Linking ecosystem metabolism and greenhouse gas dynamics in northern lakes

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. \n______________________________________________________________________________ \nMOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : CO2, méthane, métabolisme des lacs, production primaire brute, respiration, productivité nette de l'écosystème

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