Regional and global patterns in carbon export from land to water

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. \n______________________________________________________________________________ \nMOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : exportation de carbone, cycle du carbone, gaz à effet de serre (GES), carbone organique dissous, carbone inorganique dissous

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