La forte variabilité des émissions de gaz à effet de serre des lacs et des mares de l’Arctique expliquée par la morphologie des plans d’eau, l’activité érosive et la qualité de la matière organique des sols environnants. / The high variability of greenhouse gas emissions from Arctic lakes and ponds explained by the morphology of water bodies, the erosional activity and the quality of organic matter in surrounding soils.

Préskienis, Vilmantas (2022). La forte variabilité des émissions de gaz à effet de serre des lacs et des mares de l’Arctique expliquée par la morphologie des plans d’eau, l’activité érosive et la qualité de la matière organique des sols environnants. / The high variability of greenhouse gas emissions from Arctic lakes and ponds explained by the morphology of water bodies, the erosional activity and the quality of organic matter in surrounding soils. Thèse. Québec, Doctorat en sciences de l'eau, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 186 p.

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Résumé

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Les basses-terres de l'Arctique comptent un grand nombre de plans d'eau douce dont la genèse, la morphologie, le fonctionnement limnologique et la dynamique du carbone sont très variables. Ces écosystèmes aquatiques sont des points chauds de l'activité biogéochimique et des émetteurs importants de CO2 et de CH4 dans le paysage de la toundra. Bien que plusieurs études aient identifié leur rôle crucial dans le cycle global du carbone, les lacs et les mares de la toundra restent peu étudiés; leur fonctionnement et leur réponse potentielle aux changements climatiques ne sont pas bien définis. Dans cette thèse, nous avons étudié les variations à l'échelle locale des émissions de CO2 et de CH4 des lacs et des mares de la toundra de l'île de Bylot (archipel arctique canadien oriental, pergélisol continu) d'un point de vue géomorphologique. Nous avons mis l'accent sur la morphologie des plans d'eau, l'érosion des berges et la qualité de la matière organique du sol. L'étude présente des données recueillies sur le terrain et obtenues lors d'expériences en laboratoire. Les travaux sur le terrain comprenaient des mesures de flux gazeux émis par diffusion et ébullition, une analyse détaillée du fonctionnement limnologique des lacs et des mares, une cartographie précise du paysage mettant l’accent sur l'érosion des berges, et le carottage de la couche active et du pergélisol. Les échantillons des sols ont été utilisés pour caractériser la matière organique, et sa labilité a été évaluée par une série d'expériences en laboratoire. La morphologie des plans d'eau a joué un rôle important dans le contrôle de la saisonnalité des émissions de GES : les émissions maximales des lacs de thermokarst d’origine glaciaire et des mares polygonales coalescentes ont eu lieu au début du mois de juillet après la fonte des glaces, celles des mares en coin de glace à la fin du mois d'août au retournement automnal, tandis que le lac de thermokarst présentait des flux variables mais relativement élevés tout au long de la saison des eaux libres. Le lac de thermokarst a émis le carbone le plus ancien, mais les plus grands émetteurs par unité de surface étaient les mares en coin de glace. Ces mares présentaient un degré d'érosion des berges très variable, allant de berges stables couvertes de végétation aquatique à des berges extrêmement instables avec des blocs de sol riches en matières organiques qui tombent ou qui glissent vers l’eau. Les niveaux d'érosion étaient corrélés aux taux d'émission de GES, et les mares dont plus de 40% des berges étaient activement en érosion présentaient des flux significativement plus élevés que toutes les autres mares (4100 mmol CO2 eq. m-2 yr-1 , i.e. en moyenne 6 fois plus élevé que pour les autres). La signature isotopique des gaz indique que la couche active et les autres sources de carbone moderne ont été utilisées de manière prédominante, ce qui explique le jeune âge des GES émis. La matière érodée présentait des niveaux variables de labilité à la dégradation microbienne (passant d’un gain net de 7% à une perte nette de 18% du COD original sur une période de deux semaines). La respiration et le déclin du COD (comme proxy de la labilité) étaient généralement plus élevés pour la matière organique provenant de la couche active que celle provenant du pergélisol. Cette dernière présentait aussi une grande variabilité dans la labilité entre les sites de carottage, indiquant de grandes différences dans la mise en place du pergélisol et la diagenèse de la matière organique pendant l’Holocène. Les sols qui ont lixivié de la matière organique plus riche en acides gras saturées et d’origine végétale, ainsi que des molécules plus lourdes et plus aromatiques, semblent avoir été préférés par le microbiote d'une mare de coin de glace fortement en érosion. Les mares qui émettaient particulièrement plus de GES étaient entourés de sols qui libéraient davantage de nutriments par lixiviation. Le rapport C:N du sol, couramment utilisé comme caractéristique liée à la labilité de la matière organique du pergélisol, ne s’est pas avéré un bon indicateur de labilité. La variabilité observée ici sur un kilomètre carré de paysage de toundra souligne la nécessité d'études plus détaillées, alors que l'extrapolation sur de vastes zones à partir d'une poignée de mesures à l'échelle locale est encore très courante. Le verdissement de l'Arctique et l'intensification de l’érosion thermokarstique sont deux trajectoires plausibles causées par les changements climatiques; nos résultats indiquent que la première conduit à une augmentation des puits de CO2 mais à des émissions de CH4 plus élevées, tandis que la deuxième conduit à une augmentation des émissions des deux gaz. La détermination de la trajectoire prédominante d'un paysage donné sera essentielle pour évaluer le potentiel de réchauffement climatique causé par les émissions futures.

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Arctic lowlands feature a vast number of freshwater bodies highly variable in their genesis, morphology, limnological functioning, and carbon dynamics. These aquatic ecosystems are hotspots of biogeochemical activity and significant emitters of CO2 and CH4 on the tundra landscape. Although several studies have identified their crucial role on global carbon cycling, tundra lakes and ponds remain sparsely studied; their functioning and potential response to climate change is not well defined. In this thesis, we studied local-scale variations in CO2 and CH4 emissions from tundra lakes and ponds on Bylot Island (Eastern Canadian Arctic Archipelago, continuous permafrost) from a geomorphological perspective, with a special focus on water body morphology, shore erosion, and soil organic matter quality. The study presents data collected in the field and obtained during laboratory experiments. Field work included seasonal measurements of diffusive and ebullitive gas fluxes, detailed analyses of the limnological functioning of lakes and ponds, high-precision landscape mapping with a special focus on pond shore erosion features, and coring of active layer and permafrost. The collected soil samples were used to characterise organic matter, and its lability was assessed by series of laboratory experiments. Water body morphology played an important role in controlling the seasonality of GHG emissions: peak emissions for glacial thermokarst lakes and coalescent polygon ponds occurred early July during the ice melt; for ice-wedge trough ponds it was in late August, during autumnal mixing; whereas the thermokarst lake had fluctuating but relatively high fluxes throughout the open-water season. The thermokarst lake emitted the oldest carbon, but the largest emitters by surface area were the ice-wedge trough ponds. These ponds presented a wide range of shore erosion levels, from stable shores covered with aquatic vegetation to extremely unstable shores featuring falling or sliding blocks of organic-rich soil. Erosion levels correlated to GHG emission rates, and ponds with more than 40% of the shores actively eroding presented significantly higher fluxes than any other ponds (4100 mmol CO2 eq. m-2 yr-1 ; i.e., 6 times higher than in other studied systems). The gas isotope signature indicated that the active layer and other fresh-carbon sources were used predominantly, explaining the young age of emitted GHG. The eroded material presented variable levels of lability to microbial degradation (from 7% net gain to 18% net loss of original DOC over two weeks). DOC consumption and respiration rates (as proxies of lability) were generally higher from SOM from the active layer than that from permafrost. The characteristics of the latter were also more variable among coring sites indicating large differences of permafrost development and SOM diagenesis during the Holocene. Soils that leached OM richer in saturated, plant-based fatty acids, as well as heavier, more aromatic molecules, appeared to have been preferred by the microbiota of an actively eroding ice-wedge trough pond. Ponds presenting high GHG production were surrounded by soils which leached more nutrients. On the other hand, the bulk C:N ratio, commonly used as permafrost SOM lability characteristic, did not show strong relationships with organic matter lability. The variability observed here within one square kilometre of tundra landscape emphasises the need for more detailed studies, while extrapolations across vast areas from a handful of local-scale measurements is still too common. Both Arctic greening and thermokarst intensification are plausible trajectories under the observed climate change; our results indicate that the former leads to increased CO2 uptake but higher CH4 emissions, while the latter leads to increased emissions of both gases. Determining the predominant trajectory of any given landscape will be key to assessing the warming potential of future emissions.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Laurion, Isabelle
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Fortier, Daniel
Informations complémentaires:	Résumé avec symboles
Mots-clés libres:	CO2; CH4; lacs Arctiques; mares de la toundra; datation au 14C; érosion thermique; dégel du pergélisol; biodégradabilité de la matière organique du sol; expérience de biodégradabilité; ébullition; fonctionnement limnologique; régime de mélange de colonne d’eau; tendances saisonnières; CO2; CH4, Arctic lakes; tundra ponds; 14C dating; thermo-erosion; permafrost thaw; soil organic matter biodegradability; biolability experiment; ébullition; limnological functioning; mixing regime; seasonal patterns
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	25 janv. 2023 16:11
Dernière modification:	07 nov. 2024 12:47
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13169

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