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Limnologie d'un lac sentinelle dans le Haut-Arctique canadien : le lac Ward Hunt, Nunavut

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2020
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Rautio, Milla
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Les régions arctiques sont soumises à une augmentation des températures atmosphériques de deux à trois fois plus rapide que celle de la moyenne planétaire, occasionnant une contraction rapide de la cryosphère, y compris une diminution de l’épaisseur, de l’étendue et de la durée du couvert de glace lacustre. Bien que plusieurs effets de la dégradation du couvert de glace soient documentés, peu d’observations ont été recueillies sur les lacs polaires couverts de glace pérenne. Le lac Ward Hunt, le lac le plus nordique du Canada, était jusqu’à récemment caractérisé par un couvert de glace qui a persisté au moins depuis 1953. Ce dernier s’est récemment rapidement dégradé faisant du lac Ward Hunt un lac sentinelle du réchauffement climatique dans l’Arctique. L’objectif de cette thèse était de définir la structure et le fonctionnement de ce lac comme modèle permettant de mieux comprendre la nature et les implications des changements subis par les lacs polaires ainsi que d’évaluer une série de questions et d’hypothèses concernant leurs gradients horizontaux et verticaux affectés par ces changements. Une approche spatio-temporelle a permis d’évaluer l’influence du couvert de glace sur la structure physicochimique et biologique du lac Ward Hunt. Des enregistrements à haute fréquence s’échelonnant sur 2 ans ont été obtenus à l’aide d’un mouillage installé dans la section profonde du lac Ward Hunt. Ces informations ont permis de comparer la dynamique saisonnière de température de l’eau, de fluorescence de la chlorophylle a et d’oxygène dissous entre une année où le couvert de glace a complètement fondu (2016) et une année où il a persisté (2017). La disparition du couvert de glace a provoqué un mélange, occasionnant une perte de chaleur, la température chutant de 6,5°C au fond à moins de 1°C sur toute la colonne d’eau. Le mélange a équilibré la concentration d’oxygène dissous dans l’eau (140% de saturation sous la glace) avec celle de l’air. En absence de glace, le mélange a diminué le rayonnement incident dans la colonne d’eau en remettant en suspension des sédiments et en favorisant une plus grande production de chlorophylle a telle que révélée par la fluorescence. La disparition du couvert de glace pourrait avoir stimulé la production primaire avec un maximum de fluorescence plus élevé et précoce en 2016. L’échantillonnage le long d’un transect reliant le littoral et le large a révélé deux patrons de variation des variables limnologiques physiques et biologiques, qui impliquaient un changement abrupt en marge du couvert de glace qui agissait comme démarcation entre la zone littorale et le large. Les résultats mettent en évidence le rôle écologique de l’étroite bande d’eau libre qui se forme autour du couvert de glace des lacs polaires en été (moat). Une analyse de la composition en acide gras des composantes du réseau alimentaire a permis d’identifier la source principale de nourriture pour le zooplancton des zones pélagique et littorale comme étant, respectivement, le seston et les communautés liées aux mousses. L’analyse de la structure verticale de la colonne d’eau en été a révélé que le couvert de glace, limitant les échanges directs avec l’atmosphère, favorise une stratification thermique inverse de la colonne d’eau et permet l’accumulation de chaleur malgré qu’il bloque de 40 à 60% de la lumière incidente. La radiation incidente qui atteint le fond du lac a tout de même permis la prolifération d’une luxuriante communauté benthique dont les stocks de pigments photosynthétiques étaient 10 à 100 fois supérieurs à ceux de la colonne d’eau. La stabilité de la colonne d’eau permet aussi une sursaturation d’oxygène pouvant atteindre 180% de l’équilibre atmosphérique et une accumulation de dioxyde de carbone, d’oxyde nitreux et de méthane. L’analyse optique de la colonne d’eau indique la présence de matière organique colorée qui a influencé le régime spectral de l’éclairement sous l’eau. Cette thèse apporte une vision intégrée de la structure des lacs couverts de glace pérenne au moment où ils amorcent une transition vers un couvert de glace saisonnier. Elle souligne l’importance du couvert de glace sur les variables limnologiques de la colonne d’eau en contrôlant l’éclairement disponible pour la photosynthèse et en limitant les échanges avec l’atmosphère induits par le vent, favorisant la stabilité de la colonne d’eau et l’établissement de forts gradients écologiques entre le littoral et le large.
Arctic regions are experiencing increases in atmospheric temperature at rates that are two to three times faster than the global mean. A rapid contraction of the cryosphere has resulted from this warming, with a decrease in lake ice cover thickness, area and duration. Several effects of degradation of the ice cover on lakes have been documented, but there is a lack of information concerning polar lakes covered by multi-year ice. Ward Hunt Lake, Canada’s northernmost lake, was until recently characterized by a perennial ice cover that remained in place from at least 1953 onwards. This ice cover degraded rapidly in the past few years, making Ward Hunt Lake a far northern sentinel of Arctic climate change. The main objective of this thesis was to define the structure and function of this lake as a model to better understand the nature and implications of changes that polar lakes are undergoing now and in the future, and to address a series of questions and hypotheses about their horizontal and vertical gradients in the face of these changes. The influence of the ice cover on the physicochemical and biological structure of Ward Hunt Lake was evaluated with a spatiotemporal approach. A 2-year, high-frequency record was obtained with a mooring installed in the deepest point of Ward Hunt Lake. This allowed comparison of the seasonal dynamics of water temperature, chlorophyll fluorescence and dissolved oxygen concentrations between a year where the ice cover completely disappeared (2016) and a year where it remained (2017). The seasonal disappearance of the ice cover resulted in the loss of heat in the water column due to mixing throughout the water column. Water temperatures, which reached 6.5°C at the bottom before mixing, dropped to 1°C in the whole water column. Complete mixing also caused dissolved oxygen concentration in the water column to reach equilibrium with the atmosphere whereas it rose to 140% saturation under the ice cover. During open water conditions, incident radiation declined in the water column due to sediment resuspension and increased chlorophyll a fluorescence. The loss of ice cover may have stimulated primary productivity, with a higher and earlier chlorophyll a fluorescence peak in 2016 than in 2017. Sampling along an inshore-offshore gradient revealed two patterns of physical and biological variation. Both patterns included an abrupt shift at the ice cover margin, which acts as a demarcation between the littoral and offshore zones. The results underscored the ecological role of the narrow ice-free water area (moat) that forms around the ice cover of polar lakes each summer. Principal food sources for zooplankton were identified through the analysis of fatty acid composition of the different components of the food web. The pelagic zooplankton diet was mainly composed of seston whereas communities associated with mosses dominated their diet in the littoral zone. High populations of chironomids in the genus Metriocnemus occurred in the benthos. Analysis of the vertical structure of the Ward Hunt Lake water column in summer showed that the ice cover, by limiting direct exchange with the atmosphere, allowed the onset of inverse thermal stratification and the accumulation of heat despite blocking 40 to 60% of incident radiation by reflection and attenuation. Incident radiation reaching the lake floor allowed the development of a rich benthic community, with photosynthetic pigment stocks that were one to two orders of magnitude above those in the overlying water column. The stability of the water column also limited gas diffusion, resulting in oxygen supersaturation up to 180% of air equilibrium and the accumulation of carbon dioxide, nitrous oxide and methane. Optical analysis of the water column indicated the presence of weakly colored dissolved organic matter that influenced the underwater spectral radiation regime. This study provides an integrated view of perennially ice-covered lakes at a turning point as they undergo transition towards a seasonal ice-cover regime. It highlights the importance of ice cover as a driver of limnological variables in the water column by controlling the availability of solar radiation for photosynthesis, and by limiting wind-induced exchanges with the atmosphere, thereby favoring water column stability and strong inshore-offshore gradients in many ecosystem features.
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thèse de doctorat