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THÈSE-révisée

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175 pages
DANIEL CAMPBELL COMPRENDRE LA MÉCANIQUE DU PROCESSUS DE RECOLONISATION VÉGÉTALE DES TOURBIÈRES EXPLOITÉES Thèse présentée à la Faculté des études supérieures de l’Université Laval pour l’obtention du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.) Département de phytologie FACULTÉ DES SCIENCES DE L’AGRICULTURE ET DE L’ALIMENTATION UNIVERSITÉ LAVAL QUÉBEC JUIN 2002 © Daniel Campbell, 2002 iRÉSUMÉ La recolonisation naturelle des tourbières aspirées et abandonnées est pauvre. Dans un effort pour mieux comprendre les raisons sous-jacentes à cette situation, le processus de recolonisation fut considéré comme une série de filtres environnementaux qui laissent passer seulement les espèces avec des caractères autécologiques appropriés. Les espèces étudiées étaient les mousses et plantes vasculaires les plus communes dans les tourbières naturelles ou les tourbières aspirées et abandonnées au Québec. La première étude examina le potentiel relatif des espèces étudiées à immigrer aux surfaces exploitées. Les espèces diffèrent beaucoup selon leur fréquence en bordure, leur fécondité maximale et leur potentiel de dissémination par le vent, l’eau ou les animaux. Plusieurs espèces de mousses, d’éricacées et d’arbres sont avantagées pour immigrer vers les surfaces exploitées. Une deuxième étude avait pour objet la stabilité des surfaces exploitées. Trois aspects ont été examinés : la susceptibilité à l’érosion éolienne des tourbes de ...
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DANIEL CAMPBELL


COMPRENDRE LA MÉCANIQUE
DU PROCESSUS DE RECOLONISATION VÉGÉTALE
DES TOURBIÈRES EXPLOITÉES



Thèse
présentée
à la Faculté des études supérieures
de l’Université Laval
pour l’obtention
du grade de Philosophiae Doctor (Ph.D.)


Département de phytologie
FACULTÉ DES SCIENCES DE L’AGRICULTURE ET DE L’ALIMENTATION
UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC

JUIN 2002

© Daniel Campbell, 2002
i
RÉSUMÉ
La recolonisation naturelle des tourbières aspirées et abandonnées est pauvre. Dans un effort pour
mieux comprendre les raisons sous-jacentes à cette situation, le processus de recolonisation fut
considéré comme une série de filtres environnementaux qui laissent passer seulement les espèces
avec des caractères autécologiques appropriés. Les espèces étudiées étaient les mousses et
plantes vasculaires les plus communes dans les tourbières naturelles ou les tourbières aspirées et
abandonnées au Québec. La première étude examina le potentiel relatif des espèces étudiées à
immigrer aux surfaces exploitées. Les espèces diffèrent beaucoup selon leur fréquence en
bordure, leur fécondité maximale et leur potentiel de dissémination par le vent, l’eau ou les
animaux. Plusieurs espèces de mousses, d’éricacées et d’arbres sont avantagées pour immigrer
vers les surfaces exploitées. Une deuxième étude avait pour objet la stabilité des surfaces
exploitées. Trois aspects ont été examinés : la susceptibilité à l’érosion éolienne des tourbes de
différents degrés de décomposition, la rugosité des surfaces exploitées et leur stabilité sur le
terrain. Les tourbes sont très susceptibles à l’érosion lorsqu’elles sont meubles, surtout si elles
sont peu décomposées, mais dès qu’une mince croûte se forme à la surface, elles restent stables.
Sur le terrain, l’érosion éolienne semble négligeable par rapport au gel et dégel saisonnier pour
expliquer l’instabilité d’un substrat tourbeux. La troisième étude examina le potentiel de
germination et d’établissement des plantes vasculaires, en déterminant l’émergence des plantules
en fonction de la profondeur d’enfouissement des graines et les taux de croissance des plantules.
La masse des graines prédit leur susceptibilité à l’enfouissement ainsi que la croissance des
racines, mais l’aire spécifique des feuilles prédit leur taux de croissance relatif. L’étude finale
intègre ces données pour déterminer si une approche d’écologie fonctionnelle permet de prédire
et de mieux comprendre la recolonisation naturelle des tourbières exploitées. Pour toutes les
espèces ou les plantes vasculaires seules, leur fréquence en bordure et leur position en bordure
demeurent des causes indépendantes de la recolonisation. La capacité de dissémination par le
vent est secondaire. Tous ces résultats devraient nous permettre de mieux cibler les efforts de
restauration.
ii
ABSTRACT
The recolonization of abandoned milled bogs is poor. In an attempt to understand the underlying
reasons, the recolonization process was considered as a series of environmental filters which
selectively allows the survival of only those species with suitable autecological traits. Study species
were the most common mosses and vascular plants in milled or abandoned milled bogs in
Québec. A first study examined the relative immigration potential of study species to milled bogs.
Study species differ markedly in terms of their populations in edges of milled bogs, maximum
fecundity and dispersal potential by wind, water or animals. Overall, several species of mosses,
ericaceous shrubs and trees have high potential to immigrate to milled bogs. A second study
focussed on the stability of milled peat surfaces. Three aspects were examined: the wind erosion
potential of peats as a function of their degree of decomposition, the surface roughness lengths of
milled peatlands, and the stability of milled peat substrates in the field. Milled peats are highly
prone to wind erosion when loose, especially the less decomposed peats. However, once a light
crust is formed, they are all stable. Insignificant wind erosion was also observed in the field in spite
of very low roughness lengths. However, milled surfaces are very unstable, apparently as a result
of seasonal freeze-thaw action. A third study examined the germination and establishment potential
of vascular plants, first by examining seedling emergence as a function of seed burial depth and
second by measuring their seedling growth rates. Burial sensitivity and root performance were
functions of seed mass while relative growth rate could be predicted by seedling specific leaf area.
The final study brought elements of previous studies together to determine whether a trait-based
approach could be used to predict and better understand natural recolonisation of milled
peatlands. For all species and vascular plants alone, abundance of species in edges of milled bogs
and edge bias relative to milled edges were independent causes of recolonisation. Propagule wing
loading for all species and propagule fall time for vascular plants were also important. The
restoration of abandoned milled peatlands should benefit from this better understanding of the
recolonisation process.
iii
L’AVANT-PROPOS
La thèse est présentée sous forme de quatre articles rédigés en anglais. Le premier article
(Chapitre 2) sur l’immigration des plantes dans les tourbières exploitées a été rédigé avec Line
Rochefort et Claude Lavoie comme co-auteurs et a été soumis pour publication au Journal of
Applied Ecology. Le deuxième article (Chapitre 3) sur l’érosion et la stabilité du substrat a
également été rédigé avec Claude Lavoie et Line Rochefort et a été accepté pour publication dans
le Canadian Journal of Soil Science. Le troisième article (Chapitre 4) sur la germination et
l’établissement des plantes de tourbières a été rédigé avec Line Rochefort et a été soumis pour
publication à Plant Ecology. Finalement, le quatrième article (Chapitre 5) sur la prédiction de la
recolonisation a été rédigé avec Line Rochefort et Claude Lavoie, mais n’a pas encore été soumis
pour publication. Pour tous ces travaux, j’atteste que je suis le principal responsable de la
conception des idées, de l’organisation et de l’accomplissement des travaux de terrain et de
laboratoire, de l’analyse des données et de la rédaction des manuscrits. Je peux ainsi affirmer que,
bien appuyé intellectuellement par ma directrice et co-directeur, cette thèse est bel et bien le fruit
de mon propre travail.
Ma directrice de thèse, Mme Line Rochefort, et mon codirecteur, M. Claude Lavoie, m’ont aidé
par l’entremise d’échanges d’idées stimulants et de critiques justes à tous les stades de mon
doctorat. Ils méritent ainsi le statut de co-auteurs des articles issus de la thèse. Mais, je leur dois
beaucoup plus. Je leur dois une reconnaissance profonde pour avoir cru en moi dès le départ et
tout au long de mon doctorat. Je les remercie sincèrement pour le soutien logistique, technique,
financier et parfois moral que j’ai reçu. J’espère que cette thèse n’est que le début d’une longue
collaboration fructueuse.
Cette thèse n’aurait pu être réalisée sans l’appui et la collaboration de plusieurs organismes et
individus. En premier, ces recherches ont été réalisées grâce à l’appui financier du Conseil de
recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG), du Fonds pour la Formation
de chercheurs et l’aide à la recherche du Québec (FCAR) et de l’Association canadienne de
mousse de tourbe accordé à Line Rochefort et Claude Lavoie. J’apprécie grandement l’appui
iv
financier personnel que j’ai reçu grâce à une bourse d'études supérieures à incidence industrielle
du CRSNG en collaboration avec Premier Tech et par l’entremise d’une bourse de doctorat du
FCAR. Je suis aussi reconnaissant du soutien logistique et de l’accès aux sites de recherche
accordés par Premier Tech, et en particulier de l’aide de Dominique LeQuéré qui travaille dans
cette entreprise. Plusieurs autres compagnies ont eu la gentillesse de m’accorder accès à leurs
sites, soit Tourbières Berger, Tourbières Lambert, Fafard et Frères et Tourbières Smith.
Je remercie plusieurs personnes pour des échanges d’idées stimulants et des discussions
techniques (en ordre alphabétique): Stéphanie Boudreau, Suzanne Campeau, Jean Caron, Jean
Collin, Pierre-André Dubé, André Desrochers, Christopher Ellis, Elisabeth Groeneveld, Gilles
Houle, Cheryl McKenna-Neuman, Peter Neuman, Monique Poulin, Jonathan Price, François
Quinty, Tim van Seters, Michael Waddington et Grant Whitehead. Je remercie aussi tous les
autres membres du Groupe de recherche en écologie des tourbières (GRET). J’ai eu la grande
chance et le plaisir d’avoir des assistants doués et pleins d’enthousiasme, d’endurance et de
patience. Ils sont (en ordre alphabétique): Pierre Arseneault, Claudia Bisson, Julie Bussières,
Robert Christie, Nathalie Côté, Thierry Durand, Patrick Faubert Daniel Lachance et Julie
Plamondon.
Le plus grand remerciement est réservé à ma femme Mery Martínez. Elle m’inspire dans toutes
mes œuvres, à tout moment. Je dédie cette thèse à elle et à notre fils Mauricio. Vous passez
devant tout.
v
TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ..................................................................................................................................i
ABSTRACT............................ ii
L’AVANT-PROPOS...............................................................................................................iii
TABLE DES MATIÈRES........v
LISTE DES TABLEAUX.........................................................................................................x
LISTE DES FIGURES............ xi
LISTE DES ANNEXES .........................................................................................................xiii
CHAPITRE 1: INTRODUCTION GÉNÉRALE......1
LES RÈGLES D’ASSEMBLAGE COMME APPROCHE EN RESTAURATION..............2
LE CAS DES TOURBIÈRES EXPLOITÉES.......................................................................4
OBJECTIF PRINCIPAL DE LA THÈSE.............5
UNE APPROCHE DÉDUCTIVE ........................................................................................7
Espèces ciblées.................................................9
Sources de diaspores........................................................................9
Dissémination..................10
Germination....................................................................................................................11
Établissement des plantules..............................12
Stades juvénile et adulte ..................................................................................................13
HYPOTHÈSES PRINCIPALES........................14
ORGANISATION DE LA THÈSE....................................................................................14
RÉFÉRENCES ..................................................15
vi
CHAPITRE 2: DETERMINING THE IMMIGRATION POTENTIAL OF PLANTS
COLONIZING DISTURBED ENVIRONMENTS : THE CASE OF MILLED PEATLANDS,
QUÉBEC ...............................................................................................................................26
RÉSUMÉ...........................27
ABSTRACT ......................................................................................................................27
INTRODUCTION.............28
METHODS........................30
Identification of potential colonists ...................................................................................30
Source populations in edges of milled peatlands...............................32
Maximum fecundity.........................................................................................................35
Wind dispersal ability......36
Floatability......................................................................................................................38
Capacity for animal dispersal...........................38
Data analyses..................39
RESULTS ..........................................................................................................................40
Populations in edges of milled peatlands...........................................................................40
Maximum fecundity.........................................45
Dispersal ability...............45
Immigration potentials.....................................................................46
Immigration potentials versus actual recolonization...........................48
DISCUSSION...................................................................................................................48
Immigration of plants to milled peatlands..........48
The immigration potential approach.................52
ACKNOWLEDGEMENTS...............................................................................................53
REFERENCES ..................................................53
CHAPITRE 3: WIND EROSION AND SURFACE STABILITY IN ABANDONED MILLED
PEATLANDS ........................................................................................................................61
RÉSUMÉ...........................62
vii
ABSTRACT ......................................................................................................................62
INTRODUCTION.............63
METHODS........................65
Wind tunnel experiments .................................................................................................65
Field studies....................................................68
Study area.................................................................................68
Wind profiles.............................................70
Surface stability........................................................................71
RESULTS ..........................................................................................73
Wind Tunnel Experiments................................................................73
Peat characteristics ..................................73
Loose peat experiment..............................76
Crusted peat experiment...........................................................................................76
Field wind profiles...........................................................................................................79
Stability of milled surfaces...............................79
DISCUSSION...................................................................................................................85
Erodibility of milled peats................................85
Roughness of milled surfaces ...........................................................................................85
Role of wind erosion in subsidence..................86
CONCLUSIONS ..............................................................................................................87
ACKNOWLEDGEMENTS...............................................................................................88
REFERENCES..................88
CHAPITRE 4: GERMINATION AND SEEDLING GROWTH OF BOG PLANTS IN
RELATION TO THE RECOLONIZATION OF MILLED PEATLANDS ............................93
RÉSUMÉ...........................................................................................................................94
ABSTRACT......................94
INTRODUCTION.............................................................................................................95
METHODS........................97
viii
Plant species ...................................................................................................................97
Experiment 1 : Seed burial and germination......98
Experiment 2 : Seedling growth rates.............100
RESULTS ........................................................................................................................103
Experiment 1 : Seed burial and germination....................................103
Experiment 2 : Seedling growth rates .............................................106
DISCUSSION.................................................................................109
ACKNOWLEDGEMENTS.............................................................113
REFERENCES................113
CHAPITRE 5: A TRAIT-BASED APPROACH FOR PREDICTING THE
RECOLONIZATION OF ABANDONED MILLED BOGS AND ITS IMPLICATIONS FOR
RESTORATION ................................................................................................................123
RÉSUMÉ.........................124
ABSTRACT....................124
INTRODUCTION...........................................................................................................125
METHODS......................127
Study species................127
Traits measured ............................................................................................................127
Propagule sources...129
Maximum fecundity ................................................................................................129
Dispersal .................................................................................................................129
Germination............131
Establishment..........................................................................................................131
Adult growth and reproduction..............132
Data analyses................................................................................................................132
RESULTS........................133
DISCUSSION.................139
IMPLICATIONS FOR RESTORATION ........................................................................141
ix
ACKNOWLEDGEMENTS.............................................................................................142
REFERENCES ................................................142
CHAPITRE 6: CONCLUSIONS GÉNÉRALES ................................................................153
UNE COMPRÉHENSION DE LA MÉCANIQUE DE LA RECOLONISATION..........154
IMPLICATIONS POUR LA RESTAURATION.............................156
L’APPROCHE DES RÈGLES D’ASSEMBLAGE RÉ-ÉVALUÉE..................................158
RÉFÉRENCES ................................................................................160

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