Soutenance mémoire
Diatom-based reconstruction of recent paieoenvironmental conditions in Saglek Region, Northern Labrador
Les changements climatiques rapides qui ont cours depuis le début de l’ère industrielle font aujourd’hui consensus au sein de la communauté scientifique internationale (IPCC 2007). L’augmentation des émissions de gaz à effet de serre, conjuguée à la variabilité naturelle du système climatique et à la multitude de mécanismes rétroactifs impliqués (Le albedo), entraîne déjà d’importants changements sur les plans environnemental et climatique. La fonte accélérée du couvert de glace marine en arctique, dont l’étendue a diminuée de 40 % entre 1980 et 2007, ne constitue que l’un des nombreux témoins de ces changements qui surviennent actuellement à l’échelle mondiale (Walter et al, 2006, Overland 2009). Les effets actuels et projetés des changements climatiques devraient, selon plusieurs experts, s’accentuer au cours des prochaines décennies (ACIA 2005), entraînant bon nombre de répercussions sur la santé et l’organisation des écosystèmes et de nos sociétés. Dans le présent contexte où les enregistrements climatiques ont une portée temporelle souvent trop courte (~50 ans) pour permettre la mise en perspective historique des changements observés (Smol 2008), il apparaît essentiel de développer des méthodes alternatives qui puissent fournir de l’information sur l’évolution à long-terme du climat et de ses impacts sur la dynamique des écosystèmes. L’étude des écosystèmes arctiques et subarctiques présente de nombreuses possibilités quant à la reconstitution à long-terme des patrons climatiques en milieux polaires. La grande sensibilité de ces écosystèmes aux variations climatiques et environnementales ainsi que la simplicité des interactions écologiques qui y ont cours, fournissent aux scientifiques des terrains d’étude de grande valeur (Overpeck et al. 1997). Leur éloignement par rapport aux principales sources de pollution anthropique en fait également de précieux témoins des changements climatiques; l’organisation et la structure de ces écosystèmes étant moins susceptibles d’avoir été modifiées par des apports locaux de polluants que leurs équivalents méridionaux. Les lacs et les étangs, omniprésents à travers l’Arctique, sont écologiquement sensibles aux changements climatiques et fournissent ainsi de précieuses informations sur l’évolution passée des conditions environnementales (Rouse et al. 1997). Étant couverts de glace durant la majeure partie de l’année, ces écosystèmes d’eau douce évoluent en étroite relation avec le climat, lequel influe directement sur l’étendue et la persistance du couvert de glace et de neige en été (Michelutti et al. 2007). Sous l’influence de l’actuel réchauffement global, l’évolution de la glace lacustre en Arctique accuse une diminution progressive en termes d’étendue et de durée (Smol et al.2005). En retour, cette réduction de l’étendue et de la durée du couvert de glace tend à affecter les processus de mélange et de stabilité de la colonne d’eau, la profondeur de la zone photique, la longueur de la saison de croissance et la distribution des nutriments, lesquels jouent un rôle structurant dans l’organisation des communautés algales (Smol 2008). Toute modification de ces paramètres limnologiques, intimement liés au contexte climatique en place, est ainsi susceptible d’induire d’importants changements au sein des communautés phytoplanctoniques dont la structure et l’organisation sont étroitement liées à la superficie et la diversité d’habitats disponibles (Rouse et al. 1997, Schindler and Smol 2006). D’autres paramètres environnementaux tels que la densité et le type de végétation établi en bordure d’un plan d’eau, ses propriétés physico-chimiques et l’état de la cryosphère, sont également susceptibles d’influencer l’évolution à long terme des assemblages planctoniques en milieux lacustres (Finney étal. 2004).
Au cours des derniers 150 ans, une modification de la dynamique et de la structure des communautés phytoplanctoniques a été observée dans plusieurs lacs arctiques et subarctiques (Douglas et al. 1994, Smol et al. 2005, Rùhland et al. 2008). Ces changements limnologiques sont cohérents avec le réchauffement contemporain et résultent vraisemblablement de la réduction accrue du couvert de glace en été et de la modification récente des conditionsenvironnementales qui prévalent à l’échelle des bassins versants (Douglas et al. 1994, Overpeck et al. 1997, Sorvari et al. 2002).
Considérant l’importance du réchauffement attendu en Arctique au cours des prochaines décennies et l’intensification de l’exploitation des ressources nordiques, il apparaît essentiel de consolider nos connaissances de l’évolution post-industrielle du climat arctique afin d’évaluer l’ampleur et la nature du réchauffement contemporain par rapport à la variabilité naturelle et historique de ces écosystèmes. Cette mise en perspective des changements récents permettra de définir le contexte climatique qui sous-tend le réchauffement actuel et d’estimer la portée de ses impacts sur les écosystèmes et les populations arctiques et extrapolaires .
Indicateur biologique:
Les études paléolimnologiques fondées sur l’analyse des assemblages sub-fossiles de diatomées offrent un potentiel considérable pour la reconstitution à long-terme des conditions environnementales et climatiques des régions arctiques (Overpeck et al. 1997, Wolfe 2003, Stewart and Lamoureux 2012). Les diatomées (Classe : Bacillariophyceae) sont des algues unicellulaires dont le rôle écologique, à la base de la chaîne trophique, est fondamental dans les écosystèmes aquatiques en régions polaires (Douglas and Smol 1995). L’abondance des diatomées dans les environnements lacustres, leur courte durée de vie, les préférences d’habitats et la tolérance écologique propre à chaque espèce assurent une réponse relativement rapide des communautés de diatomées aux changements limnologiques induits, directement ou indirectement, par des variations environnementales et/ou climatiques (Douglas and Smol 1999, Douglas et al. 2004, Smol and Stoermer 2010). Dotées d’un exosquelette siliceux, le frustule des diatomées, dont la forme, la taille et l’ornementation permettent l’identification jusqu’à l’espèce, sont généralement bien préservées dans les sédiments lacustres. Elles fournissent ainsi d’importantes informations sur la variabilité climatique du passé et permettent de pallier la faible quantité d’enregistrements à long terme actuellement disponible dans les milieux arctiques et subarctiques (Hobbie et al. 2003, ACIA 2005, Smol 2008).
Contexte paléoenvironnemental:
Plusieurs études paléolimnologiques réalisées à travers l’archipel arctique canadien documentent de nombreuses réorganisations limnologiques distinctes survenues au cours de l’Holocène supérieur, lesquelles témoignent de changements environnementaux significatifs. Une première restructuration majeure des assemblages fossiles de diatomées est généralement observée entre 4800 et 2300 cal. BP selon les régions (Wolfe 2003, LeBlanc étal. 2004, Michelutti étal. 2006, Finkelstein and Gajewski 2007). Cette modification significative de la structure des communautés de diatomées, généralement associée à une réduction de la diversité spécifique et de la productivité limnologique, marque vraisemblablement la fin de la période hypsithermique de l’Holocène (HTM – Holocene Thermal Maximum) et le début du refroidissement néoglaciaire dans le Nord-Est de l’Arctique canadien.
Ce refroidissement postglaciaire culmina, dans la plupart des régions, au cours du petit âge glaciaire (LIA – Little Ice Age) (750 à 150 cal. BP), lequel constitue vraisemblablement l’intervalle de temps le plus froid de l’Holocène (Kaufman et al. 2009). Une réavancée circumarctique des glaciers alpins et des calottes polaires est généralement associée à cette période néoglaciaire et témoigne de conditions estivales relativement fraîches à travers l’Arctique (Anderson et ai 2008, Miller et ai 2009). Des études paléolimnologiques récentes ont d’ailleurs relevé une série de changements limnologiques significatifs, survenus entre 1500 et 150 cal. BP et pouvant être associée au LIA (Wolfe 2003, LeBlanc et al. 2004, Michelutti et ai 2006, Finkelstein and Gajewski 2007). L’abondance de diatomées observée dans les sédiments lacustres correspondant à cette période est généralement faible. Une étude menée sur la péninsule de Fosheim dans l’Arctique canadien démontre que les diatomées sont même demeurées absentes des séquences sédimentaires tout au long des derniers 2.5 ka ans et ce, jusqu’à l’avènement de l’ère industrielle (~ 1850 AD) (Perren et ai 2003).
À la suite du LIA, le climat en Arctique s’est rapidement et considérablement réchauffé, si bien que les températures actuelles sont susceptibles d’avoisiner les maxima de températures qui ont vraisemblablement prévalus au cours de PHolocène inférieur (HTM) (Overpeck et ai 1997). Un vaste corpus d’études paléolimnologiques supporte l’évidence d’un tel réchauffement à travers l’Arctique canadien et corrobore les indications climatiques issues des enregistrements et des modélisations climatiques (Douglas et ai 1994, Perren et ai 2003, Wolfe 2003, Michelutti et ai 2006, Antoniades et ai 2007, Finkelstein and Gajewski 2007, Smol and Douglas 2007, Ruhland et ai 2008, Perren et ai 2012, Catalan et ai 2013). Il demeure toutefois certaines régions polaires où l’ampleur des changements climatiques semble avoir été atténuée au cours des dernières décennies, tel est le cas de la portion nord du Québec et du Labrador (Smol et ai 2005).
es études paléoécologiques réalisées dans cette région n’ont effectivement enregistré aucune évidence significative de changements directionnels survenus au sein des communautés biologiques depuis au moins 3000 ans, suggérant ainsi que le climat de la région soit demeuré relativement stable tout au long de l’Holocène supérieur, accompagné d’une légère tendance au refroidissement (Short and Nichols 1977, Lamb 1980, 1984, Engstrom and Hansen 1985, Ponader et al. 2002, Fallu et al. 2005, Viau and Gajewski 2009). Peu d’études paléoenvironnementales ont toutefois porté sur l’évolution récente (~ 250 ans) du climat de la péninsule arctique du Québec/Labrador (Laing et al. 2002, Paterson et al. 2003, Smol et al. 2005, Richerol et al. Submitted). La plupart des projets réalisés dans cette région ont plutôt mis l’accent sur l’Holocène et ainsi, ne permettent qu’une interprétation temporelle limitée (faible résolution) de l’évolution post industrielle du climat dans cette portion de l’Arctique canadien, relativement peu étudiée.
Objectifs de recherche:
Le présent projet vise donc à reconstituer les paléoenvironnements qui ont prévalus au cours des derniers 300 ans dans la région du fjord de Saglek, Nord-Est du Labrador, à partir des séquences sédimentaires de deux lacs subarctiques. Un premier lac est situé en altitude à environ 35 km de la côte et un deuxième, plus près de la mer, se trouve à l’extrémité de la piste d’atterrissage d’une ancienne base militaire (LAB-004 (Oppatik) – 58°25’0.6″N / 63°09’58.6″W; LAB-003 (Killirvïk)- 58°28’8.8″N / 62°38’11.8″W) (noms informels). Ce dernier a subi une contamination aux BPCs (Paterson et al. 2003, Pier et al. 2003). Les objectifs spécifiques de l’étude sont 1) d’évaluer la sensibilité des écosystèmes lacustres et plus particulièrement des communautés de diatomées aux influences environnementales des derniers 300 ans, 2) d’évaluer l’importance relative des changements climatiques postindustriels dans la région et 3) de préciser l’influence plus récente des activités anthropiques sur les écosystèmes lacustres de la région (i.e contamination aux BPCs).
DIATOM-BASED RECONSTRUCTION OF RECENT PALEOENVIRONMENTAL CONDITIONS IN SAGLEK REGION, NORTHERN LABRADOR
Rapid climate changes observed since the start of the industrial era form part of a consensus within the international scientific community that anthropogenic-modification of the climate system is now occurring (IPCC 2007, 2013). A combination of increased greenhouse gas emissions, natural climate variability and positive feedbacks is already causing significant environmental and social change at a global scale. Such generalized trends, however, are neither spatially nor temporally uniform. High-latitude regions, considered exceptionally sensitive to anthropogenic warming due to cryosphere-albedo feedbacks (Overpeck et al. 1997, Smol et al. 2005, Smol and Douglas 2007), have warmed faster over the past decades than lower latitudes (ACIA 2005). Therefore, these highly sensitive ecosystems can provide early indications of the environmental impacts of global warming. Assessing the widening scope of climate change and its consequences for ecosystems and societies requires long-term monitoring data. However, in northern polar regions, long-term instrumental records are generally too sparse and too short (<50 years) to place any observed change into a broader context and consequently, understand the processes involved (Smol 2008). Long-term ecological studies are essential for monitoring global change across the Arctic (Hobbie et al. 2003) for establishing environmental histories in this climatically sensitive area (Douglas etal. 2004).
Lakes and ponds, which are ubiquitous features of these northern environments, can provide reliable regional assessments of environmental change, through the paleolimnological approach. Physical, chemical and biological indicators accumulated within lacustrine sediments provide information about past environments, making remote arctic lakes excellent ecological sentinels (Smol 2008). Diatoms, microscopic siliceous unicellular algae, have proven to be especially effective biomonitors of limnological conditions in Arctic regions (Douglas and Smol 1999, Douglas et al. 2004). Their abundance in freshwater environments coupled with the specific ecological requirements of a number of taxa allows for reconstruction of past environmental conditions in areas where long-term monitoring data are sometimes lacking (Smol and Stoermer 2010).
As part of the ArcticNet project « Nunatsiavut Nuluak : Understanding and responding to the effects of climate change and modernization in Nunatsiavut », the present study aims to reconstruct the environmental conditions of a poorly studied region in the western subpolar north Atlantic, the Nunatsiavut. Here, we present a detailed diatom analysis of recent limnological change in two subarctic lakes from the Saglek area in Northeastern Labrador. Diatom profiles will be placed in local and regional post-industrial context in order to assess the relative importance of recent climate change in this under-studied region.
Paleomagnetism
Paieomagnetic results could not be obtained for Lake LAB003 likely due to the type of minerals found within the sediment record (G. St-Onge, ISMER-UQAR, pers. comm. 2013). Analysis from Lake LAB004 sediment core provided significant and reliable magnetostratigraphic results (MAD values ranging between 1.8 and 4.0° along the entire core). Once the sediment interval corresponding to the RDL was removed, the limited length of the remaining sediment record was shown to be deposited during the late Holocene however there could not be a direct linking of this paieomagnetic data to regional and global models (CALS3k4 (Korte and Constable 2011), CALSIOk (Korte et al. 2011) and Eastern Canadian stack (Barletta et al. 2010b)). As such, the basal age for the core and the amount of erosion from the RDL emplacement could not be determined. Paieomagnetic analyses performed on other sediment sequences recovered from the Saglek area (unpublished data) support our estimations for the sedimentation rates of the upper portion of the Lake LAB004 record.
RÉSUMÉ ET CONCLUSIONS GÉNÉRALES
Le présent projet a été réalisé dans le cadre d’un volet de recherche du réseau ArcticNet, dont l’objectif vise à comprendre puis à répondre aux effets des changements climatiques et de la modernisation au Nunatsiavut. Plus précisément cette étude visait à rendre compte de la variabilité climatique des derniers 300 ans et de la modification subséquente des écosystèmes aquatiques de cette région relativement peu étudiée. Le nombre d’études paléoécologiques qui ont portées sur l’évolution récente (~ 200 ans) des conditions climatiques et environnementales au Labrador est effectivement limité (Laing et al. 2002, Paterson et al. 2003, Richerol et al. Submitted). La plupart des projets réalisés dans la région ont plutôt mis l’accent sur l’ensemble de l’Holocène, ne permettant qu’une interprétation temporelle limitée (faible résolution) de l’évolution post-industrielle du climat de la région (Short and Nichols 1977, Lamb 1980, 1984, Engstrom and Hansen 1985, Fallu et al. 2005, Viau and Gajewski 2009).
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Table des matières
CHAPITRE 1 : Introduction générale
Introduction
Indicateur biologique
Contexte paléoenvironnemental
Objectifs de recherche
CHAPITRE II : Diatom-based reconstruction of recent paieoenvironmental conditions in Saglek Region, Northern Labrador
Introduction
Study area
Materials and methods
Results
Discussion
Conclusions
CHAPITRE III : Résumé et conclusions générales
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