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The Paleocene-Eocene Thermal Maximum (PETM) (55 million years ago) stands as the largest in a series of extreme warming (hyperthermal) climatic events, which are analogous to the modern day increase in greenhouse gas concentrations. Orbitally triggered (Lourens et al., 2005, Galeotti et al., 2010), the PETM is marked by a large (-3‰) carbon isotope excursion (CIE). Hypothesized to be methane driven, Zeebe et al., (2009) noted that a methane based release would only account for 3.5°C of warming. An isotopically heavier carbon, such as that of soil and C3 plants, has the potential to account for the warming and CIE (Zachos et al., 2005). During the early Eocene, high latitude surface temperatures created favorable conditions for the sequestration of terrestrial carbon. A large untapped terrestrial carbon reservoir, such as that within permafrost regions, contains the potential, if degraded, to account for the CIE as well as the global temperature increase observed during the PETM. Using an fully integrated climate model (GENESIS) with fully coupled vegetation model (BIOME4), we show that adequate conditions for permafrost growth and terrestrial carbon sequestration did exist during the lead up to the PETM. By calculating the flux of net primary production (NPP) and soil respiration (Rs), we demonstrate that the biodegradation of permafrost-based carbon reservoirs had the potential to drive the PETM. Furthermore, we show that the natural planetary response to unbalanced carbon reservoirs resulted in the terrestrial sequestration of atmospheric carbon via permafrost regeneration, yielding a vulnerable carbon reservoir for the subsequent hyperthermal.

Dans la forêt boréale, les températures augmentent et les régimes de précipitations changent, ce qui entraîne une augmentation de l'intensité et de la fréquence des conditions de sécheresse. Ces changements devraient se poursuivre et avoir des effets complexes et variables sur la végétation de la forêt boréale, notamment la modification de la composition due à la sécheresse, la mortalité des arbres et la disparition des forêts. L'objectif de cette thèse était de fournir une meilleure compréhension fonctionnelle des relations arbre-eau pour deux espèces d'arbres boréales communes et co-occurrentes (l’épinette noire; Picea mariana et le mélèze laricin; Larix laricina) à travers la forêt boréale de l'ouest du Canada. Pour ce faire, j’ai étudié comment les différents éléments de l'hydraulique des arbres, y compris la transpiration, et le déficit hydrique, étaient affectés par les conditions locales (structure du peuplement, conditions édaphiques et type de couverture terrestre), les stratégies fonctionnelles des arbres (caractéristiques structurelles et foliaires) et/ou les conditions climatiques (déficit de pression de vapeur, rayonnement, température de l'air, pluie et évapotranspiration). J'ai déterminé que l'utilisation acquisitive des ressources se traduisait par une productivité plus élevée chez le mélèze laricin, lorsque la disponibilité en eau était élevée, que les nutriments n'étaient pas limités et que la concurrence pour la lumière était favorable. L'épinette noire, en revanche, avait une acquisition lente des ressources, privilégiant la conservation de l'eau par rapport à la croissance radiale. J'ai déterminé que la transpiration de l'épinette noire et du mélèze laricin était influencée par l'hétérogénéité du site dans un complexe de tourbières boréales boisées, entraînant une variabilité de la contribution de la transpiration à l’échelle de l’évapotranspiration de l'écosystème. J’ai associé des variables environnementales au déficit hydrique des arbres au niveau de l'espèce afin de déterminer les facteurs de stress hydrique chez l'épinette noire et le mélèze laricin sur cinq sites de la limite sud à la limite nord de la forêt boréale. J'ai determiné que le déficit hydrique quotidien des arbres était contrôlé par la transpiration, tandis que les périodes plus longues (jours à semaines) de stress dû à la sécheresse étaient contrôlées par le rayonnement solaire et la disponibilité de l'eau, et étaient coordonnées avec les flux d'évapotranspiration à l’échelle du peuplement. Il est important de comprendre les relations hydriques des espèces d'arbres dans le biome boréal occidental du Canada, car la disponibilité en eau devrait devenir de plus en plus limitée dans cette région. Malgré des stratégies différentes selon les espèces pour faire face aux conditions actuelles de la forêt boréale, il existe des incertitudes quant à la résilience des arbres face aux changements environnementaux prévus. La poursuite des travaux visant à quantifier les réponses des espèces d'arbres communes et répandues à des conditions progressivement limitées en eau aidera à comprendre la résilience des forêts boréales face aux changements environnementaux rapides et à maintenir leurs services écosystémiques liés à la régulation du climat, à la séquestration du carbone, à l'habitat de la faune et de la flore, à la culture et à l'économie. / In the boreal forest, air temperatures are increasing, and precipitation regimes are changing, leading to amplified intensity and frequency of drought conditions. Changes are projected to continue, resulting in complex and variable effects on boreal forest vegetation including drought-induced forest compositional changes, tree mortality and, in some places, forest loss. The objective l of this work was to provide an improved functional understanding of tree-water relationships for two common and co-occurring boreal tree species (black spruce; Picea mariana and tamarack; Larix laricina) across Canada’s western boreal forest. To achieve this objective, I explored how different elements of tree-water relations, including transpiration, and tree water deficit were affected by local conditions (stand structure, edaphic conditions, and land cover type), tree functional strategies (structural and foliar traits), and/or meteorological conditions (vapor pressure deficit, radiation, air temperature, rain, and evapotranspiration). In Chapter 2, I explored the coordination between resource-use strategies of tamarack and black spruce, and found that acquisitive resource-use resulted in higher productivity in tamarack, when water availability was high, nutrients were not limited and competition for light was favourable. Black spruce, by contrast, had slow resource acquisition, prioritizing water conservation over radial growth. Next, in Chapter 3, I determined that transpiration of black spruce and tamarack were influenced by site heterogeneity across a forested boreal peatland complex, leading to variability in the contribution of stand-level transpiration to ecosystem evapotranspiration. Finally, in Chapter 4, I paired environmental variables with species-level tree water deficit to determine the drivers of water-stress in black spruce and tamarack across five sites spanning the extent of the boreal biome in western North America from the southern to northern boreal tree-line. I determined that daily tree water deficit was controlled by transpiration, while longer periods (days to weeks) of drought stress were controlled by solar radiation and water availability. Both short and long periods of tree water deficit caused greater stand-level fluxes of evapotranspiration. Understanding water relations of tree species in Canada’s western boreal biome is of utmost importance as water availability is projected to become increasingly limited in this region. Although tree species have different strategies to cope with current conditions in the boreal forest, there is uncertainty regarding the resilience of black spruce and tamarack to projected environmental changes. Continued work to quantify the responses of common and widespread tree species to progressively water-limited conditions will help to understand the resilience of boreal forests in the face of rapid environmental change, and to maintain their ecosystem services related to climate regulation, carbon sequestration, wildlife habitat, culture and economy.

Les lacs de thermokarst sont principalement répartis dans les régions de pergélisol. Leur formation et développement sont principalement associés au dégel du pergélisol riche en glace ou à la fonte des coins de glace. Ces lacs peuvent s'assécher complètement ou partiellement par le biais de divers processus, tels que le débordement des berges, la formation de voies de drainage, la capture par les méandres des rivières. Le drainage des lacs de thermokarst est un aléa important lié au pergélisol. Malgré de nombreuses études portant sur les événements historiques de drainage des lacs de thermokarst, les études explorant le potentiel de drainage futur des lacs de thermokarst sont limitées. Ce mémoire présente une étude de cas menée sur le complexe morainique du lac Chapman, situé à km 116 de l’autoroute Dempster, dans le centre du Yukon, au Canada. De multiples perturbations du pergélisol signalées dans cette région indiquent que le pergélisol est en dégradation. Le lac Chapman, un grand lac de thermokarst d’origine glaciaire situé à environ 50 m du remblai de l’autoroute de Dempster, est choisi pour étudier son potentiel de drainage. Cette recherche a utilisé diverses approches et appliqué de multiples analyses, notamment le modèle numérique d'élévation, la bathymétrie du lac, la cryostratigraphie du pergélisol, la cristallographie de la glace, la tomographie de résistivité électrique et l'hydrochimie. Cette recherche vise à interpréter les conditions locales de pergélisol et de glace souterraine dans lesquelles le drainage lacustre pourrait se produire, ainsi qu'à élucider les mécanismes de drainage potentiels associés au paysage local, à la topographie, à la géomorphologie, aux propriétés du sol et aux conditions hydrologiques. Cette recherche révèle que le lac Chapman a tendance à se drainer partiellement par le biais de deux mécanismes possibles : la migration du chenal de la rivière Blackstone et la formation de chenaux de drainage de ravins. Ce drainage potentiel pourrait entraîner une érosion thermique sur l'environnement adjacent de pergélisol, en particulier sur le remblai de l’autoroute Dempster. / Thermokarst lakes are predominantly distributed across permafrost-affected areas. Their formation and development are primarily associated with thawing of ice-rich permafrost or melting of ice wedges. These lakes can drain completely or partially through various processes, such as bank overtopping, the formation of drainage pathways, or capture by river meandering. The drainage of thermokarst lake is an important permafrost-related geohazard. Despite numerous studies focusing on historical thermokarst lake drainage events, the studies exploring the future potential drainage of thermokarst lakes are limited. This thesis presents a case study conducted at the Chapman Lake moraine complex, located at km 116 of the Dempster Highway in central Yukon, Canada. Multiple permafrost disturbances reported in this region indicate that permafrost degradation is ongoing. Chapman Lake, a large glacial-thermokarst lake situated approximately 50 m from the road embankment of Dempster Highway, is selected to investigate its potential drainage. This research used various methods and applied multiple analyses including digital elevation model, lake bathymetry, permafrost cryostratigraphy, ice crystallography, electrical resistivity tomography, and hydrochemistry. This research aims to interpret the local permafrost and ground ice settings where lake drainage may occur and to elucidate the potential drainage mechanisms associated with the local landscape, topography, geomorphology, soil properties and hydrologic conditions. This research reveals that Chapman Lake tends to partially drain through two possible mechanisms: river channel migration of the Blackstone River and the formation of gully drainage channels. This potential drainage could lead to thermal erosion in adjacent permafrost environment, particularly in relation to the Dempster Highway.

Using a comparative spatial and temporal analysis on sediment cores from 8 lakes in the Mackenzie River Delta uplands region, NT, Canada, this study assessed how persistent organic pollutant (POP) deposition to lake sediments was affected by: (1) the presence of retrogressive thaw slumps on lake shores; and (2) changes occurring with increased autochthonous primary productivity. POPs examined included polychlorinated biphenyls (PCBs), penta- and hexachlorobenzenes (CBzs), and dichlorodiphenyltrichloroethane and metabolites (DDTs). Surface sediments of slump-affected lakes contained higher total organic carbon (TOC)-normalized POP concentrations than nearby reference lakes unaffected by thaw slumps. Inorganic sedimentation rates were positively related to contaminant concentrations, suggesting that the influx of siliciclastic material reducing organic carbon in slump-affected lake water indirectly results in higher concentrations of POPs on sedimentary organic matter. This explanation was corroborated by an inverse relationship between sedimentary POP concentrations and TOC content of the lake water. Deposition proxies of autochthonous carbon were not significantly correlated to POP fluxes of surface sediments, and historical profile fluctuations did not coincide with variation in POP deposition. Thus this study does not support the contention that algal-derived organic carbon increases the delivery of organic pollutants to sediments (the algal-scavenging hypothesis), as previously proposed for mercury. Higher POP concentrations observed in surface sediments of slump-affected lakes are best explained by simple solvent switching processes of hydrophobic contaminants onto a lower pool of available organic carbon when compared to neighbouring lakes unaffected by thaw slump development.

Using a comparative spatial and temporal analysis on sediment cores from 8 lakes in the Mackenzie River Delta uplands region, NT, Canada, this study assessed how persistent organic pollutant (POP) deposition to lake sediments was affected by: (1) the presence of retrogressive thaw slumps on lake shores; and (2) changes occurring with increased autochthonous primary productivity. POPs examined included polychlorinated biphenyls (PCBs), penta- and hexachlorobenzenes (CBzs), and dichlorodiphenyltrichloroethane and metabolites (DDTs). Surface sediments of slump-affected lakes contained higher total organic carbon (TOC)-normalized POP concentrations than nearby reference lakes unaffected by thaw slumps. Inorganic sedimentation rates were positively related to contaminant concentrations, suggesting that the influx of siliciclastic material reducing organic carbon in slump-affected lake water indirectly results in higher concentrations of POPs on sedimentary organic matter. This explanation was corroborated by an inverse relationship between sedimentary POP concentrations and TOC content of the lake water. Deposition proxies of autochthonous carbon were not significantly correlated to POP fluxes of surface sediments, and historical profile fluctuations did not coincide with variation in POP deposition. Thus this study does not support the contention that algal-derived organic carbon increases the delivery of organic pollutants to sediments (the algal-scavenging hypothesis), as previously proposed for mercury. Higher POP concentrations observed in surface sediments of slump-affected lakes are best explained by simple solvent switching processes of hydrophobic contaminants onto a lower pool of available organic carbon when compared to neighbouring lakes unaffected by thaw slump development.

L'augmentation de la décomposition de la matière organique des cryosols arctiques sous l'effet du réchauffement et de la dégradation du pergélisol contribuerait à une rétroaction positive sur les changements climatiques. Nous étudions le fonctionnement biogéochimique de deux Cryosols: un cryosol histique (H) et un cryosol turbique (T), en conditions naturelles et réchauffés. Les profils ont été instrumentés à Salluit (Nunavik, Canada) et les mesures ont été faites pendant les étés 2010 et 2011. Le réchauffement augmente la respiration de l'écosystème (ER) de manière plus intense pour H que pour T, bien que ER pour H soit plus faible. La sensibilité thermique de ER (Q10) est supérieure pour T que pour H et diminue avec le réchauffement. L'étude montre que les cycles journaliers de ER en fonction de la temperature forment des hystérésis. La variance de ER est mieux expliquée en utilisant la température minimale de la journée et la profondeur du front de dégel pour H. Pour T, l'ajout de la vitesse du vent et la radiation solaire améliore l'explication de la variance de ER. Nous montrons trois dynamiques spécifiques aux écosystèmes nordiques: 1) ER dépendant des propriétés du sol et de la solution du sol ; 2) rôle de variables thermo-indépendantes sur ER et 3) variations journalières du Q10 et interannuelles de la respiration basale. La décomposition de la matière organique est la principale source de CO2 pour H alors que les processus végétaux contrôlent ER pour T. Nos résultats contribuent à la compréhension et à l'extrapolation des mesures ponctuelles dans les écosystèmes de toundra, améliorant ainsi la modélisation du cycle du carbone dans les cryosols. / Increased organic mater decomposition rate in Arctic Cryosols due to warming and to permafrost thawing can lead to the release of greenhouse gases, thus potentially creating a positive feedback on climate change. We studied the biogeochemical functioning of two different permafrost-affected soils (i.e. Cryosols): a Histic Cryosol (H) and a Turbic Cryosol (T), both in natural conditions and under an experimental warming. Profiles were instrumented in Salluit (Nunavik, Canada) and monitored during summers 2010 and 2011. The induced warming increased CO2 fluxes in both soils; this impact was however more striking at H even if ER was lower than at T. Temperature sensitivity of ER (Q10) was higher at T than at H and decreased both with warming. We highlighted that diurnal ER cycles as a function of temperature showed hysteretic loops. Linear models performed to explain ER variance were improved adding daily minimum temperature and thaw front depth at H. In contrast at T, adding wind speed and solar radiation in models improved the ER variance explanation. We showed three specific CO2 flux dynamics related to northern ecosystems: 1) the large difference of ER depending on soil properties and soil solution composition; 2) environmental variables strongly alter CO2 fluxes and 3) the diurnal Q10 variations and the inter annual variability of basal respiration. Our results support the assumption that organic matter decomposition might be the major source of CO2 at H while plant-derived processes dominated ER at T. Our results contribute to understand and extrapolate the numerous punctual measurements of CO2 fluxes from tundra ecosystems improving carbon cycle modeling in Cryosols.

Les infrastructures de transport est essentielle au maintien et à l'expansion des activités sociales et économiques dans les régions circumpolaires. À mesure que le climat se réchauffe, la dégradation du pergélisol sous les remblais a entraîné de graves dommages structuraux à la route, entraînant une augmentation importante des coûts d'entretien et une réduction de la durée de vie des infrastructures. Pendant ce temps, l'advection de chaleur déclenchée par les écoulements d’eau souterrains peut altérer le bilan énergétique du remblai et du pergélisol sous-jacent et modifier le régime thermique des remblais routiers. Cependant, peu de recherches ont été effectuées pour comprendre la synergie entre les processus thermiques de surface et souterrains des remblais routiers des régions froides. L'objectif de cette recherche était de comprendre les interactions thermiques entre l'atmosphère, le remblai routier, les écoulements d’eau et le pergélisol dans le contexte du changement climatique. Cette base, de connaissances est nécessaire pour la conception technique, l'entretien des routes et l'évaluation de la vulnérabilité des infrastructures. Les travaux de recherche ont permis de développer de nouvelles méthodes d'analyse thermique pour caractériser et identifier le rôle de l'advection thermique sur le changement de température d'un remblai routier expérimental au Yukon (Canada) en termes d’intensité, de vitesse et de profondeur de l'impact thermique. Les résultats montrent que l'augmentation de la température due aux flux de chaleur advectifs déclenchés par l’écoulement d'eau peut être jusqu'à deux ordres de grandeur plus rapide qu'en raison du seul réchauffement atmosphérique. La recherche a ensuite présenté un bilan énergétique de surface pour quantifier la quantité d'énergie entrant dans le centre et la pente du remblai avec des épaisseurs et des propriétés de neige variables. Le tout a été appuyé par des observations géothermique de plusieurs années et une grande quantité de données météorologiques. Les résultats illustrent que le bilan énergétique de surface est principalement contrôlé par le rayonnement net et moins par le flux de chaleur sensible. Le flux de chaleur transmis à la pente du remblai diminue de façon exponentielle avec l'augmentation de l'épaisseur de la neige et diminue de façon linéaire avec l’installation du couvert de neige et la longueur de la période d’enneigement. De plus, un modèle de bilan énergétique de surface et un modèle cryohydrologique entièrement couplé ont été développés pour étudier l'impact thermique de l'advection de chaleur associée à l'écoulement de l'eau souterraine sur le dégel du pergélisol et le développement de taliks (c.-à-d. zone perpétuellement non gelée dans les zones de pergélisol). Le modèle couplé a réussi à reproduire la tendance à la hausse du plafond du pergélisol (erreur absolue moyenne <0,2 m) au cours de la période 1997-2018. Les résultats montrent que l'advection de chaleur a fourni une source d'énergie supplémentaire pour accélérer le dégel du pergélisol et a doublé le taux d’augmentation de l’épaisseur de la couche active 0,1 m·a-1 à 0,19 m·a-1, par rapport au scénario où aucun écoulement d'eau ne se produit. Le talik s'est initialement formé et développé en fonction du temps sous l’effet combiné des écoulement d’eau, de l'isolation de la neige, de la construction de la route et du réchauffement climatique. Le débit d'eau souterraine a relié des corps isolés de talik et a amené le remblai de la route dans un état thermique irréversible, en raison de la rétroaction de l'eau liquide (effet de chaleur latente) piégée dans le talik. Ces résultats montrent l'importance de l'advection de chaleur induite par l'écoulement d'eau sur le régime thermique de la sous-couche (c.-à-d. la couche de matériau de remblai) et du sous-sol (c.-à-d. le matériau natif sous un remblai) du remblai lorsque le remblai routier intercepte le drainage local. De plus, les résultats obtenus soulignent la nécessité de coupler les processus thermiques de surface et souterrains dans le but d'évaluer la stabilité thermique des routes subarctiques. / Transportation infrastructure is crucial to maintaining and expanding the social and economic activities in circumpolar regions. As the climate warms, degradation of the permafrost causes severe structural damages to the road embankment, leading to large increases in maintenance costs and reductions in its lifespan. Meanwhile, heat advection triggered by mobile water flow can alter energy balance of the embankment and underlying permafrost and modify the thermal regime of road embankments. However, little research has been done to understand the synergy between surface and subsurface thermal processes of cold region road embankments. The overall goal of this research was to elucidate thermal interactions between the atmosphere, the road embankment, mobile water flow, and permafrost within the context of climate change. This knowledge is needed for engineered design, road maintenance, and infrastructure vulnerability assessment. The research first used new thermal analysis to characterize and identify the role of heat advection on temperature change of an experimental road embankment, Yukon, Canada in terms of magnitude, rate and thermal impact depth. It shows that soil temperature increase due to advective heat fluxes triggered by mobile water flow can be up to two orders of magnitude faster than due to atmospheric warming only. The research then presented a novel surface energy balance to quantify the amount of ground heat flux entering the embankment center and slope with varying snow depth and properties, supported by multi-year thermal and meteorological observations. My results illustrate that the surface energy budget is mainly controlled by net radiation, and less by the sensible heat flux. The ground heat flux released at embankment slope exponentially decreased with the increase of snow depth, and was linearly reduced with earlier snow cover and longer snow-covered period. A fully integrated surface energy balance and cryohydrogeological model was implemented to investigate the thermal impact of heat advection associated with subsurface water flow on permafrost thaw and talik (i.e., perennially unfrozen zone in permafrost areas) development. The integrated model successfully reproduced the observed increasing trend of the active layer depth (mean absolute error < 0.2 m) over the 1997-2018 period. The results show that heat advection provided an additional energy source to expedite permafrost thaw, doubling the increasing rate of permafrost table depth from 0.1 m·a-1 to 0.19 m·a-1, compared with the scenario where no water flow occurs. Talik formation and development occurred over time under the combined effect of subsurface water flow, snow insulation, road construction and climate warming. Subsurface water flow connected isolated talik bodies and triggered an irreversible thermal state for the road embankment, due to a local feedback mechanism (latent heat effect) of trapped, unfrozen water in talik. These findings elucidate the importance of heat advection induced by mobile water flow on the thermal regime of embankment subbase (i.e., a layer of fill material) and subgrade (i.e., the native material under an embankment) when the road embankment intercepts the local drainage. Furthermore, the obtained results emphasize the need to couple surface and subsurface thermal processes to evaluate the thermal stability of sub-Arctic roads.

Les forêts boréales stockent de grandes quantités de carbone organique et jouent un rôle important dans le climat planètaire. Le climat est étroitement associé à la surface terrestre à travers les flux de gaz à effet de serre, d’énergie et de vapeur d’eau. Dans la zone de pergélisol sporadique nord-américaine, l’affaissement du sol attribuable au dégel provoque l’expansion de milieux humides sans pergélisol remplaçant des forêts avec pergélisol. Cependant, l’étendue spatiale de ces changements et leurs conséquences sur le climat sont inconnues. Dans cette étude, j’analyse les flux turbulents d’un paysage comprenant des forêts boréales et des milieux humides dans la partie sud de la Taïga des plaines, T.N.-O., Canada. J’associe ces flux avec la modélisation d’empreintes de flux, des données satellite, des données paléoécologiques, et des projections climatiques afin de caractériser l’impact des changements de la couverture terrestre sur les interactions entre la terre et l’atmosphère. Dans la Taïga des plaines, la perte de forêt boréale attribuable au dégel est d’une importance égale à celle due aux feux de forêt. La perte de forêt modifie les flux turbulents d’énergie à travers des changements dans les propriétés aérodynamiques et écophysiologiques de la surface terrestre. L’accroissement de l’albédo cause de petites réductions dans la somme des flux turbulents de chaleur sensible (H) et de chaleur latente (LE)). La diminution de la rugosité et l’augmentation de l’humidité de la surface augmentent toutefois LE tout en réduisant H, ce qui mènerait à une baisse des températures estivales et à une augmentation de l’humidité de l’air, d’après des simulations réalisées à l’aide d’un modèle de la couche limite planétaire. Contrairement à l’effet biophysique de refroidissement du climat régional dû à la perte de couvert forestier, l’expansion des milieux humides et l’augmentation des émissions de méthane (CH4) provoque un réchauffement du climat. L’expansion des milieux humides dans la partie sud de la Taïga des plaines entraîne une augmentation des émissions de 0.034 g CH4 m-2 a-1. Les taux d’absorption de CO2 caractéristiques de ces paysages sont trop faibles pour neutraliser le réchauffement du climat dû aux émissions de CH4 d’ici la fin du 21ème siècle. Tout en dégelant rapidement, ces paysages boréaux restent des puits de CO2, absorbant 74 g CO2 m-2 a-1. L’expansion des milieux humides n’affecte pas les émissions nettes de CO2, les changements de la productivité primaire brute (PPB) et de la respiration de l’écosystème (RE) étant d’une magnitude similaire. Les répercussions négligeables sur les flux nets de CO2 sont largement compensées par les répercussions climatiques directes d’un réchauffement de la température de l’air. Un scénario de réchauffement élevé mène à un accroissement de RE dépassant significativement l’accroissement de PPB. Dans la Taïga des plaines, le dégel du pergélisol a donc des répercussions climatiques qui s’opposent aux plans biophysiques et biogéochimiques. Dans un climat plus chaud, le dégel modifie la façon dont les paysages interagissent avec le climat, ce qui souligne la nécessité d’intégrer les changements dans la couverture terrestre attribuable au dégel dans les modèles du système Terre. / Boreal forests store large amounts of organic carbon and are an important component of the regional and global climate systems. Climate and land surface are closely coupled through the land-atmosphere exchange of greenhouse gases, such as CO2 and CH4, and of energy and water vapor. In lowlands of the North American sporadic permafrost region, thaw-induced surface subsidence leads to expansion of permafrost-free wetlands at the expense of boreal forests underlain by permafrost. However, the spatial extent of these land cover changes and their implications for land-atmosphere interactions are unknown. In this study, I analyze eddy covariance flux measurements from an organic-rich boreal forest-wetland landscape in the southern Taiga Plains, NT, Canada. I combine these measurements with flux footprint modeling, satellite remote sensing data, paleoecological records, and downscaled climate projections to characterize how thaw-induced land cover change affects land-atmosphere interactions and climate. In the Taiga Plains ecozone, thaw-induced boreal forest loss currently transforms the composition and structure of the boreal zone in North America and is of equal importance for tree cover dynamics as wildfire disturbance. Forest loss modifies landatmosphere energy fluxes through changes in aerodynamic and ecophysiological land surface properties. On the one hand, increasing albedo decreases total turbulent energy fluxes (i.e., sensible (H) and latent heat (LE) flux), and on the other hand decreasing surface roughness and increasing wetness enhances LE at the expense of H. The resulting maximum summer air temperatures and humidity would be substantially colder (1-2 C) and wetter (2 mmol mol-1) in a hypothetical permafrost-free wetland landscape, as indicated by planetary boundary layer model simulations. In contrast to the regional biophysical climate cooling impact of thaw-induced land cover change, wetland expansion and related increases in landscape CH4 emissions induce a net global biogeochemical climate warming impact. At the current rate of wetland expansion in the southern Taiga Plains of 0.26 % yr-1, landscape CH4 emissions increase by 0.034 g CH4 m-2 yr-1. Typical rates of long-term net CO2 uptake in these landscapes are too small to neutralize the associated climate warming effect until the end of the 21st century. The rapidly thawing boreal forest-wetland landscape still acts as a net CO2 sink taking up 74 g CO2 m-2 yr-1. Wetland expansion does not affect landscape-level net CO2 uptake as changes in gross primary productivity (GPP) and ecosystem respiration (ER) are of similar magnitude. The negligible thaw-induced effects on net CO2 fluxes are contrasted by larger direct climate change impacts of warming air temperatures and reduced incoming shortwave radiation. For a high warming scenario (RCP8.5), increases in modeled ER outpace the increasing GPP significantly. For a moderate warming scenario (RCP4.5), ER and GPP increase are of similar magnitude. Thaw-induced land cover change in the Taiga Plains causes thus biophysical and biogeochemical climate impacts of opposite sign and at contrasting scales of impacts (regional vs. global). In an increasingly warmer climate, thawing permafrost alters how boreal landscapes interact with climate highlighting the need to incorporate thaw-induced land cover changes into global Earth system models.

Le biome boréal, emmagasinant d’importantes quantités de carbone en son sol et recouvrant une majorité du territoire alaskien, fennoscandien et russe, contribue grandement au système climatique. Toutefois, les variabilités climatiques et les propriétés de l’écosystème, notamment en ce qui a trait à la présence ou l’absence de pergélisol, complexifient la quantification de la variabilité des bilans de carbone du biome boréal, au sein duquel se retrouvent des écosystèmes forestiers, lentiques et de zones humides. Ces bilans de carbone sont grandement influencés par le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, étant à leur tour dépendants de plusieurs variables environnementales telles que la température de l’air et du sol, le contenu du sol en eau, les stades de développement de la végétation, etc. Cette recherche vise à quantifier l’impact de ces variabilités environnementales sur la variabilité des moments où se produisent le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique, en distinguant les forêts boréales avec et sans pergélisol. La saison de croissance photosynthétique est caractérisée à partir de la productivité primaire brute dérivée de mesures covariance des turbulences provenant de 40 sites-années d’observation à travers la forêt boréale nord-américaine où l’épinette noire est l’espèce d’arbre dominante. Les variables environnementales considérées étaient les températures de l’air et du sol, les stades de développement de la végétation, le couvert nival, le rayonnement photosynthétiquement actif et le contenu du sol en eau. Le cadre statistique choisi incluait le calcul des coefficients de corrélations de Pearson, l’analyse des points communs et la modélisation par équations structurelles. Les résultats de cette étude montrent que la variabilité du début de la saison de croissance dans les sites sans pergélisol est contrôlée directement par la variabilité annuelle des stades de développement de la végétation ainsi que par le moment où survient le dégel du sol. Ce résultat souligne ainsi l’importance de l’accès à l’eau liquide du sol afin que la végétation initie la photosynthèse. Aucune variable environnementale ne pouvait significativement expliquer le contrôle du début de la photosynthèse au sein des sites avec pergélisol. À l’automne, le contenu du sol en eau ainsi que le début du couvert nival influencent directement la variabilité de la fin de la saison de croissance photosynthétique. Il est alors montré que la disponibilité de l’eau peut mener à une cessation plus hâtive de la photosynthèse à l’automne. L’effet de l’apparition du couvert nival est quant à lui opposé dans les sites avec et sans pergélisol. Son retard dans les sites sans pergélisol témoigne d’une température de l’air suffisamment élevée pour que les précipitations tombent sous forme liquide, prolongeant ainsi les activités photosynthétiques. Son retard dans les sites avec pergélisol signifie plutôt des précipitations neigeuses moindres, retardant ainsi l’apparition d’une couche isolante pour le sol, qui aurait pu allonger la saison de croissance photosynthétique. Cette étude contribue à clarifier les processus contrôlant le début et la fin de la saison de croissance photosynthétique et aidera à améliorer la compréhension des effets des changements climatiques sur la force du puits de carbone de la forêt boréale nord-américaine. / The boreal forest, storing large amounts of carbon in its soil and covering a majority of the Alaskan, Canadian, Fennoscandian and Russian territory, is an integral part of the climate system. However, climatic variability and ecosystem properties, particularly with regards to the presence or absence of permafrost, limits our understanding of the carbon balance variability in the boreal biome, which comprises forest, lake and wetland ecosystems. The boreal carbon sink-source strength is greatly influenced by phenological events, including the start and end of the photosynthetic growing season, which are themselves dependent on several environmental variables such as air and soil temperature, soil water content, vegetation development stages, etc. This research aims to provide new insights on the influence of environmental variability on the variability in the timing of the photosynthetic growing season, by broadly distinguishing between boreal forests with and without permafrost. The photosynthetic growing season is characterized using gross primary productivity derived from eddy covariance measurements of net ecosystem carbon dioxide exchange. Data from 40 black spruce- dominated site-years of observation across the North American boreal forest are used. The considered environmental predictors were air and soil temperatures, vegetation development stages, snow cover, photosynthetically active radiation and soil water content. The statistical framework included the calculation of Pearson correlation coefficients, commonality analyses and structural equation modeling. This study shows that the variability in the start of the growing season in permafrost-free sites is directly controlled by the variability in vegetation development stage as well as by the thawing of seasonally frozen ground. This result thus emphasizes the importance of access to liquid soil water for the vegetation to initiate photosynthesis. No environmental variable could significantly explain photosynthesis recovery in sites with permafrost. In fall, the soil water content as well as the start of snow cover directly influence the variability in the end of the photosynthetic growing season. These results suggest that the availability of water can limit photosynthesis in the fall. The effect of snow cover is opposite in sites with and without permafrost. A delay in the appearance of continuous snow cover in sites without permafrost indicates that the air temperature is high enough for precipitation to fall in liquid form and for photosynthesis to continue. In contrast, its delay in sites with permafrost indicates less snowfall, thus delaying the appearance of an insulating layer for the soil, which could have lengthened the photosynthetic growing season. This study sheds light on the controls of the annual variation of the timing of the photosynthetic growing season and will help understanding of the effects of climate change on the strength of the North American boreal forest carbon sink.