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.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2015-2016 / Au cœur des changements environnementaux enregistrés dans les régions arctiques et subarctiques, la densification de la strate arbustive est probablement l’un des plus importants. Cette thèse propose d’en étudier la dynamique récente à l’écotone forêt boréale-toundra (Nunavik) afin de mieux en cerner les causes et d’en évaluer les conséquences. Dans un premier temps, la comparaison d’images aériennes (1957 et 2008) nous révèle une densification importante de la strate arbustive dans la région d’étude. Largement attribuée à Betula glandulosa, cette densification a été plus importante sur les terrasses que sur les sommets et hétérogène à l’échelle du paysage. Par la suite, je me suis attardée aux causes de l’hétérogénéité de la densification de la strate arbustive et ai trouvé que celle-ci était principalement attribuable à un ensemble de facteurs historiques et topographiques. De plus, j’ai pu montrer que la densification de la strate arbustive a une influence négative sur l’abondance des espèces arbustives non impliquées dans ce phénomène, mais qu’aucune relation n’a été décelée avec la diversité spécifique (richesse spécifique et indice de diversité de Shannon). Finalement, j’ai montré que la croissance radiale et axiale de B. glandulosa était fortement associée aux températures estivales chez les individus établis sur des sites bien drainés et aux précipitations hivernales chez ceux établis dans les combes à neige (milieu mal drainé où la neige persiste dans la saison de croissance). De surcroît, la forte augmentation de la croissance radiale de B. glandulosa entre 1990 et 2002 suggère que la densification de la strate arbustive observée dans la région d’étude est un phénomène récent. En somme, cette thèse a permis de mieux comprendre la dynamique de l’écotone forêt boréale-toundra au Québec subarctique dans un contexte de changements climatiques. Elle a aussi contribué à saisir toute l’importance d’une analyse à fine échelle de la croissance des espèces impliquées dans la densification de la strate arbustive ainsi qu’à approfondir nos connaissances sur une espèce structurante du Québec subarctique, B. glandulosa. / One of the major changes observed in northern terrestrial regions in response to climate change is arguably the recent shrub expansion. This thesis aims to study the recent dynamic of the shrub expansion at the forest tundra ecotone, northern Québec, in order to find its causes and evaluate its consequences on plant community. First, I compared two sets of aerial photographs (taken in 1957 and 2008) and found an increase in shrub cover that was mainly attributed to Betula glandulosa, a largely distributed erect shrub species. This increase was higher on terraces than on hilltops and strongly heterogeneous at the regional scale. Second, I found that the heterogeneity of the shrub expansion depended on both historical and topographic variables. Moreover, I showed that an increase in B. glandulosa cover had a negative influence on the abundance of other shrub species, but not on their diversity (species richness and Shannon diversity index). Finally, I found that B. glandulosa radial and axial growth were strongly associated with summer temperature when growing on well-drained sites, whereas they were mainly associated with winter precipitation when growing in snowbeds (well-watered sites where snow cover persist in the growing season). Dendrochronological analyses showed a sharp B. glandulosa growth increase between 1990 and 2002, therefore suggesting that the shrub expansion observed in the study region is quite recent. Overall, this thesis significantly improved our knowledge of the recent dynamic of the forest tundra ecotone in northern Québec. It also contributed to underline the importance of studying shrub expansion at the local scale and to improve our knowledge of B. glandulosa.

Le paysage arctique est un mélange d’étendues désertiques, fouettées par les vents, et d’une grande diversité d’écosystèmes aquatiques. Confronté à des augmentations de température nettement supérieures à la moyenne globale qui modifient les propriétés de ces paysages, l’Arctique est un site d’étude stratégique pour suivre les impacts des changements climatiques sur les communautés microbiennes endogènes. Caractéristique importante des écosystèmes arctiques, la cryosphère commence déjà à atteindre des seuils de non-retour le long de la côte nord de l’île d’Ellesmere. Dans les lacs, la combinaison naturelle des basses températures, de la variabilité de l’irradiance et de la faible teneur en nutriments inorganiques limite la production primaire et la croissance de nombreux organismes. La richesse des microorganismes dans ces systèmes est le résultat d’une diversité de stratégies adaptatives et nutritives. Ainsi, les changements observés dans les couverts de glace auront des impacts sur l’activité biologique de ces lacs. Contribuant à celle-ci, les protistes, eucaryotes unicellulaires microscopiques, exploitent une large gamme des ressources de carbone et d’énergie, incluant la phototrophie, la prédation et la combinaison des deux, la mixotrophie. Cette thèse cherche à déterminer la contribution des mixotrophes à la structure des communautés de protistes dans les lacs arctiques, et à développer la connaissance sur leurs réponses potentielles aux conditions environnementales changeantes. Le lac Char, le lac A et le lac Ward Hunt ont été sélectionnés pour leurs propriétés limnologiques distinctes et pour investiguer la biodiversité de leurs communautés de protistes en Aout 2008. La microscopie, les pigments et les banques de clones du gène de l'ARN de la petite sous-unité ribosomale 18S indiquent la dominance des chrysophytes, des protistes principalement mixotrophes, dans les trois lacs. Pour le lac A, l’été 2008 était marqué par la perte d’un couvert de glace permanent, créant des conditions d’eau libre inhabituelles. Le séquençage à haut-débit de la région V4 du gène 18S ARNr révèle le contraste entre les communautés homogènes dans la colonne d’eau marquée d’une stratification méromictique sous le couvert de glace en mai 2008 et les variabilités spatiales établies en août 2008 dans la colonne d’eau libre de glace ainsi qu’en Juillet 2009 sous un couvert de glace normal. Ces résultats illustrent l’importance qu’ont les facteurs environnementaux, tel que l’irradiance, sur les communautés de protistes. Pour examiner plus attentivement le rôle de la lumière et investiguer l’impact de la disponibilité des proies, nous avons entrepris une expérience de lumière/dilution au lac Ward Hunt. Le pyroséquençage de la région V4 de l’ARN ribosomal ainsi que son gène révèlent des différences taxonomiques entre les deux traitements d’irradiance, suggérant une divergence du type de mixotrophie entre une dominance de dinoflagellés essentiellement brouteurs à faible irradiance et de chrysophytes bactérivores sous une forte lumière. Cette thèse révèle la diversité des protistes et leur variation saisonnière au sein des lacs arctiques, et offre un aperçu de l’importance des conditions environnementales sur la stratégie mixotrophe adoptée par les communautés de protistes. / The Arctic region is a blend of stark windswept landscapes interwoven with a wide diversity of freshwater ecosystems. Presently confronted by temperature increases well above global average, causing changes in landscape and aquatic properties, the Arctic is a strategic area to study the impact of climate change on endogenous microbial communities. Ice is a crucial characteristic of Arctic ecosystems and has already begun to cross thresholds along the northern coastline of Ellesmere Island. In lakes, the effects of cold temperatures, variable irradiance and low inorganic nutrients combine to restrict primary production and growth of most organisms. The established richness of microorganisms present in these systems is due to the high diversity of their adaptive and nutritive strategies. Hence, the observed shifts in ice cover regimes of lakes will have impacts on their biological activity. Of these microbial components, the protists, unicellular eukaryotes, exploit a wide range of carbon and energy resources from phototrophy to predation and the combination of both, mixotrophy. The subject of this research was to determine the contribution of mixotrophs to protist community structure in Arctic lakes, and to develop knowledge of their potential response to the changing environmental conditions. Char Lake, Lake A and Ward Hunt Lake, three limnologically different lakes, were chosen to investigate the biodiversity of protists in August 2008. Microscopy, pigments and 18S gene clone libraries revealed a dominance of each lake by chrysophytes, prominent mixotrophic protists. At Lake A, the summer of 2008 was marked by a loss of ice-cover, creating atypical open-water conditions. High-throughput sequencing of the V4 region of the 18S ribosomal RNA gene revealed the contrast between the homogenous community structure within the ice-covered water column of May 2008, despite the sharp physico-chemical meromictic stratification within the lake, and the established spatial variability of the protist communities under the ice-free conditions of August 2008 and ice-covered conditions of July 2009. These results illustrate the importance of varying environmental factors, such as underwater irradiance, in shaping protist communities. To further examine the role of light and to investigate the impact of low prey resources, we conducted a light/dilution experiment at Ward Hunt Lake. Pyrosequencing of the V4 region of the 18S ribosomal RNA, along with the gene, showed taxonomic differences under the two light conditions, suggesting a divergence in the dominant type of mixotrophy, with dominance of primarily microflagellate grazers, the dinoflagellates, under low irradiance, and of bacterivorus chrysophytes in the high light treatment. This thesis research underscored the diversity of mixotrophs and their seasonal variations in Arctic lakes, and provided insights into the importance of environmental conditions on the mixotrophic strategy adopted by protist communities.

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.

En Amérique du Nord, la coupe de jardinage a été implantée en réponse à plusieurs décennies de mauvaises pratiques forestières ayant laissé de grandes superficies de peuplements feuillus dégradés et de faible vigueur. Or, l’application de la coupe de jardinage dans un contexte industriel a produit des résultats variés et parfois peu convaincants sur sa capacité à améliorer la vigueur générale des peuplements et à fournir un rendement soutenu en bois de haute valeur. L’objectif général de ce projet de recherche était d’améliorer les prévisions de la croissance et de la mortalité des arbres feuillus à partir d’une meilleure évaluation de leur potentiel de croissance sur pied et de leur sensibilité aux conditions climatiques. Nos résultats ont d’abord montré un effet marginal du taux de dégagement induit par la coupe de jardinage sur la croissance et le taux de survie des arbres résiduels. Ce résultat s’explique en partie par une concentration de la récolte des arbres à l’intérieur et aux abords des sentiers de débardage, laissant ainsi de larges zones non traitées dans les peuplements résiduels. Dans les années suivant l’application du traitement, uniquement 24 % des arbres ont connu une hausse de croissance significative, un pourcentage de réaction de croissance légèrement inférieur à celui induit par les perturbations naturelles au cours des décennies précédentes. Nos analyses ont également montré qu’une réduction marquée de la croissance sur plusieurs décennies précédait 88 % des événements de mortalité post-récolte, et que les prévisions de ces événements pouvaient être significativement améliorées en considérant les tendances de croissance 25 ans avant la coupe. De plus, la présence de défauts affectant la vigueur des arbres au moment de la coupe était positivement reliée à la probabilité de mortalité et négativement reliée à la probabilité d’avoir une hausse de croissance après la coupe. Par ailleurs, nos analyses ont montré qu’une évaluation visuelle de la densité du houppier est l’indicateur le plus efficace pour estimer la vigueur et le potentiel de croissance sur pied de l’érable à sucre. Finalement, nos analyses des relations entre la croissance et les conditions climatiques ont montré un lien fort entre l’occurrence des stress climatiques ponctuels et une diminution de la croissance de l’érable à sucre. Les épisodes de gel-dégel de forte intensité ont été particulièrement dommageables en provoquant des baisses abruptes de la croissance dans les deux régions étudiées. À l’inverse, les analyses provenant des tendances climatiques mensuelles ont indiqué une relation faible et instable dans le temps avec la croissance. Nos résultats indiquent que l’effet synergique d’une accumulation de plusieurs stress climatiques et d’épidémies d’insectes défoliateurs au début des années 1980 a induit un changement important dans la dynamique de croissance de l’érable à sucre et sa réponse aux conditions climatiques mensuelles.

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.

Huit sites possédant des peuplements d'épinette blanche (Picea glauca [Moench] Voss) sur substrat bien drainé le long de la côte en émersion de la baie d'Hudson ont été étudiés. Les objectifs de la recherche sont de caractériser la limite maritime des arbres et la limite maritime des forêts en fonction de l'altitude et du climat afin d'estimer le délai nécessaire entre l'émersion des terres et l'établissement des épinettes dans un contexte de succession primaire. La végétation évolue le long de la chronoséquence, partant d'une bande littorale près de la mer jusqu'à un stade de pessière à lichen au niveau de la limite maritime des forêts. La podzolisation est le processus pédogénétique dominant dans ce contexte. Parallèlement à la végétation qui change, les sols se développent avec l'altitude. Ce n'est que 145 à 900 ans suivant l'émersion que les conditions du milieu permettent l'établissement des espèces arborescentes. Les épinettes de la limite des arbres sont plus jeunes que les arbres composant la limite des forêts et ces derniers n'ont pas plus de 120 ans. Aucun macroreste d'épinette blanche n'a été trouvé dans les paléosols précédant la limite des forêts. Les épinettes blanches les plus âgés sur les sites d'étude se sont établis à partir de la fin du XIXe siècle.

Plusieurs contraintes peuvent entraver le suivi à large échelle nécessaire à l’évaluation et à la mise en place de mesures pour atténuer la perte de biodiversité, notamment en milieu nordique. L’utilisation d’espèces indicatrices d’assemblages est une méthode qui permet de simplifier le suivi de la biodiversité à partir d’un nombre limité d’espèces. Malgré des études prometteuses à fines échelles, l’efficacité d’une telle pratique sur de vastes étendues spatiales demeure incertaine. À l’aide de 22 041 points d’écoutes provenant d’atlas d’oiseaux nicheurs, nous avons évalué l’efficacité des espèces indicatrices d’oiseaux à prédire de manière cohérente la richesse spécifique malgré les variations climatiques observées sur 1,75 M km2de forêt boréale. Afin de tester l’effet des conditions climatiques sur les assemblages d’espèces, nous avons séparé notre zone d’étude en huit régions climatiques relativement similaires. À l’aide d’analyses par modèle nul sur la co-occurrence des espèces, nous avons identifié le nombre minimal d’espèces indicatrices nécessaires pour prévoir 70 % de la variation de richesse spécifique dans chacune des régions climatiques. Bien que nous ayons réussi à identifier un nombre restreint d’espèces indicatrices par région climatique, nous avons également montré que les espèces indicatrices variaient largement entre les régions. Les espèces qui conservaient leur capacité à être indicatrices dans plusieurs régions climatiques étaient également représentatives d’assemblages d’espèces différentes. Cette étude montre que les espèces identifiées comme indicatrices pourraient ne plus indiquer le même assemblage d’espèces dans un avenir proche. L'utilisation d’indicateurs à large échelle s'accompagne donc du défi de devoir déterminer sous quelles nouvelles conditions un ensemble d'indicateurs doit être remplacé, puis d’identifier le nouvel ensemble approprié. / Many constraints can impede the broad-scale monitoring needed to assess and mitigate human-induced loss of biodiversity. The use of indicator species of species assemblage can simplify the monitoring of biodiversity based on a limited number of species. Despite promising fine-scale studies, it remains unclear whether indicator species remain effective over broad spatial extents. Using 22,041 point-counts coming from breeding bird atlases, we assessed the value of indicator species to consistently predict bird species richness despite variation in climate conditions observed over 1.75 M km2 of boreal forest. To test for the effect of climate conditions on species assemblages, we partitioned our study area into eight relatively similar climatic regions. Using null model analyses of species co-occurrence, we identified the minimum number of indicator species required to predict 70% of the variation in species richness in each of the climatic regions. Although we were able to identify a small number of indicator species in each climatic region, we observed that the identity of indicator species varied strongly among regions. When species remained an indicator in several climatic regions, they were representative of different species assemblages. This study shows that species currently identified as indicators may no longer indicate the same species assemblage in a near future. Broad-scale use of indicators thus comes with the challenge of having to determine under which new conditions a given set of indicators must be replaced by another, and by which one.

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.