Dynamique de la composition et des exports de matière organique dissoute au sein d'un bassin versant boréal dominé par une tourbière ombrotrophe, Minganie, Québec, Canada

Les tourbières représentent l’un des plus importants puits de carbone terrestre dans le biome boréal. L’établissement du bilan de carbone des tourbières est donc important afin de quantifier la capacité des tourbières à accumuler du carbone. Cependant, une part importante du carbone capté par les tourbières peut être perdue par les transferts latéraux vers les milieux aquatiques dont la majorité est constituée de carbone organique dissous (COD). Le COD est d’autant plus important dans le cycle du carbone des tourbières que cette forme réactive est sensible à différents processus, notamment la minéralisation pouvant maintenir la sursaturation des ruisseaux de tête de bassin versant en dioxyde de carbone (CO2). Les flux de COD sont particulièrement sensibles aux variations des conditions hydroclimatiques (p. ex., température, précipitation) et varient en fonction des saisons et du débit. Ainsi, la majorité des exports ont lieu durant de courts évènements de crues. Aussi, le calcul des exports spécifiques de COD provenant des tourbières (normalisé par la surface contribuant aux exports) peut être complexe étant donné les différentes sources (p. ex., les écosystèmes forestiers) pouvant contribuer aux flux de COD dans les bassins versants. L’étude de la composition de la matière organique dissoute (MOD) permet d’identifier sa nature, ses sources et comment elle peut être affectée par les différents processus biogéochimiques tels que les processus de minéralisation. Cependant, la composition de la MOD au sein du continuum hydrologique tourbière-ruisseau et sous différentes conditions hydrologiques reste mal connue bien qu’il ait été établi qu’elle puisse varier entre ces conditions. Les mares font partie, au même titre que les platières, les buttes et les dépressions, des microformes des tourbières, pouvant couvrir plus de la moitié de la surface de ces écosystèmes. Les mares peuvent représenter un compartiment important dans le cycle du carbone des tourbières en émettant des quantités substantielles de gaz à effet de serre. La dynamique de la MOD en termes de concentration et de composition n’a été que peu décrite dans les tourbières boréales. Ainsi, il n’existe que très peu d’étude sur l’évolution de la MOD durant la saison de croissance, que ce soit dans l’eau interstitielle des tourbières ou dans les mares. Les objectifs de cette thèse sont de i. quantifier les exports de COD depuis une tourbière boréale ombrotrophe et de caractériser les mécanismes de transfert du COD durant les épisodes de crues (chapitre 2), ii. expliquer l’effet des conditions hydrologiques du bassin versant sur les changements de composition et les processus de transformation de la MOD au cours de son export dans le ruisseau de drainage (chapitre 3), et iii. préciser le rôle des mares dans la production et la transformation de la MOD de la tourbière (chapitre 4). De juin 2018 à mai 2020, une tourbière boréale ombrotrophe du nord-est du Québec (Canada) (tourbière Bouleau, nom non officiel) a été instrumentée et échantillonnée. La mesure de la concentration en COD (par l’intermédiaire d’un proxy ; la MOD fluorescente) et du débit ont permis de quantifier le flux en COD à l’exutoire du ruisseau de drainage de la tourbière. L’étude des séries temporelles de concentration de COD et de niveau de la nappe, les hydrogrammes de crue et les indices qui en ont été extraits ont permis d’étudier les mécanismes de transfert de la MOD. Des échantillonnages ponctuels ont été effectués dans le ruisseau, les mares et l’eau interstitielle de la tourbière étudiée. À partir de ces échantillons, une combinaison de méthodes élémentaires, isotopiques, optiques et moléculaires et des expériences de biodégradation et de photodégradation ont été utilisées afin de décrire la composition de la MOD. Afin de calculer les flux spécifiques de COD, une nouvelle approche a été proposée dans le chapitre 2 pour calculer les flux de COD en distinguant les périodes de hautes eaux et de basses eaux. Durant les périodes de hautes eaux, l’augmentation du niveau de la nappe de la tourbière favorise la connectivité hydrologique entre la tourbière et le ruisseau. On peut ainsi émettre l’hypothèse que la tourbière est la principale contributrice au flux de COD et considérer la surface de la tourbière dans le calcul du flux spécifique de COD. À l’inverse, en période de basses eaux, dû au bas niveau de la nappe de la tourbière, la connectivité hydrologique entre la tourbière et le ruisseau est moins importante. La contribution de la tourbière pendant ces périodes étant limité par la plus faible connectivité hydrologique, on considèrera la surface du bassin versant dans le calcul du flux spécifique du COD. Ainsi, 93-94 % du COD est exporté durant les périodes de hautes eaux, qui constituent 44-59 % de la série temporelle, mettent en évidence que les crues sont à l’origine de la majorité des exports de COD. L’étude des mécanismes de transfert du COD lors des évènements de crue durant la saison de croissance a aussi mis en évidence l’importance du niveau initial de la nappe et de l’augmentation du niveau de la nappe au cours de l’évènement sur la quantité de COD exportée. Cependant, des évènements exceptionnels de crues représentant de 3 à 8% de la période de mesures peuvent exporter 25% des exports totaux de COD pendant la saison de croissance. Dans le chapitre 3, l’étude de la MOD dans le ruisseau a permis de mettre en évidence des liens entre la composition de la MOD, le débit, le temps de résidence de la MOD dans le ruisseau et le flux de minéralisation. La composition de la MOD dans le ruisseau est variable en fonction des conditions hydrologiques. En période de hautes eaux, une MOD semblable à l’eau interstitielle de la tourbière a été observée en termes de rapport COD:NOD et d’aromaticité, tout en présentant un poids moléculaire moyen plus faible que dans l’eau interstitielle et en période de basses eaux. Durant ces périodes de débit élevé et de faible temps de résidence, la MOD est rapidement transférée vers l’aval de la tourbière sans être affectée par les processus de minéralisation. À l’inverse, un changement de composition de la MOD est observé pendant les périodes de basses eaux, marquées par une augmentation de l’aromaticité et du poids moléculaire de la MOD. Ces changements sont associés à une plus grande contribution de la minéralisation de la MOD au flux de COD lorsque les temps de résidence dans le ruisseau sont les plus longs. Le chapitre 4 présente la dynamique de la MOD au sein du complexe tourbière-mare. La contribution de la tourbière à la MOD des mares a été mise en évidence par la dominance des marqueurs moléculaires dérivée de la végétation au sein de la tourbière et le rapport COD:NOD élevé. Cependant, des concentrations de COD deux fois plus faibles sont mesurées dans les mares et ces concentrations augmentent de 2.5 fois pendant la saison de croissance dans l’eau interstitielle contre seulement 1.7 fois dans les mares alors qu’il se produit un changement de composition entre l’eau interstitielle et les mares et une dynamique différente au cours de la saison de croissance. Dans l’eau interstitielle, la MOD est marquée par une aromaticité et un poids moléculaire importants et peu variables. Dans les mares, l’aromaticité et le poids moléculaire augmentent au cours de la saison de croissance, mais restent plus faibles que dans l’eau interstitielle. Ces différences sont expliquées par une combinaison de facteurs biologiques, chimiques et physiques. Cette thèse met en avant la sensibilité des exports de COD et de la composition de la MOD aux facteurs hydroclimatiques à différentes échelles spatio-temporelles dans un bassin versant boréal dominé par une tourbière ombrotrophe. Dans un contexte de changements climatiques, l’augmentation des températures moyennes annuelles, le changement du régime des précipitations et l’augmentation de la période sans glace pourraient impacter la production, la minéralisation et les exports de COD. Ces perturbations du cycle du COD pourraient ultimement affecter le bilan de carbone des tourbières boréales. \n_____________________________________________________________________________ \nMOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : tourbière ombrotrophe, carbone organique dissous, matière organique dissoute, mares, exutoire, biogéochimie, hydrologie, bassin versant, biome boréal, Minganie

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