Le rôle des rivières dans les dynamiques du carbone, de l’azote, et du phosphore selon des gradients d’utilisation du territoire et des contrastes climatiques

Abstract

Les rivières sont des écosystèmes dynamiques qui reçoivent, transforment, et exportent de la matière organique comprenant du carbone (C), de l’azote (N), et du phosphore (P). De par leur grande surface de contact entre l’eau et les sédiments, elles offrent un potentiel élevé pour les processus de transformation de ces éléments, dans lesquels ils sont souvent conjointement impliqués. Ces transformations peuvent retirer les éléments de la colonne d’eau et ainsi diminuer leurs concentrations pour améliorer la qualité de l’eau. Par contre, les conditions climatiques (débit, température, luminosité), la configuration du territoire (forêt, urbanisation, agriculture), et la durée des activités humaines sur terre affectent la quantité, composition, et proportion de C, N, et P livrés aux cours d’eau receveurs. Dans un contexte où un surplus de nutriments (N, P) peut surpasser la capacité des rivières à retirer les éléments de l’eau, et où les extrêmes climatiques s’empirent à cause des changements climatiques, cette thèse met en lumière le rôle des rivières dans les dynamiques de C, N, et P pour une meilleure compréhension de la réponse des écosystèmes lotiques aux pressions actuelles et futures. La Rivière du Nord draine séquentiellement des régions couvertes de forêt, d’urbanisation, et d’agriculture, et oscille entre quatre saisons distinctes, l’exposant à des utilisations du territoire et conditions climatiques contrastées. Nous avons échantillonné les formes de C, N, et P à 13 sites le long du tronçon principal (146 km), une fois par saison pour trois ans. De façon générale, les concentrations de N et P totaux ont augmenté d’amont vers l’aval, concordant avec l’activité humaine plus importante dans la deuxième moitié du bassin versant, mais les concentrations de C organique total sont restées constantes peu importe la saison et l’année. La stœchiométrie écosystémique du C : N : P était donc riche en C comparé au N et P en amont, et s’est enrichie en nutriments vers l’aval. L’étendue (2319 : 119 : 1 à 368 : 60 : 1) couvrait presque le continuum terre – océan à l’intérieur d’une seule rivière. Des formes différentes de C, N, et P dominaient la stœchiométrie totale dépendamment des saisons et de l’utilisation du territoire. En été, la composition du N était dominée en amont par sa forme organique dissoute et par le nitrate en aval, tandis qu’en hiver, l’ammonium et le P dissous avaient préséance sur l’entièreté du continuum. Malgré une concentration constante, la proportion des molécules composant le C différait aussi selon la saison et l’utilisation du territoire. L’été était dominé par des formes dégradées par l’action microbienne et l’hiver par des formes bio- et photo-labiles. Ceci fait allusion au potentiel de transformation de la rivière plus élevé dans la saison chaude plutôt que sous la glace, où les formes plus réactives avaient tendance de s’accumuler. La composition du C en amont était aussi distincte de celle en aval, avec un seul changement abrupt ayant lieu entre la section forestière et la section d’utilisation du territoire urbaine et agricole. Ces changements de compositions n’étaient pas présents durant le printemps de crue typique échantillonné, mais dans l’inondation de fréquence historique nous avons observés des apports nouveaux de molécules provenant soit des apports terrestres normalement déconnectés du réseau fluvial ou de surverses d’égouts. L’influence des facteurs naturels et anthropiques s’est aussi reflétée dans les flux historiques riverains de C, N, et P (1980 – 2020). La précipitation explique le plus les flux de C et les flux de N dans la section pristine. Les apports historiques au territoire de N anthropique (nécessaires pour soutenir la population humaine et les activités agricoles) expliquent fortement la tendance temporelle à la hausse des flux riverains de N dans la section urbaine. Durant les quatre dernières décennies, un peu plus du tiers des apports de N au territoire sont livrés à la rivière annuellement, suggérant que la source urbaine de N anthropique est encore peu gérée. Le manque de corrélation entre les flux de P dans la rivière et les précipitations ou les apports au territoire de P anthropique peut être expliqué par les usines de traitement des eaux usées installées dans la région vers la fin des années 1990 qui ont fait diminuer presque de moitié le P livré à la rivière. La variation de ces flux s’est reflétée dans la stœchiométrie écosystémique historique, qui varie de 130 : 23 : 1 en 1980 à 554 : 87 : 1 en 2007-08 après l’effet de l’usine d’épuration et du N qui a augmenté. À travers les axes historiques, spatiaux, et saisonniers, cette thèse contribue à la compréhension du rôle des rivières dans la réception, la transformation, et l’export du C, N, et P. Combinée aux concentrations, l’approche de stœchiométrie écosystémique propose une façon d’intégrer apports et pertes des éléments pour les étudier de pair au niveau du bassin versant. Puis, comme certaines formes de C, N, et P sont associées à des sources terrestres spécifiques, ou à certains types de transformations, les inclure dans un cadre conceptuel combinant des extrêmes climatiques et des utilisations du territoire différentes offre un aperçu sur le résultat des sources et transformations des éléments. Enfin, les tendances décennales de C, N, et P riverains montrent l’influence des facteurs naturels et anthropiques sur la stœchiométrie écosystémique historique d’une rivière.

Rivers are dynamic ecosystems that receive, transform, and export organic matter that includes carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P). Their high surface of contact between water and sediments offers important potential for transformation processes to occur, which usually include all three elements together. These transformations can remove elements from the water column, thus decreasing their concentrations and leading to improved water quality. However, climatic conditions (discharge, temperature, light), landscape configuration (forest, urbanisation, agriculture), and length of human activities on land affect the quantity, composition, and proportion of C, N, and P delivered to receiving waters. In a context where a surplus of nutrients (N, P) can surpass a river’s capacity to remove elements from the water column, and where climatic extremes are worsening because of climate change, this thesis shines a light on the role of rivers in the dynamics of C, N, and P for a better understanding of lotic ecosystems’ responses to present and future pressures. The Rivière du Nord sequentially drains forested, urban, and agricultural regions, and oscillates between four distinct seasons, exposing it to contrasting land use changes and climatic conditions. We sampled forms of C, N, and P at 13 sites along the mainstem (146 km), once per season for three years. Overall, concentrations of total N and P increased downstream, concurrent with higher human activities in the lower half of the watershed, but total organic C concentrations remained constant regardless of season or year. As a result, C: N: P ecosystem stoichiometry was rich in C compared to N and P upstream, but became enriched in nutrients downstream. Within a single river, the range spanned by the ratios (2319: 119: 1 to 368: 60: 1) almost covered the land – ocean continuum. Different forms of C, N, and P dominated overall stoichiometry depending on season and land use. In summer, upstream N composition was dominated by dissolved organic N and shifted to nitrate downstream. In winter, ammonium and dissolved P were dominant throughout the continuum. Despite constant concentrations, C composition also differed as a function of season and land use. Summer was dominated by microbial humic-like components and winter by bio- and photolabile ones, hinting at the river’s higher transformation potential in the warm season rather than under the ice, where more reactive forms tended to accumulate. Upstream C composition was also distinct from the downstream one, with a unique sharp change between the forested pristine section and the downstream impacted one. This marked shift in composition was not observed in the typical high spring flow, but in the historical flood sampled, we observed new inputs of molecules coming from either previously disconnected terrestrial sources or sewage overflows. The influence of natural and anthropogenic factors was also reflected in the historical riverine loads of C, N, and P (1980 – 2020). Precipitation explained more than half of C loads, and some N loads from the pristine section. Historical anthropogenic N inputs to land (necessary to sustain human population and agricultural activities) strongly explained the increasing trend in riverine N loads from the urban section. In the last four decades, just over a third of anthropogenic inputs to land are loaded to the river annually, suggesting that the urban source of N is still largely uncontrolled. The lack of correlation between riverine P loads and precipitation or anthropogenic P inputs to land could be explained by the installation of wastewater treatment plants in the region at the end of the 1990s, which reduced almost half the amount of P loaded to the river. The variation in riverine loads was reflected in the historical ecosystem stoichiometry, which varied from 130: 23: 1 in 1980 to 554: 87: 1 in 2007-08 due to both the impact of wastewater treatment and increasing N use. With its historical, spatial, and seasonal axes, this thesis contributes to the understanding of the role of rivers on C, N, and P loading, transformation, and export. In combination with concentrations, ecosystem stoichiometry represents an approach to study elements together and integrate their loadings and losses at the watershed scale. Because certain forms of C, N, and P are associated with specific land use sources or certain types of transformation pathways, including them in a conceptual framework that combines climatic extremes and gradients of land uses allows for insight on the net effect of sources of transformations. Lastly, decadal trends of riverine C, N, and P loads will reveal the influence of natural and anthropogenic factors on the historical ecosystem stoichiometry of a river.