights the importance of a multicriteria approach to describe intraspecific genetic diversity when taxonomic boundaries are blurred and to consider the evolutionary impact of related species to preserve genetic diversity and adaptive capacity in a climate change context.

Lorsque des espèces à différents niveaux trophiques répondent aux changements climatiques à des rythmes différents, il peut en résulter une désynchronisation entre la phénologie des consommateurs et celle de leurs ressources. Les oiseaux migrateurs qui se reproduisent dans l’Arctique pourraient être parmi les espèces les plus touchées par une telle désynchronisation. Cette étude examine l’impact du réchauffement climatique sur les interactions entre la grande oie des neiges (Chen caerulesens atlantica) et les plantes dont elle s’alimente sur l’Île Bylot, Nunavut. À l’aide de petites serres, nous avons examiné l’impact d’un réchauffement sur la biomasse et la concentration en azote (un indice de qualité nutritive) des plantes utilisées par les oies. Nos résultats montrent qu’un réchauffement annuel mène à une augmentation de la biomasse végétale, mais que cette hausse est accompagnée d’un déclin plus rapide de la qualité nutritive des plantes. En effet, la concentration en azote des plantes des parcelles réchauffées était jusqu’à 14% plus faible que celle des parcelles témoins, et ce pendant la période de croissance des jeunes oies. Nous avons également montré qu’un indice satellitaire, le Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) peut être utilisé comme proxy afin de déterminer la date du pic de concentration en azote des plantes. En utilisant le NDVI, nous avons donc pu estimer la date de pic d’azote des années pour lesquelles nous n’avions pas de données empiriques sur la végétation. Finalement, nous avons analysé des données à long-terme sur le climat, la phénologie des plantes et la reproduction des oies afin d’examiner l’impact potentiel de la désynchronisation trophique sur la croissance des jeunes. Selon nos résultats, les oies ajustent seulement partiellement leur reproduction en fonction des changements annuels dans la disponibilité de nourriture de haute qualité. En conséquence, la masse et la taille structurelle des jeunes oies à l’envol étaient réduites lorsque la reproduction des oies était moins bien synchronisée avec le pic de qualité nutritive des plantes. Nos résultats supportent l’hypothèse que la désynchronisation trophique peut avoir des effets négatifs sur l’aptitude phénotypique des herbivores arctiques, et que ces effets pourraient s’accentuer avec l’augmentation prévue des températures à l’échelle globale. / When species at different trophic levels respond to climate change at different rates, this may lead to a trophic mismatch between the phenology of consumers and that of their resources. As polar regions are warming more rapidly than the rest of the planet, migratory birds breeding in the Arctic are expected to be among the species most affected by trophic mismatch in the wake of rapid climate change. This study examines the impact of climate warming on the interactions between an arctic herbivore, the greater snow goose (Chen caerulescens atlantica), and its food plants on Bylot Island, Nunavut, Canada. Using small greenhouses, we examined the impact of increased temperatures on plant biomass and a proxy of nutritive quality, nitrogen concentration, of graminoid plants used by geese during the brood-rearing period. This experiment showed that annual warming significantly increased biomass of graminoids but also led to an acceleration of the seasonal decline in plant nutritive quality and resulted in a decrease in the nitrogen concentration of plants by up to 14% during the period of gosling growth. We also showed that satellite-derived Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) can be used as a proxy to determine date of peak nitrogen concentration in some tundra plants, and can thus be a reliable measure of the early changes in the timing of the availability of high quality food for herbivores. Using NDVI, we were then able to estimate the date of peak nitrogen in years when we had no empirical data on plant phenology. Finally, we analysed long-term data on climate, plant phenology and the reproduction of geese in order to examine the potential impact of mismatched reproduction on the growth of young. We found that geese are only partially able to adjust their breeding phenology to compensate for annual changes in the timing of high quality food plants, and that gosling body mass and structural size at fledging was reduced when trophic mismatch was high. Our results support the hypothesis that trophic mismatch can negatively affect the fitness of arctic herbivores, and that it is likely to be exacerbated by rising global temperatures.

Dans l'océan Arctique, les conditions de croissance des micro-algues sont particulièrement variables et souvent contraignantes. De par sa position et sa taille modeste, cet océan est fortement influencé par les fleuves affluents et les eaux de l'Atlantique et du Pacifique. La lente propagation de ces eaux fait en sorte que, durant le premier été, le phytoplancton épuise les nutriments dans la couche de surface; le renouvellement des nutriments est ensuite limité par la très forte stratification verticale causée par l’accumulation d’eau douce. Ces conditions mènent le phytoplancton à trouver un compromis entre la limitation en lumière (en profondeur) et en nutriment (en surface), ce qui conduit à la formation d'un maximum de chlorophylle subsuperficiel (SCM). L'objectif premier de cette thèse était d’examiner, pour la première fois, la structure verticale, l’écologie et la productivité des SCM en fonction des conditions du milieu dans différents secteurs côtiers de l'Arctique canadien. Il appert que les SCM sont des structures omniprésentes et persistantes dans les eaux libres de glace. La plupart des SCM étaient associés à la nitracline, suggérant que la disponibilité en nitrate exerce une influence dominante sur leur positionnement vertical. Une étude expérimentale des relations entre la lumière, la disponibilité en azote et la productivité primaire a montré que les algues du SCM présentent de fortes compétences photosynthétiques et assimilent activement le carbone, le nitrate et d’autres sources d’azote. Bien que leur productivité à court terme soit contrainte par la faible luminosité et les basses températures, les algues du SCM contribuent largement à la production primaire journalière nouvelle, représentant une source majeure de matière organique pour l’écosystème. Comme il est difficile de mesurer la production annuelle du SCM, les résultats expérimentaux ont été jumelés à un modèle écosystémique numérique initialisé et forcé avec les conditions physico-chimiques du golfe d’Amundsen. Les simulations indiquent que la couche verticale englobant le SCM effectuerait l’essentiel de la synthèse de matière organique dans cet environnement. Vu l’impact présumé du SCM sur le réseau alimentaire, les flux verticaux de carbone et la justesse des estimations satellitaires de productivité, la meilleure compréhension de la dynamique des SCM résultant de cette thèse permet de jeter un regard nouveau sur l’écologie de l’océan Arctique dans un contexte de changements climatiques rapides. / In the Arctic Ocean, the growth conditions of micro-algae are highly variable and often restrictive. By virtue of its location and small size, this ocean is strongly influenced by water inputs from large rivers and the adjacent Atlantic and Pacific oceans. The slow propagation of these waters ensures that the phytoplankton exhausts nutrients in surface waters during the first summer. Afterwards, upward nutrient renewal is curtailed by the strong vertical stratification imparted by the accumulation of freshwater. These conditions force the phytoplankton to find a compromise between light limitation at depth and nutrient limitation at the surface, resulting in the formation of subsurface chlorophyll maximums (SCM). The central objective of this thesis was to provide the first comprehensive analysis of the vertical structure, ecology and productivity of SCM with respect to environmental conditions across different sectors of the coastal Canadian Arctic. Results revealed the widespread occurrence of long-lived SCM in ice-free waters. Most of these SCM were closely associated with the nitracline, implying that their vertical positioning was primarily influenced by nitrate availability in the lower euphotic zone. Experimental assessments of nitrogen nutrition and photosynthetic rates showed that SCM phytoplankton possessed high photosynthetic competency and were actively assimilating carbon, nitrate and other nitrogen sources. Although low irradiance and temperature constrained short-term productivity in the lower euphotic zone, SCM contributed strongly to daily new production and thus represented a major source of organic matter in the ecosystem. Since the overall contribution of SCM to annual productivity is very difficult to measure directly, experimental results were combined with a numerical ecosystem model initialized with and forced by the physico-chemical conditions of Amundsen Gulf. The simulations indicate that SCM layers potentially contribute most of the annual new and total primary production in the southeast Beaufort Sea. Since these layers presumably exert a strong impact on the food web, vertical carbon flux and the accuracy of remote-sensing estimates of productivity, the new knowledge of SCM dynamics generated in this thesis provides crucial insights into the ecology of the Arctic Ocean in a context of rapid environmental changes.

La possibilité d’estimer l’impact du changement climatique en cours sur le comportement hydrologique des hydro-systèmes est une nécessité pour anticiper les adaptations inévitables et nécessaires que doivent envisager nos sociétés. Dans ce contexte, ce projet doctoral présente une étude sur l'évaluation de la sensibilité des projections hydrologiques futures à : (i) La non-robustesse de l’identification des paramètres des modèles hydrologiques, (ii) l’utilisation de plusieurs jeux de paramètres équifinaux et (iii) l’utilisation de différentes structures de modèles hydrologiques. Pour quantifier l’impact de la première source d’incertitude sur les sorties des modèles, quatre sous-périodes climatiquement contrastées sont tout d’abord identifiées au sein des chroniques observées. Les modèles sont calés sur chacune de ces quatre périodes et les sorties engendrées sont analysées en calage et en validation en suivant les quatre configurations du Different Splitsample Tests (Klemeš, 1986; Wilby, 2005; Seiller et al. (2012); Refsgaard et al. (2014)). Afin d’étudier la seconde source d’incertitude liée à la structure du modèle, l’équifinalité des jeux de paramètres est ensuite prise en compte en considérant pour chaque type de calage les sorties associées à des jeux de paramètres équifinaux. Enfin, pour évaluer la troisième source d'incertitude, cinq modèles hydrologiques de différents niveaux de complexité sont appliqués (GR4J, MORDOR, HSAMI, SWAT et HYDROTEL) sur le bassin versant québécois de la rivière Au Saumon. Les trois sources d'incertitude sont évaluées à la fois dans conditions climatiques observées passées et dans les conditions climatiques futures. Les résultats montrent que, en tenant compte de la méthode d'évaluation suivie dans ce doctorat, l'utilisation de différents niveaux de complexité des modèles hydrologiques est la principale source de variabilité dans les projections de débits dans des conditions climatiques futures. Ceci est suivi par le manque de robustesse de l'identification des paramètres. Les projections hydrologiques générées par un ensemble de jeux de paramètres équifinaux sont proches de celles associées au jeu de paramètres optimal. Par conséquent, plus d'efforts devraient être investis dans l'amélioration de la robustesse des modèles pour les études d'impact sur le changement climatique, notamment en développant les structures des modèles plus appropriés et en proposant des procédures de calage qui augmentent leur robustesse. Ces travaux permettent d’apporter une réponse détaillée sur notre capacité à réaliser un diagnostic des impacts des changements climatiques sur les ressources hydriques du bassin Au Saumon et de proposer une démarche méthodologique originale d’analyse pouvant être directement appliquée ou adaptée à d’autres contextes hydro-climatiques. / The possibility to estimate the impact of climate change on the hydrological behavior of hydrosystems, the hydrological risks, and the associated resources is a necessity in order to anticipate the inevitable and necessary adaptations that must consider our societies. In this context, the doctoral project presents a study on the evaluation of the uncertainty of hydrological projections for the future climate when considering: (i) The non-robustness of hydrological model parameter identification, (ii) the use of several ensembles of equifinal parameter sets over a given calibration period and (iii) the use of different model structures for the hydrological model. To quantify the impact of the first source of uncertainty on the model outputs, four climatically contrasted sub-periods are first identified within the observed time series. The models are calibrated on each of these four periods, then generated outputs are analyzed on calibration and validation data. The calibration and validation tests were performed according to the configurations of four Different Split-sample Tests (Klemeš, 1986; Wilby, 2005; Seiller et al., 2012; Refsgaard et al., 2014). In order to study the second source of uncertainty related to the model structure, the equifinality of the parameter sets is taken into account by considering an ensemble of equifinal parameter sets for each sub-period calibration. Finally, to assess the third source of uncertainty, five hydrological models of different levels of complexity are applied (GR4J, MORDOR, HSAMI, SWAT, and HYDROTEL) on the watershed of the Au Saumon River (Québec, Canada).The three sources of uncertainty are assessed in the past observed period and in future climate conditions. Results show that, given the evaluation approach followed in this Ph.D. research, the use of different levels of complexity of hydrological models is the major source of variability in streamflow projections in future climate conditions for the five models tested. This is followed by the lack of robustness of parameter identification. The hydrological projections generated by an ensemble of equifinal parameter sets are close to those associated with the optimal set. Therefore, it seems that greater effort should be invested in improving the robustness of models for climate change impact studies, especially by developing more suitable model structures and proposing calibration procedures that increase their robustness. This work serves to provide a detailed response on our ability to make a diagnosis of the impacts of climate change on water resources of the Au Saumon watershed and proposes a novel methodological approach that can be directly applied or adapted to other hydro-climatic contexts.

Les lichens constituent une composante importante de la biodiversité en milieu arctique et subarctique et y jouent plusieurs rôles écologiques. En raison de leur métabolisme poïkilohydrique et de leur croissance lente, les lichens apparaissent toutefois comme étant vulnérables dans le présent contexte de changement climatique. Afin de mieux comprendre les conséquences des changements climatiques sur les lichens, nous avons identifié les patrons et déterminants de l’abondance et de la diversité des lichens le long d’un gradient latitudinal au Nunavik et évalué l’impact du couvert arbustif sur les communautés lichéniques. Nos résultats révèlent que les types de formation végétale, qui influencent les interactions compétitives entre les espèces, et la latitude, qui agit comme indicateur du climat régional, sont les principaux déterminants de l’abondance, de la diversité et de la composition des communautés lichéniques à l’échelle du gradient. À l’échelle locale, le couvert arbustif et graminoïde réduit l’abondance et la diversité, ce qui témoigne de la faible compétitivité des lichens. La comparaison des communautés lichéniques en milieu ouvert et sous arbuste révèle un déclin du couvert lichénique de plus de 50% sous la canopée. De plus, les arbustes engendrent une réduction de la diversité lichénique qui augmente avec le temps, et modifient la composition des communautés en excluant les espèces nécessitant les conditions environnementales spécifiques aux milieux ouverts. En combinant deux approches distinctes, nous avons démontré l’importance de l’impact de la végétation vasculaire sur les lichens. Nos résultats laissent présager une restructuration majeure des communautés lichéniques, alors que les changements climatiques favorisent un déplacement des zones de végétation vers le nord ainsi qu’une expansion croissante des arbustes. En permettant une meilleure compréhension des facteurs environnementaux influençant les lichens, ce projet s’inscrit dans un effort visant à comprendre la dynamique des écosystèmes nordiques, en vue de mieux prédire les changements de végétation futurs. / Lichens are a key component of arctic and subarctic ecosystems, as they constitute an important part of biodiversity and are involved in many ecological processes. However, lichens appear vulnerable in the present context of climate change because of their poikilohydric metabolism and their slow growth rate. In order to understand the implications of climate change on lichens, we identified patterns and determinants of lichen abundance and diversity along a latitudinal gradient in Nunavik and evaluated the impact of shrubs on lichen communities. Our results reveal that vegetation types, which influence competitive interactions, and latitude, which is used as a proxy of regional climate, are the main factors involved in driving lichen abundance, diversity and community composition at the gradient scale. At the local scale, shrub and graminoid cover induces a lower lichen cover and diversity, highlighting the low competitive abilities of lichens. When comparing lichen communities in open area and under shrubs, we observe a decline of lichen cover of more than 50% under shrub canopy. Shrubs also induce a decline of lichen diversity that seems to intensify with time, and modify community composition by excluding species that require the open environment conditions. By combining two distinct methods, we highlighted the predominance of vascular plants in profiling lichen communities. As climate change is promoting further shrub expansion and a northward shift of vegetation zones, a major restructuration of lichen communities is likely to be observed in the next decades. By identifying environmental drivers of lichen communities at different spatial scales, this project takes part in a global effort towards a better understanding of northern ecosystems dynamics that aims to improve our ability to predict future changes in vegetation.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Les espèces herbacées de sous-bois sont peu étudiées dans le contexte des changements climatiques. L’expérience B4WARMED, une simulation de réchauffement climatique en forêt de l’University of Minnesota, offrait l’opportunité d’étudier la réponse du Maianthemum canadense et de l’Eurybia macrophylla en interaction avec les autres composantes de leur écosystème. Les effets sur leur croissance, leur reproduction, leur phénologie et leurs taux de photosynthèse et de respiration ont été évalués, ainsi que les effets sur la disponibilité de la lumière, de l’eau et des nutriments. En général, ces deux espèces ont été modestement affectées par les traitements réchauffement. Leur émergence hâtive au printemps augmente leur effort reproducteur alors que la diminution du contenu en eau du sol semble avoir des effets négatifs à long terme. Le futur de ces espèces sous un scénario de réchauffement dépend donc, entre autres, de la réponse phénologique des strates supérieures et des changements au niveau des régimes de précipitations. / The understory herbaceous species are little studied in the context of climate change. The B4WARMED experiment, a forest warming facility of the University of Minnesota, provided the opportunity to study the response of Maianthemum canadense and Eurybia macrophylla in interaction with other components of their ecosystem. Effects on their growth, reproduction, phenology, photosynthesis and respiration rates were evaluated, along with the effects on the availability of light, water and nutrients. Overall, these two species were modestly affected by the experimental global warming treatments. However, their emergence in early spring promoted their reproductive output while reduced water content of the soil seemed to have negative effects in the longer term. The future of these species under a warming scenario depends, among other things, on the response of the upper strata in terms of phenology and on the changes in precipitation patterns.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / Des travaux récents ont démontré l’importance de la reproduction sexuée chez plusieurs espèces « clonales » des milieux arctiques et subarctiques. Sur un système dunaire du Nunavik, une population d’une telle espèce, la camarine noire (Empetrum hermaphroditum), connaît une expansion importante par voie sexuée. Nous avons décrit la dynamique récente de cette population, évalué la performance des individus le long du gradient topographique et exploré les relations climat-croissance. Le recrutement abondant, le faible taux de mortalité et la croissance rapide entre 2007 et 2012 contribuent à maintenir la population en expansion. Cependant, dans les zones densément peuplées, la compétition semble limiter la croissance et la reproduction. Les températures estivales ont un effet positif sur la croissance, suggérant que le réchauffement du Québec subarctique depuis les années 1990 a favorisé l’expansion. La poursuite de la colonisation du système dunaire par la camarine pourrait réduire la diversité végétale et retarder la succession. / Recent research has demonstrated the importance of sexual reproduction for many “clonal” arctic and subarctic species such as crowberry (Empetrum hermaphroditum). Our study focused on a population that is undergoing rapid expansion through sexual reproduction on a subarctic sand dune system in Northern Québec. We described the recent dynamics of this population, evaluated individual performance across the topographic gradient and investigated climate-growth relationships. Between 2007 and 2012, the population experienced extensive recruitment, low mortality and rapid growth, contributing to its expansion. However, competition in the most heavily colonized areas of the dune system seemed to limit growth and reproduction. Positive climate-growth relationships suggest that recent warming in the study area promoted the rapid expansion observed since the mid-1990s. Further colonization of the dune system could lead to decreased diversity and delayed succession.