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Le bilan carbone actuel de la Terre accumule rapidement du CO2 et du CH4, tous deux des gaz à effet de serre (GES) présents dans l'atmosphère. Le biome boréal est un composant majeur de ce bilan, puisqu'il détient parmi les plus grands stocks de matière organique en ses sols, particulièrement les tourbières, le comptant comme un puits majeur de carbone. Cette région possède également une forte densité d'eau sous la forme entre autres de réseaux fluviaux. Même s'ils n'occupent qu'une petite superficie de cette région, les ruisseaux et rivières représentent d'importantes zones d'activité biogéochimique, en transportant, transformant et émettant de grandes quantités de C vers l'atmosphère. Dès lors, ces émissions ont le potentiel de compenser une partie du puits de C terrestre. Toutefois et malgré leur importance, ces flux restent mal intégrés au sein des bilans de carbone terrestre du biome boréal. La complexité, l'étendue et l'éloignement des réseaux fluviaux de cette région, expliquent en partie que les émissions de GES, leurs sources ainsi que leur régulation soient mal quantifiées. Au cours de cette thèse, 1) j'ai exploré les patrons de transformation de la matière organique (DOM) au sein des réseaux fluviaux et sa contribution dans le maintien de la sursaturation en CO2 de continuums fluviaux, 2) j'ai exploré les patrons spatiaux et temporels des concentrations et émissions de CO2 et CH4 des réseaux fluviaux boréaux, 3) j'ai ensuite développé des modèles empiriques établissant la relation entre la concentration fluviale des gaz à effet de serre et les caractéristiques environnementales, climatiques et géographiques du paysage. Enfin, 4) à l'aide des outils développés dans les chapitres précédents, j'ai pu reconstruire les émissions de GES à l'échelle du réseau fluvial entier et ce, pour plusieurs grands bassins versants boréaux. J'ai ensuite replacé ces flux intégrés dans le contexte du bilan de C terrestre. L'étude consistait en l'échantillonnage de 455 sites fluviaux répartis dans la région boréale du Québec, avec un gradient important de taille des bassins hydrographiques, du climat, de géomorphologie et de végétation, auquel s'ajoutait un aspect saisonnier visant à capturer la variabilité des différentes espèces de C au sein des réseaux fluviaux boréaux. Bien qu'il existe une relation entre la concentration en CO2 des rivières et celle de la DOM dérivée du sol, sa contribution à la sursaturation des cours d'eau reste toutefois méconnue. En utilisant des méthodes avancées de caractérisation de la DOM, le chapitre 1 démontrait la dégradation sélective de la DOM le long du continuum sol-rivière. L'interface sol-cours d'eau se trouvait être une région particulièrement active de la dégradation de la DOM, où les composés les plus biolabiles étaient préférentiellement éliminés. La DOM de nature aromatique, était quant à elle, sélectivement photo-minéralisée dans la rivière et ce, tout au long du continuum. Le CO2 produit à la fois à l'interface sol-cours d'eau et dans la colonne d'eau elle-même, pourrait être responsable de plus de la moitié des émissions fluviales de CO2. En utilisant une approche interrégionale, les principaux résultats ont montré que les espèces fluviales de C (CO2, CH4 et DOM) pouvaient être modélisées en fonction des propriétés du paysage et du climat régional (Chapitre 2) et que cette variation spatiale l'emportait largement sur les effets saisonniers (Chapitre 3). Les effets régionaux étaient communs pour le CO2, le CH4 et la DOM, suggérant l'existence de « baselines » régionales du C fortement liées en particulier à la production primaire nette (NPP) ainsi qu'à la teneur moyenne régionale en C des sols. Le CH4 et la DOM semblaient plus sensibles aux différences régionales de climat et donc plus susceptibles de varier si en fonction des À l'aide des modèles développés dans les chapitres 2 et 3, le chapitre 4 décrivait la modélisation des émissions annuelles fluviales intégrées de CO2 et de CH4 dans de grands bassins versants de la région boréale du Québec. Le but étant d'évaluer la variation de cette propriété émergente du paysage en fonction du climat et en relation avec d'autres composants du budget C du paysage. Nos résultats démontraient que les émissions fluviales intégrées n'étaient pas fonction de la taille des bassins versants, ni de la densité des rivières dans notre gamme de bassins versants boréaux, mais bien de la pente des bassins versants. En rapprochant ce modèle avec ceux des écosystèmes terrestres, nous avons démontré que les émissions fluviales boréales pourraient compenser jusqu'à 20% du puits C terrestre, d'où l'importance de considérer cette composante dans le bilan C du paysage. Dans l'ensemble, cette thèse atteste de l'importance des approches à l'échelle interrégionales et à l'échelle de réseaux fluviaux entiers, dans la compréhension des émissions fluviales de GES sur les vastes zones et éloignées du biome boréal. Les « baselines » régionales de C et les émissions fluviales intégrées sont des propriétés émergentes du biome et constituent des outils pour déterminer les compensations potentielles du puits de C terrestre, de plus en plus affecté par les activités anthropiques.

Les lacs nordiques fournissent de nombreux services écosystémiques à l'humanité, dont l'un est de soutenir l'effet de serre planétaire via leurs émissions de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane (CH4) vers l'atmosphère. Malgré l'importance grandissante de ce phénomène, nous ne comprenons toujours pas clairement le rôle que jouent les réseaux trophiques aquatiques dans la régulation des flux de gaz à effet de serre (GES), en grande partie parce que les mesures de métabolisme à l'échelle de l'écosystème sont rares pour cette vaste région du globe. Cette lacune constitue un obstacle majeur à notre interprétation mécaniste du cycle aquatique des GES. Pour aider à surmonter ce problème, cette thèse explore collectivement les tendances du métabolisme des écosystèmes et le lien entre les réseaux trophiques et la dynamique des GES dans les lacs nordiques. Dans le chapitre 1, nous quantifions le métabolisme des lacs en utilisant une approche puissante, mais sous-utilisée, reposant sur le bilan de masse isotopique de l'oxygène. Nous examinons d'abord la théorie et la méthodologie de cette approche pour ensuite la tester à l'aide d'une simulation, une expérience in-situ et ce, dans deux lacs aux caractéristiques limnologiques distinctes. Nous concluons qu'avec une compréhension suffisante des caractéristiques physiques des lacs, cette approche isotopique de l'oxygène peut efficacement capturer les taux spatialement et temporellement intégrés de production primaire brute (PPB) et de respiration (R) des écosystèmes dans les lacs nordiques oligotrophiques et mesotrophiques. Dans le chapitre 2, nous appliquons cette approche isotopique de l'oxygène pour une série de lacs présents sur un vaste territoire (~106 km2) représentant divers paysages boréaux canadiens. Nous montrons que les taux volumétriques de PPB et R de ces lacs sont fortement influencés par la teneur en carbone organique dissous (COD) et l'azote total (modulé par la morphométrie du lac et sa position géographique) et non par la disponibilité de la lumière, contrairement aux études précédentes montrant l'importance de la lumière sur le métabolisme à l'échelle de l'habitat. Nous montrons que la productivité nette de l'écosystème (PNE = PPB-R) et le rapport PPB:R augmentent avec la température en raison de l'augmentation de PPB mais pas de R, ce qui dévie des attentes. Nous relions ces facteurs directs de PPB, R et finalement PNE aux changements du climat et à la structure du bassin versant dans le paysage, soulignant que la PNE des lacs nordiques est soumise à des contrôles multiples et souvent opposés qui n'auraient pu être définis par des approches conventionnelles. Les effets opposés de la température et du COD sur la PNE mettent en évidence cette conclusion, qui suggère que des augmentations simultanées de ces deux facteurs pourraient ne pas affecter la PNE lors de futurs scénarios de changements climatiques. Nous montrons au chapitre 3 que les structures spatiales de PNE des lacs nordiques varient grandement, tant en ce qui concerne leurs taux que leurs couplages avec les flux de CO2. Nous identifions un grand sous-ensemble (~1/3) de lacs qui sont nettement autotrophes (PPB > R), mais qui sont encore sursaturés et qui émettent du CO2 vers l'atmosphère. Combinés avec d'autres informations, ces résultats indiquent que la variabilité au niveau du paysage de la régulation des émissions de CO2 (via les processus hydrologiques externes et les processus internes aérobiques et anaérobiques) est plus diversifiée qu'on ne le pensait auparavant. Enfin, le chapitre 4 explore plus en détail les liens entre les processus aérobiques et anaérobiques dans les habitats oxiques de la colonne d'eau des lacs et des implications sur le cycle du CH4. Nous utilisons une approche expérimentale pour montrer qu'une fraction importante (~20%) des émissions de CH4 d'un petit lac nordique provient de la colonne d'eau oxique. Des manipulations expérimentales montrent que les taux d'émission sont étroitement liés à la dynamique des algues et que le CH4 est probablement produit principalement à partir de la méthanogenèse acétoclastique. Ces résultats remettent en question la compréhension globale actuelle de la dynamique du CH4 aquatique, qui suppose que la méthanogenèse est exclusive aux sédiments anoxiques et aux eaux profondes des lacs. Lorsque les résultats de chaque chapitre sont réunis, nous observons que les structures du métabolisme et des flux de GES de source biologique dans les lacs nordiques sont plus complexes qu'on ne le pensait auparavant. Les réseaux alimentaires jouent un rôle plus diversifié que prévu dans la modulation des flux de CO2 et la PNE s'écartent souvent, à l'échelle de l'écosystème, des attentes théoriques et spécifiques aux communautés. De plus, ces résultats mettent en évidence la rétroaction sous-estimée entre la PNE et la production anaérobique de GES (même dans les habitats oxiques) qui restreint la capacité globale des puits de carbone des lacs autotrophes. Les méthodes et les résultats présentés dans cette thèse devraient aider à comprendre et prédire les réponses du cycle du carbone dans les lacs nordiques face aux changements généralisés des caractéristiques physico-chimiques des lacs causés par l'intensification des activités anthropiques. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : CO2, méthane, métabolisme des lacs, production primaire brute, respiration, productivité nette de l'écosystème

L'exportation du carbone (C) des écosystèmes terrestres vers les systèmes fluviaux est une composante fondamentale du cycle global du carbone. Combien de carbone est exporté des bassins versants, sous quelle forme, quand les exportations se produisent-elles et qu'elle sera la réponse de l'exportation du carbone riverain face aux changements climatiques naturels et anthropiques sont toutes des questions biogéochimiques d'intérêt majeur. Peu d'études cependant ont explorées simultanément l'exportation des différentes formes du carbone riverain et nous ne disposons donc pas encore une perspective intégrée de la magnitude et du contrôle des exportations totales de carbone fluviale à l'échelle régionale et globale. La recherche présentée dans cette thèse vise à explorer la composition et les facteurs qui contrôlent l'exportation totale de carbone des rivières, des bassins versants des régions nordiques jusqu'à l'échelle globale et d'identifier les contrôles naturels et anthropiques de l'exportation de carbone fluviale globale vers les océans le contexte des changements climatiques. Dans cette thèse, nous avons utilisé les données recueillies par le groupe CarBBAS au cours des cinq dernières années provenant de 127 rivières et ruisseaux au Québec combinées avec un ensemble nouvellement rassemblées de données mondiales publiées des concentrations et/ou des exportations de carbone de 566 rivières drainant un total de 74% de la superficie exoréique mondiale. Nous avons d'abord exploré l'influence de la topographie et la couverture terrestre sur l'exportation combinée de carbone inorganique et organique provenant de bassins versants tempérées du sud du Québec (chapitre 1). Nos résultats montrent que la topographie est plus importante que la couverture terrestre pour expliquer la variabilité du carbone inorganique dissous (CID) exportée des bassins versants, bien que les deux soient essentiellement contrôlées par le ruissellement régional, alors que la couverture terrestre est beaucoup plus importante que la topographie dans la détermination de l'exportation de carbone organique dissous (COD). Les différences interannuelles de l'exportation du C sont principalement régies par des changements dans les précipitations annuelles et le ruissellement régional. De plus, la proportion du bassin versant couvert par la végétation naturelle a eu un effet négatif sur l'exportation du CID, mais un effet positif sur l'exportation du COD, ce qui suggère qu'un changement de la couverture terrestre qui diminue la végétation (par exemple, la déforestation) conduirait à des diminutions modérées de l'exportation du C total, mais de fortes augmentations du ratio CID/COD des exportations. Pour poursuivre cette étude dans les régions tempérées, nous avons quantifié en outre l'exportation par les rivières du COD et CID, ainsi que les émissions aquatiques de CO2 et de CH4 de 44 bassins versants boréaux de différentes tailles, topographie et de couvertures terrestres (chapitre 2). L'exportation de C total était très variable entre les saisons et notamment contrôlé par le cycle annuel du ruissellement, avec une moyenne de 15.5±5.3 g C m-2 (bassin versant) an-1. Le COD domine en moyenne cette exportation totale de C sur un cycle annuel (58%), mais les émissions de CO2 aquatiques étaient une composante majeure de l'exportation dans tous les bassins versants (moyenne 20%). Nos résultats confirment que les exportations de COD et CID sont principalement contrôlés par les eaux de ruissellement, mais aussi par des facteurs environnementaux fondamentalement différents et que les zones humides sont une source majeure de COD exportés vers les rivières. Nos résultats démontrent aussi que les lacs situés dans le bassin versant constituent un puits de COD, de telle sorte que l'exportation nette de COD résulte de l'équilibre entre les deux. Le C total exporté annuellement par les rivières est comparable à la production nette de l'écosystème et a le potentiel de modifier fondamentalement notre perception du rôle des paysages boréaux comme sources ou puits de CO2 atmosphérique. La méta-analyse des exportations fluviales globales de carbone vers les océans a montré qu'au-delà du contrôle hydrologique attendue sur le transport de la matière, l'exportation du COD est principalement entraîné par une combinaison de variables naturelles, tels l'étendue des zones humides et de la teneur en carbone organique moyenne des sols du bassin versant, ainsi que par des modifications anthropiques du paysage, tels que l'étendue des terres cultivées et, dans une moindre mesure, de la présence de grands réservoirs. En revanche, l'exportation de CID est principalement contrôlée par l'étendue de roches carbonatées (positif) et des plans d'eau (négatif). De plus, l'étendue de terres cultivées expliquait une quantité importante de variabilité. Ces modèles ont ensuite été utilisées pour estimer l'exportation de carbone pour tous les bassins exoréiques absents de notre base de données pour établir une nouvelle estimation globale de l'exportation de carbone vers les océans de 0.68±0.05 Pg an-1, une révision substantielle de la valeur souvent citée de 0.9 Pg an-1. Une analyse rétrospective suggère que jusqu'à 40% de l'exportation actuelle est associée à l'étendue de l'agriculture sur la planète. En conclusion, cette thèse a montré que, dans des paysages différents et à différentes échelles spatiales, l'exportation de carbone est entraîné par une combinaison des caractéristiques naturelles du paysage et les activités humaines. Elle souligne également la régulation différentielle de l'exportation des fractions organiques et inorganiques du C. Les impacts anthropogéniques en raison des changements de l'utilisation des terres et des couvertures terrestres peuvent remplacer les pressions naturelles comme principaux déterminants de l'ampleur et la composition des transferts actuels et futurs de carbone provenant de la terre, par le réseau hydrologique pour finalement atteindre la mer. Cela implique l'importance de l'utilisation et de la gestion des terres dans le contrôle de l'exportation de carbone riveraines des écosystèmes terrestres dans le contexte des changements environnementaux induits par l'homme, régionalement et mondialement. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : exportation de carbone, cycle du carbone, gaz à effet de serre (GES), carbone organique dissous, carbone inorganique dissous

Le présent projet de recherche a pour objet l'étude des changements opérés sur les apports en matière organique terrigène dans les milieux aquatiques (réservoirs hydroélectriques, lacs naturels) tant au niveau de sa quantité que de sa réactivité, ceci lors du déboisement d'une partie de leurs bassins versants. Nous souhaitons caractériser le devenir de la matière organique terrigène en milieux aquatiques, en matière d'émissions de gaz à effets de serre. Nous évaluons la quantité de CO2 produite par photodégradation pour les systèmes aquatiques naturels et perturbés en fonction du coefficient d'absorption spectral du milieu étudié (aCDOM,λ). La photoréactivité de la matière organique dissoute présente dans la colonne d'eau est évaluée pour deux situations environnementales : l'une considère la perturbation des bassins versants par récolte forestière, l'autre porte sur l'opposition entre lacs naturels et réservoirs hydroélectriques. L'observation de la photoréactivité des composés de taille inférieure à 0,2 µm sous conditions naturelles permet de mettre en évidence une forte variabilité de cette réactivité selon les situations, de la production de CO2 issue de la dégradation photochimique. Dans un second temps, nous avons souhaité comprendre l'origine des processus hétérotrophes observés dans des lacs et réservoirs de la forêt boréale québécoise. Les émissions atmosphériques dérivées de cette production pour chaque plan d'eau, conduisent à l'estimation d'un flux de CO2 total qui peut être comparé aux flux diffusifs totaux de CO2 obtenus suite à l'échantillonnage de la couche mince de surface (méthode TBL). Nous avons mesuré la quantité de CO2 produite quotidiennement, pour l'ensemble de la colonne d'eau par photodégradation de la matière organique dissoute (DIPM CO2). Les flux de CO2 provenant de la respiration bactérienne (DIBR CO2) tout comme les flux de fixation de CO2 par photosynthèse (DIPH CO2), ont également été caractérisés. Finalement, nous avons cherché à vérifier si les variations observées dans les processus d'émissions selon les flux diffusifs totaux pouvaient être expliquées en fonction du niveau de perturbation de nos systèmes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Cycle du carbone, Lacs, Réservoirs hydroélectriques, Biomarqueurs de la lignine, Photodégradation, Gaz à effet de serre.

Cette thèse a pour but d'apporter une contribution à l'étude des émissions de gaz à effet de serre et du cycle du carbone de réservoirs hydroélectriques du moyen-nord québécois. La question centrale se posant à travers ce travail est la contribution de matière organique terrigène provenant des bassins versants aux émissions de gaz à effet de serre de ces réservoirs, ces dernières étant fréquemment attribuées exclusivement à la dégradation de matière organique dans les sols inondés. Un modèle du cycle du carbone vise à quantifier le cycle du carbone terrigène dans un large complexe hydroélectrique boréal et à faire la synthèse des connaissances obtenues par l'équipe de recherche au cours de dix années d'études. Les travaux de terrain ont été menés sur trois réservoirs boréaux au Québec (Laforge-1, Robert-Bourassa et Cabonga) d'âges différents ainsi que sur des lacs naturels dans leur bassin versant. Les méthodes géochimiques des rapports élémentaires C/N et C/P, des signatures isotopiques δ13C et δ15N et des biomarqueurs de la lignine ainsi que des mesures physico-chimiques ont été employées pour caractériser et quantifier les différentes fractions de taille de la matière organique de la colonne d'eau, incluant la matière organique dissoute, obtenue par osmose inverse, technique non disponible dans les études antérieures. A travers les concentrations et signatures géochimiques de la matière organique mesurée dans les réservoirs et les lacs, il a pu être démontré qu'une fraction de la matière organique terrigène suffisante pour expliquer les émissions de CO2 de réservoirs passé les premières années d'inondation, est minéralisée dans les réservoirs. Comme résultat, les concentrations de matière organique terrigène dans les réservoirs est moindre que dans les lacs et son état de dégradation plus avancé. Par rapport à des lessivats de sols forestiers, la matière organique des lacs et réservoirs est de manière générale fortement dégradée. À l'aide des rapports élémentaires et des signatures isotopiques, des particularités des réservoirs, pouvant être associés à une résurgence trophique ainsi qu'à des différences morphologiques et hydrodynamiques, ont été mis en évidence, principalement dans le plus jeune des réservoirs. Le modèle du cycle du carbone englobant l'ensemble du complexe La Grande sur une durée de simulation allant de 50 à 100 ans permet d'établir un bilan cohérent des flux et concentrations de carbone organique. Ce modèle représente un outil pour évaluer les changements induits par la création de réservoirs sur les flux de carbone entre l'atmosphère et les continents et est ainsi utilisable comme outil dans la comptabilité du carbone reliée au volet de l'affectation et les changements d'affectation des terres d'inventaires nationaux. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : émissions de gaz à effet de serre, cycle du carbone, réservoirs hydroélectriques, matière organique, biomarqueurs de la lignine, modélisation.