Synthèse des travaux de recherche : Chaire de Recherche du Canada — Niveau 2 en biogéosciences atmosphériques sous les hautes latitudes

Le nord-ouest du Canada subit un réchauffement climatique à peu près deux fois plus rapide que celui de la moyenne planétaire, ce qui conduit à la dégradation de la cryosphère1. Cette vaste région de haute latitude est en grande partie recouverte de pergélisol, terme qui désigne un sol gelé en permanence pour au moins deux ans, et également recouverte des écosystèmes de forêts, de zones marécageuses et de lacs du biome boréal. On ignore encore comment les interactions entre la région arctique boréale et l’atmosphère peuvent réagir au changement de climat ainsi qu’aux conditions du pergélisol. La technique de la covariance des turbulences (CE) 2 constitue à présent le seul moyen de mesurer de manière quasi continuelle, les échanges nets d’énergie et de matière entre écosystèmes et ainsi les interactions entre la surface terrestre et l’atmosphère (Fig. 1).

Figure 1: Tour de covariance des turbulences à Scotty Creek (SCC) équipée d’un anémomètre 3D-sonique et d’un analyseur de gaz infrarouge, c) mesure des échanges nettes d’énergie et de matière entre le paysage (en vert) et de l’écosystème (en rouge).

Dans le cadre du réseau de recherche Fluxnet-Canada (FCRN), les mesures de covariance des turbulences sur les flux de carbone, d’eau et de chaleur constituaient l’élément central. L’initiative FCRN (2001-2011) a menée à de nouvelles connaissances majeures concernant les interactions entre la surface terrestre et l’atmosphère des écosystèmes de forêts, de terres humides et de prairies du Canada. Cependant, l’initiative FCRN a négligé les régions de haute altitude dans le pays, principalement en raison du manque d’instruments à faible puissance qui nécessitent peu d’entretien et sont adaptés aux rigoureuses conditions environnementales des sites lointains et isolés, de même que du manque d’infrastructures nécessaires pour satisfaire aux exigences des techniques de la CE (ex. des tours suffisamment hautes). Ainsi, la région arctique boréale du Canada continue d’être sous-représentée au sein de FLUXNET, l’initiative mondiale regroupant les projets régionaux (par exemple, FCRN, AmeriFlux) ainsi que dans les modèles du système terrestre⁴.
 

Figure 2: Domaines d’étude de l’écozone des taïga des plaines et du projet Arctic-Boreal Vulnerability Experiment (ABoVE) qui comprend quatre sites de recherche dans la forêt boréale sur une distance de 2 000 km avec un climat latitudinal ainsi qu’un gradient de pergélisol passant d’un sol sans pergélisol (Old Black Spruce, OBS) à un pergélisol continuel (>90%, Havikpak Creek, HPC) en passant par un pergélisol sporadique (<50%, Scotty Creek, SCC) et interrompu (50 à 90 %, Smith Creek, SMC). Trail Valley Creek (TVC) fait l’objet d’une recherche sur la toundra juste au nord de HPC ; ensemble, ces deux sites caractérisent l’écotone de la forêt-toundra.
 

La Chaire de recherche du Canada (CRC) de niveau 2 en atmosphériques dans des régions de haute latitude a amplifié les mesures de la CE effectuées sur le site de Old Black Spruce (OBS) du FCRN sans pergélisol vers un transect latitudinal de 2000 km (soit le « transect ») suivants un gradient climatique et de pergélisol à travers la forêt boréale de l’écozone des taïga des plaines et l’écotone forêt-toundra (Fig. 2). Parallèlement à l’OBS, des mesures CE de pointe sur les échanges nets de dioxyde de carbone(CO₂), de méthane (CH₄),de vapeur d’eau et de chaleur, ont été effectuées à Scotty Creek (SCC), Smith Creek (SMC), Havikpak Creek (HPC) et Trail Valley Creek (TVC). Ce transect englobe la partie centrale du domaine d’étude, qui est étendu de l’expérience de la NASA sur la vulnérabilité arctique et boréale (ABoVE, 2015-2023) et qui a pour but de « mieux comprendre la vulnérabilité et la résilience des écosystèmes et des sociétés vis-à-vis de cet environnement changeant »⁵ (Fig. 2). La partie sud de l’écozone des taïga des plaines se caractérise par un niveau élevé de fragmentation du paysage boréal en raison de la disparition rapide des forêts due au dégel. Dans la partie nord de l’écozone des taïga des plaines, le peu de lisières des arbres boréaux continue à migrer peu à peu vers des paysages arctiques habituellement composés d’écosystèmes d’arbustes nains et de toundra à polygones qui sont également envahis par les grands arbustes (« verdissement de l’Arctique »). Afin d’analyser les conséquences de la perte de forêts (par exemple, le SCC) et de la migration de la limite des arbres à travers l’écotone de forêt-toundra (HPC), la configuration instrumentale implique des systèmes de CE « imbriqués » (Fig. 1c) et un système de CE de toundra à proximité (TVC), respectivement. Les mesures de la CE à travers tous les sites (Fig. 2) sont soutenues par des mesures supplémentaires recueillies. En examinant les interactions entre la surface terrestre et l’atmosphère à l’échelle de l’écosystème, centrées sur l’utilisation innovante de la technique CE et en accord avec le document ABoVE, the CRC’s first-term goal (2014-2018) l’objectif premier du CRC (2014-2018) était de fournir une compréhension mécaniste de la fonction de l’écosystème en haute latitude, dans la région arctique et boréale du nord-ouest du Canada sous l’influence des conditions de changement rapide du climat et du pergélisol.

En effet, les efforts méthodologiques et opérationnels déployés le long du transect ont été intensifiés au cours de la dernière phase du premier mandat de la CRC. Le deuxième mandat du CRC (2019-2023) a mis l’accent sur la collecte et l’analyse de mesures radiométriques simultanées— (e.g., L-band radiometry⁶),des foliaires (par exemple, caractéristiques fonctionnelles des plantes⁷), des arbres entiers (par exemple, caractéristiques hydrauliques⁸), et des flux de carbone et d’eau par parcelles (différentes techniques de cavité) effectuées dans le cadre des empreintes CE à l’OBS, au SCC, au SMC, au HPC et au TVC (Fig. 2). Les observations effectuées aux sites SCC, au SMC, au HPC et au TVC ont été intégrées par Environnement et changement climatique Canada dans le système d’analyse comparative au niveau du site de CLASSIC⁹, la composante surface terrestre du modèle canadien du système terrestre¹⁰. Grâce à une contribution substantielle visant à améliorer la présence de la forêt boréale dans le cadre d’initiatives telles que FLUXNET, et à renforcer le réalisme écologique des forêts boréales dans les modèles du système terrestre, le deuxième objectif du CRC est de mieux limiter les estimations de la productivité de la forêt boréale dans le domaine d’étude étendu ABoVE.

Découvrez le travail de notre équipe et de nos collaborateurs dans la vidéo ci-dessous.

References.

1. Box et al., Environmental Research Letters (2019);
2. Baldocchi, Australian Journal of Botany (2008);
3. Helbig et al., Global Change Biology (2016);
4. Wullschleger et al., Annals of Botany (2014);
5. Fisher et al., Environmental Research Letters (2018);
6. Roy et al., Remote Sensing of Environment (2020);
7. Warren et al., Ecohydrology (2018);
8. Pappas et al., Tree Physiology (2018);
9. Melton et al., Geoscientific Model Development (2020);
10. Swart et al., Geoscientific Model Development (2019).

Reconnaissances

Les activités de recherche sont menées sur le territoire ancestral des Premières Nations du Dehcho (SCC, SMC) et du peuple Inuvialuit (HPC, TVC). Nous reconnaissons et respectons le rôle des Premières Nations du Dehcho et des Inuvialuit en tant que gardiens traditionnels des terres et des eaux sur lesquelles nous menons nos activités de recherche.

Nous remercions le Programme des chaires de recherche du Canada, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie, le Programme du plateau continental polaire, le Programme de formation scientifique dans le Nord, le Fonds de recherche du Québec — Nature et technologies, le Fonds de recherche d’excellence Canada First, le Programme de suivi des effets cumulatifs des T.N.-O., le Fonds de recherche pour l’étude de l’environnement des T.N.-O. et l’Agence spatiale canadienne pour leur soutien en matière d’infrastructure et de fonctionnement.