Thèse en cotutelle : Université Laval, Québec et Université de Rennes I, France / Le réchauffement climatique dû à l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre constitue l’une des problématiques majeures actuelles. Dans ce contexte, le stockage du CO₂ dans des réservoirs géologiques se présente comme un moyen susceptible de limiter les conséquences de ces émissions sur l’environnement. Pour des raisons sécuritaires, cette méthode de gestion nécessite une surveillance continue des réservoirs de stockage à l’aide de capteur IR pouvant descendre dans les puits. L’application de cette technologie nécessite également de connaitre le comportement du CO₂ lors des différentes étapes de stockage, notamment lorsqu’il est dans son état supercritique. C’est pourquoi la microfluidique est actuellement utilisée afin de simuler et comprendre les phénomènes liés à l’injection et au stockage du CO₂ sous forme supercritique. La mise en œuvre d’une telle approche requiert : (i) le développement de nouvelles solutions compactes pour la surveillance in situ des réservoirs en continu pour sécuriser les sites de stockage et; (ii) la bonne compréhension du comportement du CO₂ lors des différentes étapes de stockage.Le premier axe de recherche consiste à synthétiser des matériaux vitreux afin d’optimiser l’efficacité d’un capteur optique de CO₂ pour la surveillance des sites de stockage en aquifère salin et susceptible de détecter d’autres gaz, tels le méthane ou le monoxyde de carbone. Le capteur doit pouvoir être déployé en profondeur et capable de détecter des concentrations inférieures à 1000 ppmv pour repérer rapidement d’éventuelles fuites. Les verres de chalcogénures dopés avec des ions de terres rares spécifiques, peuvent produire une luminescence qui peut ensuite être utilisée pour détecter les signatures infrarouges de toutes les molécules possédant des bandes d'absorption dans la région spectrale 3-5 μm. Les compositions vitreuses Ga₅Ge₂₀Sb₁₀(Se, S)₆₈ (%mol.) dopées Pr³+ et Dy³+ ont été développées en vue de réaliser un capteur environnemental de CO₂. Le potentiel de ces matériaux pour la multidétection de gaz (CO₂, CH₄ et CO) a également été exploré. Les systèmes microfluidiques HP/HT actuels ne permettent pas de coupler simultanément la spectroscopie infrarouge et Raman à ces dispositifs. Ce problème est dû à l’utilisation du verre Pyrex associé au wafer de silicium pour la fabrication des microréacteurs. C’est pourquoi le deuxième axe de recherche développé au cours de cette thèse vise à explorer différents systèmes vitreux pour trouver une alternative au Pyrex. Le verre en question doit présenter le meilleur compromis entre les propriétés optiques, thermomécaniques et électriques visées. Ainsi, des verres à base de GeO₂ ont été développés pour répondre aux spécifications attendues, telle que le procédé de collage anodique utilisé pour fixer le verre au wafer de silicium. La composition vitreuse retenue pour les tests est 70GeO₂-15Al₂O₃-10La₂O₃-5Na₂O (%mol.). / Global warming due to the increase of greenhouse gas emissions is one of the main current challenges. In this context, the CO₂ storage in geological reservoirs appears as a likely way to limit the consequences of these emissions on the environment. For safety reasons, this management method requires continuous monitoring of the storage tanks by using IR sensors who can go down into the wells. The application of this technology also requires to know the CO₂ behavior during various storage steps, in particular when it is in its supercritical state. This is why microfluidics is currently used to simulate and understand the phenomena related to the injection and storage of CO₂ in supercritical form. The implementation of such approach requires: (i) the development of novel compact solutions for in situ continuous gas monitoring to secure the storage site and; (ii) a better understanding of the CO₂ behavior during the different storage steps.The first research axis of this thesis has consisted in developing vitreous active materials to increase the efficiency of optical CO₂ sensor (and eventually other gas like CH₄ or CO) for their continuous monitoring in saline aquifer storage sites. This sensor must be able to be deployed in depth and be sensitive to CO₂ concentrations below 1000 ppmv to quickly identify any leak. Chalcogenide glasses doped with specific rare earth ions may provide broadband luminescence that can be used to detect infrared signatures of all molecules whose absorption bands are located in the 3-5 μm spectral region. Glass compositions Ga₅Ge₂₀Sb₁₀(Se, S)₆₈ (mol.%) doped Pr³+ et Dy³+ have been developed in order to be integrated into a functional environmental CO₂sensor. The multi-sensing gas (CO₂, CH₄ et CO) potential of these materials has also been investigated. Current HP/HT microfluidic systems do not allow coupling FTIR and Raman spectroscopies. This problem is due to the using of Pyrex glass for the manufacture of these microreactors. That is why the second research axis developed during this thesis has consisted in exploring various vitreous systems to propose an alternative to the Pyrex glass. The target glass had to demonstrate the best compromise between the desired optical, thermomechanical and electrical properties. In this way, glasses based on GeO2 have been developed to meet these specifications, such as the anodic bonding process used to attach the glass on the silicon wafer. The glass composition selected after the completed studies is 70GeO₂-15Al₂O₃-10La₂O₃-5Na₂O (mol.%).

L'augmentation des superficies forestières permet d'atténuer les changements climatiques en augmentant les puits de carbone en forêt et en assurant un apport soutenu en produits du bois sur les marchés. Le présent projet visait à quantifier le potentiel d'atténuation du boisement et du reboisement de territoires improductifs au Québec, considérant l'approche du bilan de carbone intégrée (forêt, produits du bois et substitution). Les analyses effectuées dans le cadre de l'étude nous ont permis d'évaluer le potentiel d'atténuation des changements climatiques du boisement et du reboisement des dénudés secs et des brûlis mal régénérés retrouvés dans le domaine bioclimatique de la pessière à mousses et des friches agricoles situées dans le domaine bioclimatique de la sapinière à bouleau jaune. Les résultats suggèrent que les plantations sans récolte ont généré, à l'âge de maturité, un plus grand potentiel de séquestration du carbone en forêt alors que les plantations récoltées prennent plusieurs décennies pour récupérer la perte de carbone engendrée par la récolte forestière. Cette dette peut être compensée que si une partie du bois récolté est convertie en produits du bois de longue durée et avec un effet de substitution élevé. Le besoin de données empiriques sur le taux d'accumulation du carbone par la succession végétale sur les friches agricoles en l'absence de boisement a été souligné afin de mieux quantifier le scénario de référence. L'intégration de l'impact des changements climatiques sur la croissance des plantations en fonction de trois projections de forçage radiatif (RCP 2.6, RCP 4.5 et RCP 8.5) montre que le potentiel d'atténuation des scénarios de boisement avec pin gris sur les dénudés secs et avec pin rouge sur les friches agricoles permettent une séquestration du carbone significative. Le choix des essences à planter et la stratégie d'aménagement forestier ont un impact plus important sur les stocks de carbone que l'impact des changements climatiques sur la croissance des arbres. Finalement, le climat a eu un impact sur la quantité et la qualité du panier de produits du bois en faisant varier le diamètre à hauteur de poitrine (DHP) des tiges récoltées en fonction des différents scénarios de forçage radiatif. L'augmentation de la proportion des produits du bois à longue durée retarde les émissions de GES dans le temps, mais produit davantage d'émissions de méthane (CH₄) en raison de la décomposition sous conditions anaérobies. Le recyclage des produits du bois en fin de vie à des fins de bioénergie a permis de réduire considérablement les émissions en évitant complètement la décomposition dans les dépotoirs. La présente étude a permis de mieux comprendre le rôle des plantations en tant que stratégie d'atténuation pour contribuer aux objectifs nationaux de réduction des émissions de GES en plus de préciser le rôle de l'intensification de la production ligneuse en matière d'atténuation des changements climatiques. / Increasing forest area can mitigate climate change by increasing forest carbon sinks and ensuring a sustained supply of wood products to markets. This project aimed to quantify the mitigation potential of afforestation and reforestation of unproductive territories in Quebec, considering the forest sector value chain (forests - products - markets). This study allowed us to evaluate the climate change mitigation potential of afforestation and reforestation of open woodlands and poorly regenerated burns in the spruce-moss bioclimatic domain and of abandoned farmlands in the balsam fir-yellow birch bioclimatic domain. The results showed that afforestation without harvesting generated a greater potential for forest carbon sequestration when plantations reached maturity, whereas harvested plantations take several decades to recover the carbon loss generated by forest harvesting. This debt can only be offset if some of the harvested wood is converted into long-lived wood products with a high substitution effect. The need for empirical data on the rate of carbon accumulation by natural succession on abandoned farmlands in the absence of afforestation was emphasized to better quantify the baseline scenario. Integrating the impact of climate change on forest growth under three radiative forcing projections (RCP 2.6, RCP 4.5, and RCP 8.5) showed that the mitigation potential of afforestation scenarios with jack pine on open woodlands and red pine on abandoned farmlands provided significant carbon sequestration. The choice of species to be planted and the forest management strategy had a greater impact on carbon stocks than the impact of climate change on tree growth. The quantity and quality of the basket of harvested wood product varied due to the impact of climate on the diameter at breast height (DBH) of harvested stems. Increasing the proportion of long-lived wood products delayed GHG emissions over time but produced more methane (CH₄) emissions due to decomposition under anaerobic conditions. Cascading use of wood products at their end of life into bioenergy conversion had significantly reduced emissions by avoiding decomposition in landfills. This study provided a better understanding of the role of afforestation and reforestation as mitigation strategies to contribute to national GHG emission reduction goals and to clarify the role intensification of wood production in climate change mitigation.

Chez les plantes pérennes, une compétition pour les ressources carbonées et minérales entre les différents puits a souvent été rapportée. Elle peut réduire la production de fruits, notamment en présence de reproduction asexuée. L’étude de l’allocation du carbone et des nutriments (éléments minéraux) chez la chicouté (Rubus chamaemorus L., Rosaceae), une plante clonale nordique, visait à identifier les facteurs qui limitent sa production de ramets floraux et de fruits. De plus, la plante produisant davantage de ramets lorsque ses rhizomes se trouvent plus près de la surface du sol qu’en profondeur, l’impact de certains facteurs édaphiques (température et pression) sur la différentiation des apex des rhizomes en bourgeons a donc été étudié de même que l’effet de la dominance apicale et des réserves de carbone et de nutriments. Nos résultats montrent que le carbone, plus que les nutriments, limite la formation du fruit, et que ce carbone provient essentiellement du ramet floral. Au début du printemps, il reste peu de réserves carbonées dans le rhizome possiblement à cause d’une dormance peu profonde de celui-ci. Les feuilles et les fruits en développement semblent être en compétition pour le carbone. Par ailleurs, les ramets portant un fruit avorté montrent une faible teneur en phosphore foliaire, une déficience qui peut restreindre la translocation du carbone vers les fruits. De plus, les fruits avortés de chicouté présentent une faible teneur en potassium ce qui pourrait également limiter leur apport en sucres et induire l’avortement. Cependant, l’application de fertilisants n’a pas permis d’améliorer les rendements en fruits, du moins à court terme. Un suivi à plus long terme de l’effet des fertilisants, couplé à la sélection de clones présentant un déploiement rapide du feuillage au printemps et une dormance plus profonde en hiver, pourrait contribuer à augmenter le rendement en fruits de la chicouté. Deux facteurs ont induit une augmentation de la production de bourgeons floraux, la fertilisation minérale et des températures élevées mais aucun de ces deux facteurs semblent agir comme élément déclencheur. D’autres études seront nécessaires pour identifier les facteurs induisant la différentiation des apex en bourgeons feuillés et floraux chez la chicouté. / Competition for both carbon and mineral resources between the different sinks has often been reported in perennial plants and can, especially in presence of asexual reproduction, reduces the production of fruits. We have studied carbon and nutrient allocation in cloudberry (Rubus chamaemorus L., Rosaceae), a northern clonal plant, to determine the limiting factors for both flower ramets and fruit production. Furthermore, the plant producing more ramets when its rhizomes grow near the ground surface than deeper in the soil, the impact of some edaphic factors (temperature and soil pressure) on the rhizome apex differentiation into buds was thus also quantified along with the impact of apical dominance and of the level of carbon and nutrient reserves Our results indicated that carbon is more limiting than nutrients for fruit production and that this carbon comes essentially from the floral shoot. During early spring, the carbon reserves are low in the rhizome most likely due to a weak dormancy of the rhizome during the winter. The developing fruits and the unfolding leaves appear to compete for the carbon resource. Additionally, the shoots bearing an aborting fruit had a low P content in their leaves, a deficiency that can reduce carbon translocation to the fruits. Moreover, aborted cloudberry fruits have a low K concentration, which could also limit sugar import to these fruits and induce abortion. However, mineral fertilization did not improve fruit yield, at least on a short-time scale. Longer-term studies of mineral fertilization coupled with the selection of clones with faster leaf unfolding and with a deeper dormancy of the rhizome could increase cloudberry fruit yield. Two factors contributed to increase flower bud production: mineral fertilization and high temperatures. However, none of these factors appeared to work as a triggering factor for floral bud formation. Other studies will be necessary to identify the factors inducing rhizome apex differentiation into leaf and flower buds in cloudberry.

Le dégel et l'affaissement des buttes de pergélisol riches en glace entraînent la formation de mares de thermokarst. Ces eaux sont connues pour émettre du CH₄ et du CO₂, mais la dynamique biogéochimique de ces émissions demeure méconnue. Les objectifs de cette thèse étaient d'évaluer les principales sources de variabilité des émissions de gaz à effet de serre par les mares de thermokarst formées sur un pergélisol plus ou moins riche en carbone, et d'évaluer certains changements non linéaires dans ces écosystèmes pouvant résulter du réchauffement climatique. Les concentrations et les flux de CH₄ et de CO₂ ont été mesurés dans 18 lacs de thermokarst situés dans six sous-régions biogéochimiquement distinctes du Québec subarctique, le long d'un gradient de dégradation du pergélisol. Ces sites renferment des mares de thermokarst issues soit du dégel de palses (buttes de tourbières gelées) ou de lithalses (buttes de pergélisol minéral), dont la teneur en carbone organique diffère d'un sol à l'autre. Pour évaluer l'effet potentiel de la dégradation du pergélisol sur ces systèmes d'eau douce soumis à l'influence du réchauffement climatique, des sites comparables ont été sélectionnés dans la zone de pergélisol discontinu au nord, ainsi que dans la zone de pergélisol sporadique au sud où le pergélisol se dégrade plus rapidement. Un profilage hivernal de cinq lacs situés sur des tourbières de pergélisol érodées a été effectué, et des enregistreurs automatisés de température, de conductivité et d'oxygène ont été utilisés pour évaluer comment le cycle annuel de stratification et de mélange peut affecter les rejets de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Les mares étudiées étaient stratifiées thermiquement pendant la majeure partie de l'année, avec de forts gradients physico-chimiques dans la colonne d'eau, et la plupart avaient un hypolimnion anoxique. Les mares de lithalse les plus septentrionales présentaient une teneur en CO₂ de surface inférieure ou supérieure à la saturation, mais les lacs plus au sud présentaient des concentrations de surface beaucoup plus élevées, bien audessus de l'équilibre atmosphérique. Les concentrations de CH₄ dans les eaux de surface étaient au moins un ordre de grandeur au-dessus de l'équilibre avec l'air à tous les sites de lithalse, et les flux diffusifs des deux gaz augmentaient du nord au sud. Le taux d'oxydation du CH₄ dans les eaux de surface d’une mare de lithalse au nord ne représentait que 10% du taux d'émission, mais à l'extrémité sud, il atteignait environ 60% des émissions vers l’atmosphère, indiquant que la méthanotrophie pourrait jouer un rôle important dans la réduction des émissions nettes. Les eaux de surface des mares de palse du nord et du sud de la région d'étude étaient supersaturées en CH₄ et aussi saturées en CO₂, particulièrement les lacs du sud où les concentrations de CH₄ dépassaient de 5 ordres de grandeur l'équilibre atmosphérique. Les concentrations de CH₄ et de CO₂ augmentaient de plusieurs ordres de grandeur au fond des lacs du sud, mais les gradients verticaux étaient moins marqués ou absents au nord. De fortes émissions de CH₄ et de CO₂ provenaient de l'ébullition des gaz, mais elles étaient largement dépassées par les flux diffusifs, contrairement aux mares de thermokarst étudiées ailleurs en Alaska, en Europe, ou en Sibérie. La datation au radiocarbone des échantillons de gaz d'ébullition a montré que l'âge ¹⁴C du CH₄ variait entre 760 et 2005 ans, alors que le CO₂ était toujours plus jeune. Toutes les mares étudiées contenaient d'importants stocks de CH₄ en hiver sous leur couverture de glace saisonnière. Les concentrations sous la glace étaient jusqu'à 5 ordres de grandeur au-dessus de l'équilibre atmosphérique, correspondant à un taux d'émission lors de la débâcle de 1 à 2 ordres de grandeur plus élevé qu'au milieu de l'été, sans compter les émissions par ébullition. Le rapport estimé entre les émissions diffuses de CO₂ et de CH₄ serait deux fois plus élevé en été qu'au printemps, ce qui suggère la prédominance de la production hydrogénotrophique de méthane en hiver et l'augmentation de l'activité bactérienne aérobie en été. Les enregistrements annuels des instruments automatisés installés in situ suggèrent que la morphométrie lacustre (fetch et profondeur) pourrait jouer un rôle clé dans le contrôle du moment et de l'ampleur du rejet de CH₄ de la colonne d'eau vers l'atmosphère. Dans l'ensemble, ces observations montrent que les mares de lithalse peuvent émettre du CH₄ et du CO₂ rapidement après leur formation, avec des efflux de gaz qui persistent et augmentent à mesure que les mares continuent de se réchauffer et le pergélisol de s'éroder. Par ailleurs, les résultats indiquent que les mares de palse peuvent devenir une source de gaz à effet de serre de plus en plus importante alors que la limite sud du pergélisol continue à se déplacer vers le nord. Les résultats soulignent également la nécessité de tenir compte des grandes fluctuations saisonnières des émissions de méthane provenant des mares de thermokarst des tourbières dans les estimations des flux annuels de carbone. / The thawing and subsidence of ice-rich permafrost mounds results in the formation of thermokarst lakes and ponds. These waters are known to emit CH₄ and CO₂, but the biogeochemical dynamics of these emissions remain poorly understood. The objectives of this thesis study were to assess major sources of variability in estimates of greenhouse gas emissions from thermokarst lakes formed on permafrost of divergent carbon content, and to evaluate some of the non-linear changes in these freshwater ecosystems that may arise from global warming. CH₄ and CO₂ stocks and fluxes were measured in 18 thermokarst lakes in six biogeochemically distinct sub-regions of subarctic Quebec, along a permafrost degradation gradient. These sites contain thermokarst lakes that are derived either from the thawing of palsas (frozen peat mounds) or lithalsas (mineral permafrost mounds), which differ in their soil organic carbon content. To address the potential effect of permafrost degradation on these freshwater systems under climate warming, comparative sites were selected in the northern discontinuous permafrost zone and in the southern sporadic permafrost zone where permafrost is more rapidly degrading. Winter profiling of five lakes located on eroding permafrost peatlands was undertaken, and automated water temperature, conductivity and oxygen loggers were used to evaluate how the annual cycle of stratification and mixing may affect the release of greenhouse gases to the atmosphere. The studied lakes were thermally stratified for most of the year, with strong physico-chemical gradients down the water column, and most had anoxic bottom waters. The northernmost lithalsa lakes varied in their surface-water CO₂ content, from below to above saturation, but the southern lakes in this gradient had much higher surface concentrations that were well above air-equilibrium. Surface-water CH₄ concentrations were at least an order of magnitude above air-equilibrium at all lithalsa sites, and the diffusive fluxes of both gases increased from north to south. The rate of CH₄ oxidation in the surface waters from a northern lithalsa lake was only 10% of the emission rate, but at the southern end it was around 60% of the efflux to the atmosphere, indicating that methanotrophy may play a substantive role in reducing net emissions. The surface waters of palsa lakes at both northern and southern sites were supersaturated in CH₄ and CO₂, and to a greater extent in the southern lakes, where CH₄ concentrations were up to 5 orders of magnitude above air equilibrium. Concentrations of CH₄ and CO₂ increased by orders of magnitude with depth in the southern lakes, however vertical gradients were less marked or absent in the North. Strong CH₄ and CO₂ emissions were associated with gas ebullition, but these were greatly exceeded by diffusive fluxes, in contrast to thermokarst lakes studied elsewhere. Radiocarbon dating of ebullition gas samples showed that the CH₄ had ¹⁴C-ages from 760 to 2005 years before present, while the CO₂ was consistently younger. All of the studied lakes contained large stocks of CH₄ in winter under their seasonal ice covers. The sub-ice concentrations were up to 5 orders of magnitude above airequilibrium, and the emission rates at ice break-up would be 1-2 orders of magnitude higher than during mid-summer. The estimated ratio of diffusive CO₂ to CH₄ emission was twice as high in summer than in spring, suggesting the predominance of hydrogenotrophic methane production in winter, and increased aerobic bacterial activity in summer. The annual records from the automated instruments moored in situ suggest that lake morphometry (fetch and depth) may play a key role in controlling the timing and extent of CH₄ release from the water column to the atmosphere. Overall, these observations show that lithalsa lakes can begin emitting CH₄ and CO₂ soon after they form, with effluxes of both gases that persist and increase as the lakes continue to warm and the permafrost continues to erode. Moreover, the results indicate that peatland thermokarst lakes may be an increasingly important source of greenhouse gases as the southern permafrost limit continues to shift northwards. The results also underscore the need to consider the large seasonal fluctuations in methane emissions from peatland thermokarst lakes in estimates of annual carbon fluxes.

Les forêts couvrent 31% de la surface terrestre en plus de stocker environ le double de carbone (C) contenu dans l'atmosphère. Elles ont donc un rôle important à jouer dans le contexte de la réduction des émissions de C à l'atmosphère, en plus d'être des moteurs de développement économique et social. Dans le cadre de cette étude, différentes pratiques sylvicoles ont été comparées en utilisant des données terrain afin de comprendre leurs effets sur l'accumulation de C en forêt, et sur la répartition du C entre les différents réservoirs de l'écosystème. Cette étude s'est déroulée à la Forêt Montmorency, la forêt d'enseignement et de recherche de l'Université Laval, située dans le biome boréal, et plus précisément dans le domaine bioclimatique de la sapinière à bouleau blanc de l'Est. Les traitements sylvicoles testés incluaient : la conservation (pour permettre au peuplement d'atteindre le stade de vieille forêt), la coupe partielle et la coupe totale avec protection de la régénération et des sols (CPRS). Ce projet visait à comparer la quantité moyenne de C que renferment chaque réservoir (biomasse, bois mort, litière et matière organique de l'humus et du sol minéral) et la proportion qu'occupe chacun des réservoirs par rapport au contenu total de C de l'écosystème dans des sapinières soumises à l'une ou l'autre de ces traitements sylvicoles. Les hypothèses étaient que la coupe partielle permet de stocker en moyenne plus de C dans le sol et les débris ligneux que la CPRS, et que la conservation des vieilles sapinières permet de préserver un plus grand stock de C que les sapinières aménagées. Les donnée sont été récoltées dans un réseau de placettes de différents âges, pour quantifier les stocks moyens associés aux différents traitements, et en utilisant un protocole standardisé d'échantillonnage des stocks de C. Nos résultats ont confirmé notre première hypothèse que les peuplements soumis à la coupe partielle stockeraient en moyenne plus de C que ceux soumis à la coupe totale. En particulier, les chicots et les débris ligneux stockent en moyenne plus de C sous un régime de coupe partielle plutôt que sous un régime de coupe totale. Cependant, le choix du traitement sylvicole ne semble pas avoir d'effet sur les stocks de C du sol. La perturbation du sol parla machinerie forestière, au Québec, est soumise à des réglementations qui limitent à 33% de la zone de récolte les sentiers de débardage, ce qui contribue probablement à réduire les différences entre les traitements sylvicoles. Pour notre deuxième hypothèse, nos résultats suggèrent que les vieilles forêts ont des stocks de C plus importants que les peuplements soumis à la coupe totale; cependant, les peuplements soumis à la coupe partielle ressemblaient en partie aux vieilles forêts en matière de stockage de C dans les débris ligneux et chicots. Finalement, si la Forêt Montmorency cherche à atteindre à la fois des objectifs de séquestration et de stockage de C sur le territoire et de production de bois, la coupe partielle semble être une pratique plus avantageuse que la coupe totale. La conservation des vieilles forêts est tout aussi avantageuse en matière de stockage du C, en plus de permettre d'atteindre des objectifs de protection de la biodiversité. Cette étude contribue aux connaissances scientifiques sur le rôle de l'aménagement forestier sur le cycle du C. / Forests make up 31% of the land surface, besides, they store about the double of the carbon (C) contained in the atmosphere. They therefore have an important role to play in the reduction of C emissions to the atmosphere, as well as being drivers of economic and social development. Forest management can be used as a tool for climate change mitigation by sequestering and storing carbon (C). In this study, several silvicultural practices were compared by using empirical data to look at the effects of C accumulation in forests, and on C allocation between the ecosystem pools. This study was set in Forêt Montmorency, the research and teaching forest of Laval University, located in the Eastern balsam fir white birch bioclimatic region. The tested silvicultural practices were conservation (to allow the stand to attain an old-growth stage), partial cutting and clearcutting with protection of the regeneration and soils. The goal of this project was to compare the average quantity of C stored in each pool (living biomass, deadwood, litter, and soil organic matter in forest floor and mineral soil) in balsam fir forests under one of those strategies, and the allocation of C among pools compared to the ecosystem total C. The hypotheses were that under partial cutting, more C would be stored in soils and woody debris than under clearcutting, and that conservation of old-growth stands would permit to preserve more C than the management of fir stands. Data was collected in a network of plots with stands of different ages, to quantify the average C stocks associated with each strategy, by using a standardized sampling protocol. Our results confirmed the first hypothesis that stands under partial cutting store in average more C than those under clearcutting. Stumps and woody debris store more C under the partial cutting regime than under the clearcut regime. However, the silvicultural strategy does not seem to influence soil C stocks. Soil disturbance by forest operations is somewhat limited due to Quebec regulations that restrict the area occupied by skid trails to a maximum of 33% of cutting areas; this likely contributed to reduce potential differences between partial and clearcut harvests. For the second hypothesis, our results suggest that old growth stands store more C than stands under the clearcutting regime; however, stands under the partial cutting regime are somewhat similar to old growth stands in terms of C storage in woody debris and stumps. Finally, if Forêt Montmorency is to pursue objectives of C storage and wood production, partial cutting seems to be more advantageous than clearcutting. Conservation of old growth stands has been also just as advantageous in terms of C storage and contributes to the protection of biodiversity. This study contributes to the forest management knowledge of the C cycle.

L’amélioration de l’efficacité de l’utilisation de l’eau (WUE) s’avère un élément clé afin d’augmenter la durabilité des plantes cultivées lors de périodes de sécheresse. Dans ce contexte, cette thèse a étudié la relation entre la conductance du mésophylle au CO2 (gm), un élément contraignant l’assimilation en carbone, et l’hydraulique chez des peupliers hybrides, espèces à forte croissance et haute transpiration. Il a été démontré, à l’aide d’une méthode améliorée, que gm reste constante durant les premières étapes d’un stress hydrique jusqu’à un seuil de conductance stomatique (gs) d’environ 0,15 mol m−2 s−1. En diminuant expérimentalement les limitations causées par les stomates, gm et la conductance hydraulique des feuilles n’ont pas été altérées, suggérant une isolation hydraulique partielle du mésophylle. L’application d’acide abscissique (ABA) exogène et la cavitation du xylème ont mis en évidence le délai de réaction de gm par rapport à gs, suggérant également l’isolation hydraulique du mésophylle. L’isolation hydraulique serait en cause et entrainerait un délai dans l’acheminement de l’ABA, retardant ainsi la fermeture d’aquaporines et entrainant une déviation de l’eau vers la voie apoplastique et une diminution irréversible de gm. Toutefois, une diminution de la turgescence résultant de la cavitation entraine une diminution de gm réversible par pressurisation d’eau dans le xylème, suggérant un effet réversible au niveau de la membrane plasmique. Ces deux mécanismes peuvent également être observés lors d’un stress hydrique de plus longue durée. Ainsi, la diminution de gm est retardée de quelques jours par rapport à gs, suggérant un effet de l’ABA endogène. Toutefois, une variation diurne de gm après plus d’une semaine de stress suggère une réaction au changement journalier de turgescence. La variation de réponse de gs entre différents génotypes de peupliers et le délai de réaction de gm permettent d’augmenter le ratio gm/gs, et ce dernier est corrélé positivement à l’efficacité de transpiration, une composante foliaire de WUE. Ainsi, le ratio gm/gs serait un trait à favoriser dans l’amélioration de WUE afin d’augmenter la résilience des plantes cultivées à la sécheresse, surtout dans un contexte de changements climatiques où la fréquence et l’intensité des périodes de séchesse sont prédits d’augmenter. / Increasing water use efficiency (WUE) is a key objective to improve the sustainability of cultivated plants to drought. In that context, this thesis has studied the relation between leaf hydraulics and mesophyll conductance to CO2 (gm), a component that restricts carbon assimilation, in hybrid poplar clones, plants with high growth rates and transpiration. It was first shown, using an improved measurement method, that gm remained constant during the early stages of water stress and declined only below a stomatal conductance (gs) threshold of ~0.15 mol m−2 s−1. Removing stomatal limitations experimentally did not improve gm or leaf hydraulic conductance (Kleaf), which suggests a partial hydraulic isolation of the mesophyll. Furthermore, adding xylem-fed abscisic acid (ABA) or inducing xylem cavitation again showed a delayed gm response and hydraulic isolation of the mesophyll. Two mechanisms would be at play. First, in the case of ABA, hydraulic isolation would delay its delivery and eventually induce mesophyll aquaporins gating and a shift towards the apoplastic water pathway, thus decreasing gm. However, it is only with a decline in turgor caused by xylem cavitation that pressurizing water allows for a full restoration of gm, which suggests a reversible change at the plasma membrane level. Those two mechanisms can be observed during a longer water stress period. Thus, the delay in gm decline by a few days compared to gs suggests an ABA response and the partial hydraulic isolation of the mesophyll. After more than a week of water stress, diurnal changes in gm indicate a daily turgor variation. The variation in gs response to drought and the delay in the decline of gm increase the gm/gs ratio, which is positively correlated to transpiration efficiency, a foliar component of WUE. Thus, the gm/gs ratio was used to discriminate between five poplar genotypes, and the results suggest that it should be improved to increase WUE and the resilience of cultivated plants to drought, which is more than ever critical since drought events are predicted to increase in frequency and intensity under climate change.

Tunable diode laser absorption spectroscopy using an external cavity diode laser operating in the infra-red has been developed to monitor CO2 in the freestream of the Longshot hypervelocity facility at the Von Karman Institute for Fluid Dynamics. The Longshot facility offers a unique European facility for ground testing and numerical validation applications, however, some of the traditional data rebuilding aspects are in question. A non-intrusive absorption<p>sensor could significantly aid in improving the knowledge of freestream static values thereby improving the models used in data rebuilding and numerical simulation. The design of such a sensor also expands the spectroscopic capabilities of the Von Karman Institute.<p><p>The absorption sensor is designed around the single P12 (00001)-(30013) rovibrational transition near 1.6µm (6218.09cm-1 specifically) which yields relatively weak direct absorption levels at about 3.5% per meter for typical Longshot freestream conditions. However, when handled carefully, adequate signal-to-noise can be acquired to exploit significant flow information. By being able to operate in this range, total sensor cost can be easily an a factor of two or more cheaper than sensors designed for the deeper infrared. All sensor elements were mounted to a compact portable optics bench utilizing single-mode optical fibers to allow for quick installation at different facilities by eliminating tedious optical realigning. Scans at 600Hz were performed over 20ms of the 40ms test time to extract core static temperature, pressure and velocity.<p><p>These results are compared with the current state of the Longshot data rebuild method. The non-uniform flow properties of the shear layer and test cabin rested gas accumulation was of an initial concern. The temperature and density gradients along with significant radial velocity components could result in DLAS temperature, pressure and velocity that are significantly different than that of the target freestream inviscid core values. Fortunately, with the proper selection of the P12 rotational number, this effect could be more or less ignored as the higher temperature and lower density gas of this region is relatively transparent.<p><p>Ultimately, acquired temperature and density were moderately accurate when compared to Longshot rebuilt results owing primarily to the baseline extraction which poses issues for such low absorption signals. However, the extracted velocity data are quite accurate. This is a definite puls for the sensor as the freestream enthalpy of cold hypersonic facilities is dictated primarily by the kinetic energy contribution. Being able to compare velocity gives insight to the level of vibration non-equilibrium in the flow. The velocity of the DLAS and the Longshot rebuild are quite close. This adds more weight to the argument that vibrational excitation is very low (if present at all) in the free stream and that the van de derWaals equation of state usage and constant specific heat assumption might be an adequate model for the data rebuild after all. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’aménagement forestier perturbe le cycle du carbone des écosystèmes de la forêt boréale. Les deux principales composantes de ce cycle, soit la photosynthèse et la respiration, déterminent l’état de puits ou de source de carbone d’un écosystème. Cet état varie en fonction des conditions édapho-climatiques mais est principalement influencé par le stade de développement d’un écosystème. En Amérique du Nord, l’aménagement forestier influe sur la superficie relative de parterres de coupe, de peuplements juvéniles et de peuplements matures. La quantification de la perturbation du cycle du carbone des écosystèmes forestiers boréaux induite par l’aménagement forestier est nécessaire à l’estimation du bilan en carbone de la forêt boréale et à l’établissement de prédictions concernant les variations de ce bilan en carbone dans un contexte de changement climatique. C’est pourquoi les flux de dioxyde de carbone (CO2) d’une chronoséquence de récolte d’écosystèmes d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) de la forêt boréale de l’Est de l’Amérique du Nord ont été mesurés sur une période d’un an à l’aide de la technique par covariance de turbulences à l’échelle de l’écosystème et l’efflux de CO2 des sols a été mesuré à l’aide d’un analyseur de gaz à infrarouges portable. L’objectif de l’étude était de quantifier les composantes du bilan annuel en carbone des sites afin d’identifier les processus physiologiques majeurs contribuant au passage d’une source à un puits de carbone suivant la récolte. Sur une base annuelle, le site pré-récolte (105 ans) était un faible puits de carbone (6 ± 4 g C m-2 an-1), le site récemment récolté (8 ans) était une source (-87 ± 3 g C m-2 an-1) et le site juvénile (33 ans) était un puits moyen à fort (143 ± 35 g C m-2 an-1). La production primaire brute (GEP) annuelle au site pré-récolte était seulement 28% plus élevée qu’au site récemment récolté (646 ± 6 contre 504 ± 5 g C m-2 an-1). La GEP annuelle au site juvénile (1107 ± 32 g C m-2 an-1) était 71% plus élevée que la GEP annuelle au site pré-récolte, ce qui suggère une limitation physiologique de la photosynthèse au site pré-récolte. La respiration de l’écosystème (Re) annuelle a suivi la même tendance mais les différences entre sites étaient moindres (640 ± 8 à 591 ± 6 à 964 ± 50 g C m-2 an-1). Le facteur de sensibilité aux variations de la température du sol de la respiration du sol (Q10) et le taux moyen de respiration du sol de base (R10) pour la période sans neige étaient différents entre les sites et étaient les plus bas au site récemment récolté. Le Q10 et le R10 de la respiration du sol (Rs) semblaient reliés à la GEP annuelle. La Rs annuelle a diminué suivant la récolte et a augmenté avec le temps depuis la récolte (593 à 500 à 644 g C m-2 an-1). Le rapport annuel de la Rs à la Re était plus bas au site post-récolte qu’aux deux autres sites (67% contre 93% et 85%). Ces résultats caractérisent l’évolution des processus physiologiques majeurs influençant le cycle du carbone des écosystèmes boréaux d’épinette noire suite à la récolte et devraient être utiles à l’incorporation des effets de l’âge des écosystèmes dans les modèles régionaux et globaux. / Forest harvest and subsequent stand development can have major effects on the carbon cycle of boreal stands. Carbon dioxide (CO2) fluxes of a three-point black spruce harvest chronosequence located in the boreal forest of eastern North America were measured over a one-year period at the ecosystem scale with the eddy covariance technique and CO2 efflux from soils was measured with a portable infrared gas analyzer. The three sites (pre-harvest, recently-harvested, and juvenile) were 105-, 8- and 33-years old, respectively. On an annual basis, the pre-harvest site (EOBS) was a weak carbon sink (6 ± 4 g C m-2 yr-1), the recently-harvested site (HBS00) a source (-87 ± 3 g C m-2 yr-1) and the juvenile site a moderate to strong sink (143 ± 35 g C m-2 yr-1). Annual gross ecosystem production (GEP) at the pre-harvest site was only 28% greater than at the recently-harvested site (646 ± 6 versus 504 ± 5 g C m-2 yr-1) while GEP at the juvenile site (1107 ± 32 g C m-2 yr-1) was 71% greater than at the pre-harvest site, suggesting significant physiological constraints to photosynthesis at the pre-harvest site. Annual ecosystem respiration (Re) followed the same pattern, but intersite differences were somewhat less (640 ± 8 to 591 ± 6 to 964 ± 50 g C m-2 yr-1). Annual soil respiration (Rs) decreased following harvest from 593 to 500 g C m-2 yr-1 and increased with further stand development to 644 g C m-2 yr-1, although the changes were less than for GEP and Re. Q10 and R10 of Rs for the snow-free period varied between sites, were lowest for the recently-harvested site and appeared to be related to GEP via substrate supply. The annual ratio of Rs to Re was lower for the juvenile site (67%) than for the pre-harvest and recently-harvested sites (93 and 85%, respectively). These results quantify how some of the major physiological processes that influence the carbon cycle of boreal black spruce stands evolve following harvest and should be useful for better incorporating stand-age effects into regional and global scale models. Keywords: boreal forest; CO2 fluxes; harvest; chronosequence; disturbance; soil respiration; eddy covariance

Il y a des réservoirs de gaz naturel à travers le monde qui ne sont pas exploités en raison de leur haute teneur en C0₂. Il serait donc intéressant que la technologie soit améliorée pbur la purification du gaz naturel. La grande majorité des systèmes commerciaux de séparation des gaz par membrane utilise des polymères en raison de leur compacité, leur facilité d'utilisation et de leur coût. Cependant, les membranes polymériques conçues pour des séparations de gaz sont reconnues pour avoir un compromis entre la perméabilité et la sélectivité représenté par les courbes limites supérieures de Robeson. La recherche pour les matériaux membraines qui transcendent la limite supérieure de Robeson a été une question critique dans la recherche axée sur les membranes pour la séparation de gaz durant la dernière décennie. Ainsi, de nombreux chercheurs ont exploré l'idée de membranes à matrice mixte (MMM) pour surmonter ces limitations. Ces membranes combinent une matrice polymère avec un tamis moléculaire inorganique tel que les zéolithes. Ce travail présente une étude de la synthèse et de la caractérisation de nouvelles charges pouvant être utilisées dans les membranes à matrice mixte (MMM) pour la séparation du C0₂/CH₄. En première partie de cette thèse, nous avons développé une stratégie pour surmonter les approches précédentes qui sont problématiques pour greffer les charges zéolithes. Nous avons synthétisé et caractérisé la zéolithe FAU/EMT et étudié les effets de la polarité du solvant et de la nature des aminosilanes sur les propriétés physico-chimiques des charges, ainsi que sur les propriétés d'adsorption du C0₂. Après cela, avec l'aide d'un plan expérimental de Taguchi, nous avons optimisé les paramètres de la réaction de greffage de la zéolithe FAU/EMT avec l'agent 3-aminopropylméthyldiéthoxysilane (APMDES) pour préparer de bons remplissages greffés pour une utilisation dans les MMM. Par la suit, les charges préparées dans les conditions optimisées, sont greffées et incorporées dans une matrice de polyimide pour fabriquer des MMM pour la séparation du C0₂/CH₄. Les résultats obtenus ont montré qu'à 25 % (m/m), les charges greffées et imprégnées sur le polymère augmentaient à la fois la perméabilité et la sélectivité par rapport à des membrane de polyimide seul. Lors de la deuxième partie de ma thèse, nous avons développé la préparation, la caractérisation et les propriétés de séparation des gaz de C0₂/CH₄ de MMM comportant différents MOF et le polyimide 6FDA-ODA afin d'étudier l'effet de la fonctionnalisation par le ligand (-NH₂) sur la performance de séparation du C0₂/CH₄ par les MMM. Pour la première fois, nous avons choisi de nouveaux MOF à base de Zr (UiO-66, NH₂-UIO-66, UiO-67), ainsi que MOF-199 (HKUST-1) avec un ligand mixte fonctionnalisé (NH₂-MOF-199) basés sur des calculs de simulation pour la séparation de C0₂/CH₄ à partir des résultats expérimentaux rapportés précédemment. Les résultats obtenus ont montré une augmentation de la sélectivité pour la MMM sauf pour le remplissage avec UiO-67. La présence de groupes fonctionnels d'aminés dans le NH₂-UIO-66 a augmenté à la fois la sélectivité et la perméabilité du C0₂. D'autre part, une MMM faite avec UiO-66 a augmenté de manière significative la perméabilité du C0₂ par rapport à la membrane 6FDA-polyimide seul sans aucune perte de la sélectivité idéale.

Cette étude a permis d’acquérir une meilleure compréhension des implications potentielles du réchauffement climatique sur les tourbières dominées par les sphaignes. Le drainage d’une partie de la tourbière a débuté il y a 55 ans. La composition végétale des parties naturelle et drainée a été comparée à l’aide de six transects et analysée par des techniques d’ordination. Les flux de CO2 ont été mesurés durant la saison de croissance sur un transect de la partie drainée et modélisés. En réponse au drainage, la composition végétale a changé et ce n’était pas relié au gradient naturel centre-bordure. Dans la partie humide du transect (éloigné du canal de drainage), la photosynthèse et la respiration totale ont diminué. La captation du CO2 y était légèrement moins élevée que dans la partie sèche. Cette étude suggère que les effets des changements climatiques seraient atténués par un changement des communautés végétales. / This study is providing a better understanding of the potential implications of the global climatic warming on Sphagnum dominated peatlands. The drainage of a part of the peatland began 55 years ago. Vegetation composition of the drained and natural areas was compared along six transects and analysed by ordination techniques. CO2 fluxes were measured during the growing season on one transect of the drained area and inferred by modelling. In response to drainage, vegetation composition changed and it was not related to a natural mire margin-mire expanse gradient. In the wetter part of the transect (far from the drainage ditch), gross photosynthesis and total respiration decreased. There was also slightly less CO2 sequestration than in the drier part. This study suggests for Sphagnum dominated peatlands that the effect of climate change might be reduced by a change of vegetation communities.