Analyse dendroecologique et dendroclimatique des gisements de bois de lacs de la taiga de l'est de l'Amerique du Nord

RÉSUMÉ : Le but de cette thèse a été de reconstituer des processus écologiques et des changements climatiques dans la taïga du Québec au cours des deux derniers millénaires pour comprendre des aspects qui ont fortement influencé l'évolution de ce territoire majestueux. Pour obtenir des résolutions spatiale et temporelle très fines, nous avons utilisé comme indicateur paléoécologique et paléoclimatique les cernes annuels de croissance de bois subfossiles que nous avons récupéré dans six lacs. Les gisements de bois subfossiles structurent les écosystèmes littoraux et supportent les réseaux trophiques des lacs. De plus, ils peuvent représenter des puits de carbone à long terme. Dans le premier chapitre de la thèse, nous avons décrit les gisements actuels de bois subfossiles dans les portions littorales des lacs et nous avons établi le temps de résidence des bois dans l'eau en les datant par dendrochronologie ou par le radiocarbone. Cette datation nous a aussi permis d'identifier précisément les incendies qui ont brulé les forêts riveraines durant le dernier millénaire. Ce chapitre a montré que les interactions entre écosystèmes terrestres et aquatiques dans la taïga sont fortement influencées par les incendies, dont les effets peuvent persister pendant des siècles à cause des fortes réductions des apports de bois dans les lacs à la suite des feux dans les forêts riveraines. À échelle locale, la quantité de bois et de carbone préservée dans les gisements littoraux dépend de l'histoire des feux du dernier millénaire qui est propre à chaque site. À échelle régionale, les incendies limitent significativement le carbone séquestré dans les gisements littoraux de bois. Ces gisements représentent une proportion négligeable du stock total de carbone de la taïga malgré la grande abondance de lacs et le long temps de résidence du bois dans l'eau (jusqu'à cinq millénaires pour les bois enfouis). Dans le deuxième chapitre, nous avons combiné un inventaire détaillé de la forêt riveraine actuelle de deux lacs avec la datation par dendrochronologie des bois subfossiles accumulés dans les zones littorales adjacentes à ces forêts. Notre objectif a été de vérifier si les variations de structure et de composition de la forêt riveraine actuelle pouvaient être attribuées à différentes histoires des feux au cours du dernier millénaire et de montrer les impacts des incendies passés sur la mortalité des arbres, leur densité et leur croissance. Un nombre très important de subfossiles (n = 1037) a permis de reconstituer la dynamique millénaire des forêts avec une fine résolution spatiale (quelques centaines de mètres carrés) et temporelle (annuels) sans précédent. Nos résultats ont contribué à expliquer comment la diversité du paysage actuel de la taïga reflète l'histoire des feux du dernier millénaire qui varie de site en site. Les incendies ont eu des effets persistants et cumulatifs résultant en une ouverture progressive du couvert forestier avec l'exclusion du sapin baumier qui est un arbre sensible au feu. Le paysage de la taïga est un mosaïque de peuplements forestiers caractérisés par différents temps depuis le dernier feu et différentes trajectoires de structure de la forêt après feu. Dans le troisième chapitre, nous avons utilisé le réseau de séries dendrochronologiques millénaires développés à partir des bois subfossiles pour produire une reconstitution régionale des températures de juillet-août des 1100 dernières années. Notre réseau a comblé une lacune importante dans le réseau nord-hémisphérique d'indicateurs paléoclimatiques de résolution annuelle utilisés pour reconstituer les températures du dernier millénaire (voir rapport du GIEC). De plus, notre reconstitution a fourni une preuve directe que le climat du Nord-Est de l'Amérique du Nord est particulièrement sensible au forçage volcanique. En effet, elle a montré que des grandes éruptions successives ont déclenché le commencement de périodes plus froides dans la région d'étude qui ont persisté pendant plusieurs décennies. En particulier, deux séries d'éruptions, centrées sur l'éruption du Samalas en 1257 et celle du Tambora en 1815, ont coïncidé avec deux changements abrupts de régime des températures. Ces changements ont marqué respectivement le début du Petit Âge glaciaire et de sa phase la plus froide dans le Nord-Est de l'Amérique du Nord. Notre reconstruction a montré également un Optimum climatique médiéval bien défini, qui a inclus quelques décennies significativement plus chaudes que les 10 dernières années. -- Mots clés : changements de régime des températures; débris ligneux littoraux; écologie des feux; forçage volcanique; interactions forêt-lac; interactions végétation-climat; Optimum climatique médiéval; Petit Âge glaciaire; séries dendrochronologiques millénaires; trajectoires de structure et composition des forêts. -- ABSTRACT : The aim of this thesis was to reconstruct ecological processes and climate change in the taiga of Quebec over the last two millennia to understand factors that have strongly influenced the evolution of this majestic region. To obtain the fine st spatial and temporal resolution in our analysis, we used annual growth rings of subfossillogs collected in six lakes as paleoecological and paleoclimatic proxies. Deposits of subfossil logs determine the structure of lake littoral ecosystems and support their food webs. Moreover, they may represent long-term carbon sinks. In the first chapter of the thesis, we described present-day stocks of subfossil logs in the selected littoral zones and established log residence time in the lakes by tree-ring or radio carbon dating. Dating also allowed precise identification of each fire that burned the riparian forests during the last millennium. This chapter showed that interactions between terrestrial and aquatic ecosystems in the taiga are strongly influenced by wildfires whose effects can persist for centuries because of strong postfire reductions of log recruitments in lakes. At a local scale, the amount of logs and carbon preserved in littoral stocks depends on the fire history of the last millennium that is specifie to each site. At a regional scale, wildfires limit significantly the amount of carbon sequestered in littoral stocks of logs. These stocks represent a negligible fraction of the total taiga carbon storage despite the abundance of lakes and the long residence time of littoral logs (up to five millennia for buried logs). In the second chapter, we combined a detailed inventory of the present-day riparian forest situated along the shoreline of two lakes with the tree-ring dating of the subfossil logs accumulated in the littoral zones facing these shores. Our objective was to determine whether changes in current riparian forest structure and composition within a given site could be attributed to different fire histories over the last millennium and to show the impacts of past fires on tree mortality, density and growth. Using our impressive paleoecological dataset (n = 1037 logs) in combination with our present-day forest inventory, we were able to reconstruct millennial forest dynamics with an unprecedented high spatial (few hundreds of square meters) and temporal (annual) resolution. Our findings help explain how the present-day landscape diversity in the taiga reflects the fire history of the last millennium, which varies from site to site. Fires have caused persistent and cumulative impacts resulting in a progressive opening of the forest cover along with exclusion of balsam fir, a fire sensitive tree species. The taiga landscape is a mosaic of forest stands characterized by different times since fire and different postfire forest structure trajectories. ln the third chapter, we used our network of millennial tree-ring chronologies developed from the collected subfossil logs to produce a regional reconstruction of July-August temperatures over the last 1100 years. Our network filled a wide gap in the north-hemispheric network of paleoclimate proxies with annual resolution used for temperature reconstructions of the last millennium (see IPCC report). Moreover, our reconstruction provided direct field evidence that the climate of Northeastern North America is particularly sensitive to volcanic forcing. Indeed, successive large eruptions triggered the beginning of cold episodes in the study area that persisted for decades. In particular, two series of eruptions, centered around the Samalas event in 1257 and the Tambora event in 1815, coincided with two abrupt temperature regime shifts. In Northeastern North America, these shifts marked the onset of the Little Ice Age and the beginning of its coldest phase, respectively. Our reconstruction also showed a well-expressed Medieval Climate Anomaly, which included a few decades significantly warmer than the last 10 years. -- Keywords : fire ecology; forest-Iake interactions; large woody debris; Little Ice Age; Medieval Climate Anomaly; millelmial tree-ring chronologies; plant-climate interactions; temperature regime shifts; trajectories of forest structure and composition; volcanic forcing.

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