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Influence des processus externes et internes sur les émissions de gaz à effet de serre dans les lacs de petite taille = The influence of external and internal processes in regulating greenhouse gas emissions in small lakes.

Bartosiewicz, Maciej (2015). Influence des processus externes et internes sur les émissions de gaz à effet de serre dans les lacs de petite taille = The influence of external and internal processes in regulating greenhouse gas emissions in small lakes. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 190 p.

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Résumé

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La majorité des études sur les gaz à effet de serre (GES) se concentrent sur les lacs profonds de moyenne à grande tailles et possédant un régime de mélange bien défini, tandis que les lacs de petite taille et peu profonds ont reçu moins d’attention malgré leur abondance et leur ubiquité. Dans ces lacs, les processus allochtones et autochtones qui contrôlent les émissions de GES et leur stockage dans la colonne d’eau ne sont pas encore bien compris. Les caractéristiques physiques, biochimiques et biologiques des petits lacs changent rapidement suivant les conditions météorologiques, affectant les taux, le moment, le lieu et la voie de libération des GES. De plus, la méthode sélectionnée pour estimer le coefficient de transfert gazeux (k) peut affecter notre capacité à estimer avec précision les flux de GES provenant des petits lacs et leur contribution au budget global des émissions de GES. Dans cette thèse, l'interaction entre les caractéristiques limnologiques et les émissions de GES, ainsi que leur stockage dans le milieu pélagique et les zones littorales ont été étudiés pendant deux à trois saisons d’eau libre dans deux lacs de petite taille. Ces lacs se contrastaient par la présence d’efflorescences phytoplanctoniques récurrentes et l'abondance de macrophytes. Les flux diffusifs de GES ont été calculés avec trois méthodes standards, et comparés pour des années montrant différentes conditions météorologiques. Pendant l’été le plus chaud (2012), le lac Jacques (moins de 2 m de profondeur) a montré une stratification persistante malgré sa faible profondeur, son hypolimnion est devenu anoxique, et le lac est devenu un puits de CO2 pendant les périodes sèches, tandis qu’après les périodes orageuses, le CO2 et le CH4 se sont accumulés dans l’hypolimnion. Les flux diffusifs du CH4 à l’été 2012 étaient similaires à ceux mesurés au milieu de l'été précédent, et quatre fois plus élevés lors du retournement automnal. La comparaison entre les méthodes de calcul des flux a révélé que les estimations du modèle de renouvellement de surface étaient plus près des valeurs obtenues par les chambres flottantes (max 39% de différence) par rapport aux estimations basées uniquement sur la vitesse du vent (max 52% de différence). Néanmoins, en l’absence de données détaillées sur les échanges de chaleur, les modèles basés sur le vent peuvent tout de même fournir une approximation raisonnable des flux de gaz. Le potentiel de réchauffement climatique (PRC) du lac (résultant de l’ébullition et de la diffusion des GES) était significativement plus élevé pendant l’été le plus frais, avec une plus grande contribution de l’ébullition par comparaison avec l’été le plus chaud. La zone littorale (> 1 m de profondeur, 0.07 km2) avait un potentiel de réchauffement plus faible que la zone pélagique (< 1 m de profondeur, 0.11 km2), mais seulement en 2011. En fait une fois normalisée par unité de surface, la zone littorale avait un potentiel plus élevé de réchauffement que la zone pélagique en 2012. Les analyses révèlent que la température de l’eau et la Chl-a expliquent respectivement 27% et 20% de la variance du CO2 pour les deux années, montrant ainsi l’effet négatif de la croissance du phytoplancton sur le CO2 dissous. La variance du CH4 pendant l’année pluvieuse a été principalement expliquée par le phosphore total et les nitrates (respectivement 25% et 19%), tandis que les nitrates et la température expliquent 35% et 29% de la variance en N2O. Pendant l’année sèche, la variance de CH4 est plutôt expliquée par la Chl-a et les nitrates (respectivement 47% et 36%), tandis que pour le N2O, aucune des variables testées n’était un prédicteur significatif de sa variance. Ces résultats suggèrent qu’au-dessus d’un certain seuil d’énergie solaire incidente au système, les processus autochtones (stabilité de la colonne d’eau, croissance du phytoplancton, niveaux d’oxygène) peuvent dominer les processus allochtones (pluie, vent, apports externes en nutriments) dans le contrôle des émissions en GES. Le lac St-Augustin (moins de 6 m de profondeur) montrait des efflorescences de cyanobactéries en 2012 (été chaud et sec) et des fleurs d’eau de dinoflagellés en 2011 (été moyennement pluvieux). La période de canicule a généré un déficit en oxygène dans l'hypolimnion, et le lac était continuellement supersaturé en CH4 et en N2O (jusqu’à 2.7 uM et 15.2 nM respectivement), et périodiquement sous-saturé en CO2 (jusqu’à -8.5 uM). Pendant l’année la plus pluvieuse, le lac était également supersaturé en CH4, mais les concentrations étaient plus basses (en moyenne 0.27 uM) par rapport à 2012 (0.36 uM respectivement). Les concentrations en Chl-a et la biomasse des dinoflagellés et des cyanobactéries expliquaient relativement bien la variabilité des niveaux de saturation du CO2 et de CH4 (R2 > 0.4, p < 0.01) dans la zone pélagique, mais pas dans la zone littorale du lac (R2 < 0.3). L'abondance totale des cellules picoplanctoniques dans les eaux de surfaces était un bon prédicteur pour le niveau de saturation en CH4 dans les zones littorales et pélagiques du lac (R2 = 0.55 et R2 = 0.47, respectivement). La biomasse du zooplancton était corrélée au niveau de saturation du CO2 (R2 = 0.21) dans la zone pélagique du lac. Les résultats de cette thèse donnent un aperçu de l’interaction entre les facteurs de contrôles physiques et biologiques sur les émissions en GES provenant des petits lacs. Le réchauffement climatique entrainera une plus forte stratification thermique, ce qui pourra mener vers : i) une forte variation temporelle des concentrations en GES, avec des moments chauds et/ou des points chauds d'émission, ii) une augmentation de l'importance de la diffusion du CH4 et du N2O relativement au CO2. L’extrapolation et la modélisation de la contribution des petits lacs au budget global des GES requièrent plus de données sur comment les processus autochtones et allochtones qui contrôlent les niveaux de saturation en GES répondront aux forçages météorologiques. Les estimations basées sur quelques mesures discrètes sans évaluation de la variabilité saisonnière et interannuelle des émissions en GES, peuvent être largement biaisées, en particulier sous des conditions climatiques plus chaudes.

Abstract

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The majority of greenhouse gas (GHG) studies focus on large and deep lakes with well-defined mixing regimes, while small lakes have received less attention despite their abundance and ubiquity. In these lakes, allochtonous and autochthonous processes controlling GHG emissions and water column storage are not yet well understood. Physical, biochemical and biological characteristics of small lakes change rapidly with weather conditions, affecting the rates, timings, locations and pathways of GHG releases. In addition, the method which is selected to estimate the gas transfer coefficient (k) may affect the capacity to accurately estimate the GHG flux from small lakes and their contribution to the global GHG budget. In this thesis, the interactions among the limnological characteristics and the rates, pathways and timings of GHG emissions and storage in the pelagial and littoral zones of two contrasting small-sized lakes with and without recurrent phytoplankton blooms was investigated during two or three open water seasons. Diffusive GHG fluxes were calculated with three standard methods and compared between years with different weather conditions. During the hotter summer (2012), Lake Jacques (less than 2 m deep) had a persistent layered structure despite its shallowness, its hypolimnion became anoxic, and the lake was a sink for CO2 during dry periods, while CO2 and CH4 accumulated in the hypolimnion after rainstorms. Diffusive fluxes of CH4 in the summer of 2012 (1.8 mmol m-2 d-1) were similar to those measured in mid-summer of the previous year (1.1 mmol m-2 d-1), and over four times higher during the autumnal overturn. The comparison between methods revealed that surface renewal model estimations were more similar to the floating chamber measurements (max 39% difference) than estimations based solely on wind speed (max 52% difference). Nevertheless, in the absence of detailed data on heat exchange, wind based models can still provide reasonable approximations of gas fluxes. The global warming potential (GWP) of the lake (ebullition and diffusion) was significantly higher during the cooler summer (28.1 × 103 mol CO2 d-1) with a greater contribution from ebullition (17.5 × 103 mol CO2 d-1), than in the hotter summer (14.4 × 103 mol CO2 d-1) with a smaller contribution from ebullition (3.3 × 103 mol CO2 d-1). The littoral zone (< 1 m deep, 0.07 km2) had a smaller warming potential than the pelagial zone (> 1 m deep, 0.11 km2), particularly in 2011 (8.9 and 19.1 × 103 mol CO2 d-1, respectively). Linear regression analysis revealed that water temperature and Chl-a explained respectively 27% and 21% of the CO2 variance for both years, showing the negative effect of phytoplankton growth on dissolved CO2. Most of the variance in CH4 during the rainy year could be explained by TP and NO3- (respectively 25% and 19%), while NO3- and temperature explained respectively 35% and 29% of the variance in N2O. Conversely, in the dry year, the variance in CH4 was best explained by Chl-a and NO3- (respectively 47% and 36%), while none of the tested variables could significantly explain the variance in N2O. These results suggest that above a certain threshold of incoming solar energy, autochthonous processes (water column stability, phytoplankton growth, oxygen levels) may dominate over allochthonous processes (rain, wind, external inputs of nutrients) in controlling GHG. Lake St Augustin (less than 6 m deep) had noxious cyanobacterial blooms in 2012 (hot, dry summer) and a dinoflagellate bloom in 2011 (cool, rainy summer). The hotter weather generated hypolimnetic oxygen depletion, and the lake was continuously supersaturated in CH4 and N2O (up to 2.7 uM and 15.2 nM respectively), and periodically under-saturated in CO2 (down to -8.5 uM). In the rainier year, the lake was also supersaturated in CH4, but the concentrations were significantly lower (in average 0.27 uM) than in 2012 (0.36 uM respectively). The Chl-a concentrations, dinoflagellates and cyanobacteria biomass could explain the variability in CO2 and CH4 saturation levels (R2 > 0.4, p < 0.01) in the pelagial, but not in the littoral zone of the lake (R2 < 0.3). The total number of bacterioplankton in surface waters was a good predictor of the level of CH4 saturation in both the littoral and pelagial zones of the lake (R2 = 0.55 and R2 = 0.47, respectively). Zooplankton biomass was only correlated with the level of CO2 saturation (R2 = 0.21) in the pelagial zone of the lake. The results of this thesis provide insights into the interplay between physical and biological controls on GHG emissions from small lakes. The autochthonous and allochtonous effects on GHG emissions in lakes may differ from year to year depending on the main processes responsible for changes in GHG saturation levels. Stronger lake stratification, as a result of global warming, will lead to: i) high temporal variability in their GHG emissions with pronounced hot moments and/or hot spots, ii) higher CH4 and N2O diffusive fluxes relative to CO2. The up-scaling and modelling of the contributions of small lakes to the global GHG budget require more data on how autochthonous and allochthonous processes, controlling GHG saturation levels, will respond to meteorological forcing. Estimations based on a few discrete measurements without assessing seasonal and interannual variability in GHG emissions may be largely biased, particularly under a warmer climate.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Laurion, Isabelle
Co-directeurs de mémoire/thèse: Maranger, Roxane
Informations complémentaires: Résumé avec symboles
Mots-clés libres: gaz à effet de serre; limnologie; lacs; forçages météorologiques; émissions de GES; CO2; CH4; climat
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 26 janv. 2016 18:35
Dernière modification: 22 mars 2017 20:56
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/3295

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