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Département de Biologie, Chimie et Géographie
Mémoire de baccalauréat
La biogéochimie du couvert nival Mont-Lebel, Bas-Saint-Laurent (Qc)
Travail réalisé dans le cadre du cours Mémoire de baccalauréat
GÉO-410-01
Pour
M. Simon Bélanger
Professeur en géographie
Par
Nicholas Fecteau
Université du Québec à Rimouski
7 mai 2010
2
I. TABLE DES MATIÈRES
I. TABLE DES MATIÈRES .......................................................................................... 2
II. LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................... 4
III. LISTE DES FIGURES ........................................................................................... 4
IV. LISTE DES ANNEXES ......................................................................................... 6
1. RÉSUMÉ .................................................................................................................... 7
2. INTRODUCTION ...................................................................................................... 7
2.1. Objectif principal ................................................................................................ 12
2.1.1. Objectifs spécifiques ....................................................................................... 12
2.2. Hypothèse ........................................................................................................... 13
3. LOCALISATION, DESCRIPTION DES SITES ..................................................... 13
4. MATÉRIEL ET MÉTHODES .................................................................................. 16
4.1. Échantillonnage .................................................................................................. 17
4.1.1. Couvert de neige ......................................................................................... 18
4.1.1.1. Profils de neige .................................................................................... 18
4.1.1.2. Capteurs de températures ..................................................................... 19
4.1.1.3. Prélèvement de neige pour les mesures biogéochimiques ................... 19
4.1.2. Petite rivière Neigette ................................................................................. 20
4.1.2.1. Mesures de débits ................................................................................ 20
4.1.2.2. Prélèvement d’eau pour les mesures biogéochimiques ....................... 20
4.2. Filtrations ........................................................................................................... 21
4.2.1. Décongélation des échantillons ................................................................... 22
4.2.2. Description des échantillons ....................................................................... 22
4.3. Mesures des propriétés optiques ........................................................................ 22
3
4.3.1. Spectrofluorimétrie ..................................................................................... 23
4.4. Nutriments .......................................................................................................... 24
4.5. Carbone organique dissous (COD) .................................................................... 24
5. RÉSULTATS ET DISCUSSION ............................................................................. 25
5.1. Profils physiques de neige .................................................................................. 25
5.2. Débits ................................................................................................................. 29
5.3. Fluorescence ....................................................................................................... 30
5.3.1. Couvert de neige ......................................................................................... 30
5.3.2. Rivière ......................................................................................................... 34
5.4. Nutriments et carbone organique dissous (COD) .............................................. 37
5.4.1. Couvert de neige ......................................................................................... 37
5.4.2. Rivière ......................................................................................................... 44
5.5. Critique de la méthodologie ............................................................................... 46
6. CONCLUSION ............................................................................................................. 47
7. REMERCIEMENTS ..................................................................................................... 49
8. RÉFÉRENCES ............................................................................................................. 50
9. ANNEXES .................................................................................................................... 56
4
II. LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : Processus biologiques observés à des températures précises selon une revue
de littérature ...................................................................................................................... 10
Tableau 2: Caractéristiques chimiques de la neige de quelques stations de l'Hémisphère
Nord .................................................................................................................................. 11
Tableau 3 : Position des pics de fluorescence pour la MOD identifié dans les travaux
antérieurs. .......................................................................................................................... 12
III. LISTE DES FIGURES Figure 1 : Le couvert de neige comme objet d’interaction entre le cycle de l’eau et le
cycle des nutriments. ........................................................................................................... 8
Figure 2 : Localisation du bassin versant de la rivière Mitis (7) ...................................... 14
Figure 3 : Bassin versant de la rivière Mitis, localisation spécifique du sous-bassin
versant de la Petite rivière Neigette .................................................................................. 15
Figure 4 : Localisation des trois sites d'étude sur le terrain .............................................. 15
Figure 5 : Photos des trois sites à l'étude : A) Site Ouvert, B) Site Forêt et C) Site Rivière
........................................................................................................................................... 16
Figure 6 : Paramètres mesurés et présentés (en rouge) dans le cadre de ce travail .......... 17
Figure 7 : Patron des températures du couvert de neige pour la période du 22 février au 26
avril 2010 couplé aux données de températures de l'air prises par les iButton. Les courbes
bleue, jaune et rouge correspondent respectivement aux températures minimum, moyenne
et maximum de l’air. Le pointillé noir indique la période approximative où la fonte
printanière est amorcée : elle sépare les 2 principales périodes soit (A) l’accumulation de
neige où la stabilité du couvert dom ine et (P) la perte soutenue du couvert de neige. ..... 27
Figure 8 : Patron de la densité du couvert de neige pour la période du 22 février au 26
avril 2010 .......................................................................................................................... 27
5
Figure 9 : Patron de la densité du couvert de neige pour la période du 22 février au 26
avril 2010 couplée aux courbes de températures moyennes de l’air (jaune) et de la neige
prises par les iButton à 2 cm dans le sol (beige) et à des hauteurs de 25 (brune), 50 (grise)
et 75 cm (noire). ................................................................................................................ 28
Figure 10 : Patron de la densité du couvert de neige pour la période du 22 février au 26
avril 2010 couplé aux courbes minimum (bleue) et maximum (rouge) de températures de
la neige prises par le iButton à une hauteur de 75 cm. Pointillés : jaune (position du
iButton); noir (le moment où l’épaisseur du couvert est inférieure à la position du
iButton). ............................................................................................................................ 28
Figure 11 : Patron de la densité du couvert de neige pour la période du 22 février au 26
avril 2010 couplé à l’équivalent en eau de la neige. ......................................................... 29
Figure 12 : Courbe des débits de la rivière Rimouski (à 3,7 km en amont du pont de la
route 132) pour la période du 22 février au 26 avril 2010. Les pointillés correspondent
aux pics de crue de fonte. .................................................................................................. 29
Figure 13 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour les séries
verticales du 22 février 2010 pour le site Forêt et le site Ouvert. ..................................... 32
Figure 14 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour les séries
verticales du 18 avril 2010 pour le site Forêt et le site Ouvert. ........................................ 33
Figure 15 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour les séries
verticales du 26 avril 2010 (site Forêt) et 23 avril 2010 (site Ouvert). ............................. 34
Figure 16 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour la période du
22 février au 26 avril 2010 du site Rivière de la Petite rivière Neigette ........................... 36
Figure 17 : Patron des concentrations de phosphates dans le couvert de neige pour la
période du 22 février au 26 avril 2010 pour les sites Ouvert et Forêt. ............................. 38
Figure 18 : Patron des concentrations de nitrates dans le couvert de neige pour la période
du 22 février au 26 avril 2010 pour les sites Ouvert et Forêt. .......................................... 40
Figure 19 : Patron des concentrations de carbone organique dissous (COD) dans le
couvert de neige pour la période du 22 février au 26 avril 2010 pour les sites Ouvert et
Forêt. ................................................................................................................................. 42
6
Figure 20 : Concentrations des nitrates (A), phosphates (B) et de carbone organique
dissous (C) du couvert de neige pour la période du 22 février au 26 avril 2010 pour le site
Ouvert. Les valeurs sont exprimées en µmol L-1 de neige fondue. .................................. 43
Figure 21 : Concentrations des nitrates (D), phosphates (E) et de carbone organique
dissous (F) du couvert de neige pour la période du 22 février au 26 avril 2010 pour le site
Forêt. Les valeurs sont exprimées en µmol L-1 de neige fondue. .................................... 44
Figure 22 : Concentrations des nitrates (A), phosphates (B) et de carbone organique
dissous (C) de la Petite rivière Neigette pour la période du 22 février au 10 août 2010 au
site Rivière. La bande rouge pâle et la bleue représentent respectivement le premier et le
second pic de crue (Figure 12). La largeur des bandes indique la durée des pics. Le
pointillé marque le moment où le couvert de neige disparaît. .......................................... 46
IV. LISTE DES ANNEXES
Annexe 1: Protocole de lavage du matériel d'échantillonnage explicitement inspiré de
celui du laboratoire de recherche de M. Richard Saint-Louis, ISMER. ........................... 56
Annexe 2 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour la série
verticale du 21 mars 2010 pour le site Ouvert. ................................................................. 57
Annexe 3 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour la couche 10-
30 cm de neige du 3 avril 2010 du site Forêt. ................................................................... 58
Annexe 4 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour la série
verticale du 9 avril 2010 (site Forêt) et pour la couche 30-46 cm de neige (site Ouvert). 58
Annexe 5 : Protocole de l’analyse de la fluorescence avec le Perkin-Elmer LS 45
Fluorescence Spectrometer (Nicholas Fecteau, juin 2008). ............................................. 59
7
1. RÉSUMÉ La composition du couvert nival est complexe. L’influence qu’elle a sur son
environnement est peu documentée du point de vue biogéochimique. Les connaissances
de sa dynamique sont nécessaires pour mieux saisir sa contribution dans les cycles
biogéochimiques. L’objectif principal de cette recherche est de comprendre le rôle de la
dynamique du couvert nival sur les flux de matières organiques dissous et de nutriments
en milieu tempéré froid. La campagne terrain s’est déroulée du 22 février au 26 avril
2010 au Mont-Lebel, Bas-Saint-Laurent (Québec). Des profils physiques (épaisseur du
couvert, températures, densité) et biogéochimiques (fluorescence, phosphates, nitrates,
carbone organique dissous) du couvert neige ont été faits sur un site ouvert et un en forêt.
Le même suivi biogéochimique a été fait sur la Petite rivière Neigette afin de comprendre
les relations entre les extrants du couvert de neige et les intrants dans le cours d’eau. Les
analyses spectrofluorométriques de la matière organique dissoute et le dosage de
nutriments et de carbone organique dissous ont été effectués en laboratoire. Les
principaux résultats indiquent que les apports de phosphates atmosphériques au couvert
de neige sont négligeables. Les nitrates atmosphériques sont plus importants que ceux
introduits par la base du couvert et plus significatifs en milieu forêt. Le carbone
organique dissous du couvert nival est en général nettement supérieur pour le site en forêt
et ses apports atmosphériques sont moins importants que ceux mesurés à la base du
couvert de neige. Finalement, les pics de crues printaniers de la rivière Rimouski
coïncident avec les pics de concentration des sels nutritifs et matières organiques
dissoutes. Les résultats auront permis de soulever que la composition biogéochimique du
couvert de neige joue un rôle prédominant sur celle du cours d’eau en période de fonte et
conditionne probablement l’état de la rivière pendant le reste de la saison.
2. INTRODUCTION
Une étude ciblée sur les forêts de feuillus du New Hampshire a montré que le moment
d’arrivée du couvert, sa présence et son épaisseur sont des éléments régulateurs d’au
moins cinq paramètres : la température du sol, la dynamique microbienne et racinaire, le
cycle des nutriments, l’acidification de l’eau et les flux de gaz du sol vers l’atmosphère
8
(Groffman et al., 1999). À son maximum de développement, le couvert nival peut
recouvrir plus de la moitié du territoire de l’hémisphère nord (Edwards et al., 2007) et au
moins 10 % est recouvert de septembre à avril (Armstrong et Brodzik, 2002). La fonte
printanière dans cet hémisphère représente un événement hydrologique annuel dominant.
Dans un contexte de changements climatiques, les quantités ainsi que les patrons
d’accumulation et de fonte de la neige seront modifiés. Des conséquences majeures et
directes de ces perturbations se répercuteront sur les cycles biogéochimiques et
hydrologiques respectivement sur les quantités de nutriments présents et la hausse
d’événements gel/dégel ainsi que sur la fréquence et l’intensité du ruissellement des eaux
de fonte. Sachant que la composition du couvert nival dépend des échanges qu’il effectue
avec son milieu (atmosphère, biosphère), que son contenu participe au cycle de l’eau et
que sa présence engendre une interaction avec le sol (Figure 1 : Kuhn, 2001),
l’approfondissement des connaissances en milieu nival prend sa pertinence.
L’accumulation de matières dans le couvert de neige et leur transformation ont un rôle
sur l’environnement, mais à quel niveau ?
Figure 1 : Le couvert de neige comme objet d’interaction entre le cycle de l’eau et le cycle des
nutriments.
(Source : Kuhn. 2001)
Une revue de littérature préliminaire a permis de constater que les connaissances du rôle
de la dynamique du couvert nival (c.-à-d. épaisseur, contenu en eau, vitesse
d’accumulation et de fonte, etc.) sur les flux de matières organiques dissoutes (MOD) et
de nutriments sont très peu documentées. En effet, le couvert de neige constitue un milieu
d’échanges avec l’atmosphère (Dominé et Shepson, 2002) et le sol où les composés
(carbone (C), azote (N) et phosphore (P)) s’accumulent au fil de la saison nivale
(Edwards et al., 2007). En période de fonte, l’eau de ruissellement devient un moyen de
9
transport efficace pour ces composés. Par exemple, Finlay et al. ont observé que 55 %
des flux annuels de carbone organique dissous (COD) dans les cours d’eau arctiques ont
lieu durant la période de fonte, soit en quelques semaines. Les concentrations de nitrates
sont notées plus élevées au printemps en raison de la fonte du couvert de neige et plus
faibles pendant l’été lors de l’étiage (Mitchell et al., 1993). Ce réservoir peut représenter
jusqu’à de 80 % de l’eau annuel et 50 % des dépôts d’azote atmosphérique de basse et
haute altitudes, ce qui signifie un largage massif au moment de la fonte (Johannessen et
Henriksen, 1978; Brooks et Williams, 1999). Il représente environ 14 à 101 % du
potentiel total des apports atmosphériques d’azote et jusqu’à 30 % des apports nets
d’azote minéralisé provenant de la matière organique du sol (William D. Bowman, 1992).
Ce réservoir d’azote dans le couvert nival représente une source potentielle d’azote pour
le support de croissance des plantes au moment de la fonte. Des profils verticaux de
concentrations d’azote indiquent des migrations vers le bas de ces composés lors du début
de fonte printanier, ce qui signifie qu’ils sont rapidement évacués (William D. Bowman,
1992). Le couvert de neige peut accumuler des quantités significatives de matières
dissoutes et particulaires en provenance de dépôts atmosphériques, des taux variant dans
le temps en fonction de la direction des masses d’air et des types de front (Tableau 2 :
Edwards et al., 2007). Les concentrations de nitrates (NO3-) peuvent varier de 0.2 à 13.4
µeq L-1 (où 1.00 µeq L-1 de NO3- = 60.00 µg L- NO3
-).
Le couvert de neige joue également un rôle thermique. Il permet au sol de maintenir des
températures propices au maintien de la vie. Une épaisseur de 30 à 40 cm de neige est
suffisante pour différencier significativement les températures du sol et de l’air et de
permettre aux températures du sol de se maintenir près de 0 °C (Cline, 1995). Des
processus biologiques peuvent donc avoir lieu par la capacité isolante de la neige. Par
exemple, la minéralisation de la matière organique en éléments nutritifs a été observée
sous le couvert (Bowman, 1992; Walker et al., 1994; Winston et al.,1995) en plus d’une
transformation des composés azotés en nitrates par l’activité hétérotrophe à des
températures de -2 à 1.1 °C (Cline, 1995). Aussi, la biodégradation du C à des
températures jusqu’à -6 °C a aussi été notée (Tableau 1 : Rike et al., 2005).
10
Les flux de gaz carbonique et nitreux, la minéralisation nette de l’azote et la hausse de la
biomasse microbienne à l’interface sol-neige non gelée sont des indices d’activité
microbiologique hétérotrophe dans le couvert nival (Sharma et al., 2006). Le taux
d’activité microbiologique hétérotrophe dans les sols alpins couverts de neige peut être
suffisant pour influencer le cycle du C et du N avant que les plantes terrestres deviennent
entièrement actives au printemps (Sharma et al., 2006). Les bactéries hétérotrophes,
organismes utilisant des substrats organiques préformés comme principale source de C et
libérant du CO2, de l’eau et d’autres composés inorganiques, dégradent la matière
organique contenue à l’interface neige-sol au cours de l’hiver tout en consommant une
partie de l’oxygène présent (Bowman, 1992; Walker et al., 1994; Winston et al., 1995).
L’ensemble de ces résultats montre l’importance du couvert de neige sur la régulation
thermique du sol en plus de signifier son rôle prédominant sur l’activité biologique
nivale.
Les conclusions d’une étude dans les forêts du nord-est des États-Unis suggèrent que le
couvert de neige et le gel du sol sont des régulateurs de la disponibilité de l’azote et du
largage des solutés vers les ruisseaux (Groffman et al., 1999). L’important gel du sol en
décembre 1989 aurait été la cause de la hausse régionale du NO3- dans les cours d’eau du
nord-est des États-Unis pendant l’été 1990 (Mitchell et al., 1996).
Tableau 1 : Processus biologiques observés à des températures précises selon une revue de littérature
(Source : Edwards et al., 2007)
11
Tableau 2: Caractéristiques chimiques de la neige de quelques stations de l'Hémisphère Nord
(Source : Edwards et al., 2007)
La composition de l’eau de fonte n’est pas constante et varie dans le temps. Les premiers
30 % de l’eau de fonte contient entre 50 et 80 % de la quantité totale de soluté du couvert
original (Johannessen et Henriksen, 1978). L’apport important d’acides nitriques et
sulfuriques contenus dans l’eau de fonte cause une acidification des ruisseaux et lacs
(Helliwell et al., 1998). Au printemps, il existe une compétition entre le système racinaire
des plantes et les microbactéries du sol au niveau de l’absorption de l’azote. Cette
compétition diminue avec le déclin de l’activité microbiologique amorcé par la fonte
favorisant la hausse du potentiel d’absorption par les plantes (Brooks et al., 1998).
Cependant, un export rapide du NO3- du sol vers les cours d’eau peut avoir lieu en
l’absence de plantes servant à le fixer (Vitousek et Melillo, 1979).
Le carbone organique dissous (COD) et la matière organique dissoute (MOD) sont
présents en fortes concentrations des les premiers horizons du sol (Thurman, 1985 in
Boyer et al., 1997). La source primaire de COD allochtone dans les cours d’eau d’un
bassin versant provient de la décomposition de la végétation et du lessivage du sol (Boyer
et al., 1997). La matière organique dissoute (MOD) dans le couvert de neige a cependant
été peu étudiée. Cependant, des études spécifiques sur la MOD des cours d’eau et milieux
océaniques ont permis de catégoriser les différentes matières mesurées et de les classer
selon la position de leur pic de fluorescence (Tableau 3).
12
Tableau 3 : Position des pics de fluorescence pour la MOD identifié dans les travaux antérieurs.
(Source : Stedmon et al., 2003)
La dynamique du couvert nival semble jouer un rôle crucial dans la mobilisation du C, N
et P en période de fonte par l’export massif de matières organiques et inorganiques vers
les cours d’eau (Johannessen et Henriksen, 1978). Considérant l’impact des changements
climatiques sur les patrons et volumes du couvert de neige en milieu tempéré froid, la
connaissance de la dynamique du couvert nival devient nécessaire pour mieux saisir son
rôle sur les cycles biogéochimiques.
2.1. Objectif principal
L’objectif principal de cette recherche est de comprendre le rôle de la dynamique du
couvert nival sur les flux de matières organiques dissoutes et de nutriments en milieu
tempéré froid.
2.1.1. Objectifs spécifiques
Ce travail est dans une optique de monter une base de données pour comprendre
l’évolution du couvert de neige :
- Sur les sites Ouvert et Forêt ;
- Sur son épaisseur ;
- Au cours de la saison d’accumulation et de la fonte.
Excitation max (nm) Émission max (nm)
13
Aussi, cette recherche tentera de comprendre les transferts de matières du couvert nival
d’un milieu ouvert et forestier vers les cours d’eau. Les résultats de ce travail serviront de
prémisses à l’élaboration de méthodes efficaces et valides pour les campagnes terrain du
mémoire de maîtrise qui débutera en automne 2010.
2.2. Hypothèse
L’hypothèse qui sera vérifiée au cours de cette étude est qu’à la crue printanière dans les
rivières est associée un pic de concentrations de nutriments et de matières organiques
dans le cours d’eau.
3. LOCALISATION, DESCRIPTION DES SITES
La campagne terrain s’est déroulée au Mont-Lebel qui fait partie du secteur sud de
Rimouski au Bas-Saint-Laurent (Québec). Les sites d’études sont précisément à 14 km au
sud de l’estuaire du Saint-Laurent. La prise de données s’est effectuée sur trois sites
différents et dans un rayon d’environ 100 m (Figure 4). Ils sont situés sur le bassin
versant de la Petite rivière Neigette, un sous bassin versant de la rivière Neigette. Cette
dernière se jette dans la rivière Mitis avant de rejoindre l’estuaire du Saint-Laurent à la
hauteur de la municipalité de Mitis (Figure 2).
Le site Ouvert (Figure 5A) est un champ plat d’herbes hautes exempt d’arbre et arbuste
d’une superficie d’environ 100 m2. Son côté nord fait face à une forêt dont les premiers
15 mètres sont des mélèzes d’une hauteur moyenne de 6 à 9 mètres. Ses côtés est et sud
plongent de quelques mètres d’altitudes vers une route (Chemin du Rang double) située à
une trentaine de mètres et sont recouverts d’épinettes blanches et pins blancs de
plantation d’une hauteur moyenne variant de 2 à 3 m. Le côté ouest est bordé par un petit
chalet. Le site Forêt (Figure 5B) est situé à une trentaine de mètres au nord-ouest du site
Ouvert. Il est à composition 60 % de mélèzes, 15 % de sapins, 15 % de cèdres et 5 %
d’aulnes et autres arbustes. La hauteur moyenne des conifères varie de 6 à 15 m. La
densité de recouvrement est d’environ 60 %. Le site Rivière (Figure 5C) est situé sur la
Petite rivière Neigette à environ 100 m au sud-est du site Ouvert. Le site est positionné à
14
mi-chemin entre sa source et son exutoire. Ce cours d’eau s’écoulant du sud-ouest au
nord-est sur un tracé de 22 km de longueur. Ce bassin versant est boisé à près de 75 % et
la majorité du territoire restant est à vocation agricole (Figure 4).
Figure 2 : Localisation du bassin versant de la rivière Mitis (7)
(Source : www.mddep.gouv.qc.ca/eau/bassinversant/regionshydro/)
15
Figure 3 : Bassin versant de la rivière Mitis, localisation spécifique du sous-bassin versant de la Petite
rivière Neigette
Figure 4 : Localisation des trois sites d'étude sur le terrain
16
Figure 5 : Photos des trois sites à l'étude : A) Site Ouvert, B) Site Forêt et C) Site Rivière
(Photos : Nicholas Fecteau, 2009)
4. MATÉRIEL ET MÉTHODES
Cette section présente les principales méthodes ainsi que le matériel nécessaire pour
l’acquisition des différentes données. La figure 6 présente le schéma de l’ensemble des
paramètres mesurés pour la réalisation de ce travail. La section de gauche illustre les
mesures physiques du couvert de neige en plus d’intégrer les paramètres des températures
du sol et de l’air. La section de droite est spécifique aux mesures optiques et à la
composition chimique du couvert de neige et de la Petite rivière Neigette. Les encadrés
en rouge sont les paramètres qui seront présentés et discutés dans ce mémoire. Les autres
paramètres ne pourront être présentés par faute de temps. Cependant, ils seront traités
dans le cadre de ma maîtrise qui débutera en automne 2010.
A B
C
17
Figure 6 : Paramètres mesurés et présentés (en rouge) dans le cadre de ce travail
4.1. Échantillonnage
La campagne terrain s’est déroulée sur deux années consécutives : printemps 2008 et
hiver-printemps 2009. Pour l’année 2008, l’échantillonnage s’est limité aux mesures
physiques du couvert de neige tandis qu’en 2009, des prélèvements de neige voués à des
tests biogéochimiques ont été faits. La campagne 2008 a débuté le 27 mars pour se
terminer le 27 avril. La campagne 2009 a débuté le 22 février pour se terminer le 26 avril.
À partir du 22 février 2009, des prélèvements d’eau de la Petite rivière Neigette à une
fréquence hebdomadaire sont effectués. La campagne s’est arrêtée au moment où le
couvert de neige a été complètement fondu, soit à la fin avril 2010. Il est à noter que pour
tous les paramètres, seuls les résultats de la seconde année terrain seront présentés dans
ce mémoire.
Les échantillons de neige et d’eau de rivières ont été congelés à -22 °C sans être filtrés.
Ils ont été décongelés au moment où ils ont été traités selon le protocole décrit plus loin.
18
4.1.1. Couvert de neige
Les mesures de profils du couvert de neige se sont déroulées du 24 mars au 27 avril 2008
pour les sites Ouvert et Forêt. Les mesures de profils pour l’année 2009 ont débuté le 22
février pour se terminer le 26 avril pour les deux sites aussi. La prise de données s’est
généralement déroulée entre 11h et 14h pour coïncider avec la période de la journée avec
le plus d’ensoleillement. La fréquence des prélèvements de neige pour la campagne 2008
était de trois à quatre jours en période d’accumulation et de un à deux jours en période de
fonte. Comme la campagne a débuté plus tôt en 2009, les premiers prélèvements étaient
hebdomadaires. Ils ont repris le même rythme que la campagne 2008 au moment où les
dates des mesures terrain de 2009 et 2010 se sont chevauchées.
4.1.1.1. Profils de neige
Les profils verticaux ont servi à mesurer la température et la masse de chaque couche de
10 cm du couvert de neige. Combinées à ces données, les températures du sol et de l’air
ont été mesurées. Aussi, le dénombrement, la localisation et l’épaisseur des couches de
glace ont été notés.
Les profils ont été réalisés sur chaque site à l’endroit le moins affecté par les vents ou
autres perturbations et où le sol état le plus plat. Un trou vertical a été creusé dans la
neige pour rejoindre le sol de façon à obtenir un mur perpendiculaire à celui-ci. Ensuite,
la règle pouvait être placée pour mesurer l’épaisseur, positionner les couches de glace
ainsi que le thermomètre à aiguille (précision ±0,5 °C) à chaque 10 cm. À partir d’une
pelle triangulaire en acier inoxydable d’un volume d’un litre, un prélèvement de neige a
été fait à chaque 10 cm. Le premier centimètre du sol n’était pas toujours prélevé en
raison de la micro topographie du sol et même que des particules du sol ont parfois été
arrachées par un passage trop près de la surface. Chaque prélèvement a été pesé sur place
avec une balance. En connaissant le volume et la masse de chacun, la densité a pu ensuite
être calculée.
19
4.1.1.2. Capteurs de températures
Les capteurs de températures ont servi à relever les températures horaires de la neige, de
l’air et du sol. Pour l’année 2008, les sites Ouvert et Forêt comprenaient chacun cinq
Temperature Logger iButton Thermochron DS1922L. Quatre capteurs ont été installés sur
une tige verticale aux positions 25 cm, 50 cm, 75 cm et 100 cm. Un capteur a été
positionné, pour chaque site, dans un arbre à l’abri des rayons directs du soleil pour
prendre la température de l’air. La méthode pour l’année 2009 est la même à l’exception
qu’il n’y a pas de capteur de températures à la hauteur de 100 cm, mais plutôt dans le sol
à une profondeur de 2 à 3 cm.
4.1.1.3. Prélèvement de neige pour les mesures biogéochimiques
La campagne 2009 a été bonifiée par l’échantillonnage des couches du couvert nival pour
des mesures biogéochimiques. Des bouteilles de Nalgène de 500 ml à large goulot ont été
utilisées pour récolter la neige. Les bouteilles ont été lavées selon le protocole du
laboratoire de M. Richard Saint-Louis, agent de recherche en chimie (Annexe 1) puis
rincées sur place avec la neige de la couche respective à échantillonner. Lors du
prélèvement de neige avec la pelle triangulaire pour déterminer la densité de la couche, la
neige a été récupérée dans la bouteille, identifiée et mise au frais, à l’abri des rayons du
soleil.
Les prélèvements ont été faits le 22 février, 21 et 27 mars et le 3, 9, 18, 23 et 26 avril
pour le site Forêt et aux mêmes dates pour le site Ouvert à l’exception du 26 avril en
raison que le couvert était devenu absent à cette date. Pour le 22 février, les couches 0 à
10 cm, 10 à 30 cm, 30 à 50 cm, 50 à 70 cm et 70 à 100 cm ont été prélevées pour les deux
sites. Cette grande résolution a permis, suite à quelques analyses préliminaires des
résultats, de regrouper les couches similaires par leur contenue et leurs concentrations de
MOD. Donc pour les autres journées de mesures, un prélèvement a été fait dans les
couches 0 à 10 cm, 30 à 50 cm et 50 cm jusqu’au sommet du couvert.
20
4.1.2. Petite rivière Neigette
Le suivi de la Petite rivière Neigette a été intégré au projet avec la seconde campagne
terrain. Le suivi des débits et les prélèvements d’eau permettront un suivi biogéochimique
du cours d’eau.
4.1.2.1. Mesures de débits
Le suivi des débits a eu lieu uniquement à la seconde campagne. Des Hobo Water Level
Logger ont été installés avant l’apparition du couvert de neige : un à l’air libre servant à
mesurer la pression atmosphérique et l’autre dans l’eau servant à mesurer les variations
de pression de l’eau. Ceci permet de soustraire la pression exercée par l’atmosphère pour
ne conserver que les variations de la pression de l’eau ensuite convertie en hauteur d’eau
(cm). Avec un profil transversal du cours d’eau, le débit peut être calculé. Cependant,
comme les niveaux d’eau sont très faibles durant l’hiver et que le couvert de glace occupe
la presque totalité du périmètre mouillé du cours d’eau, ces mesures de débits ne sont
valides qu’avant et après la présence du couvert de glace. Donc elles n’ont pu être utiles
pour ce travail. Il a fallu se reposer sur les valeurs de débits mesurées par la station de la
rivière Rimouski. Aussi, des mesures de débits ont été effectuées à partir d’un
courantomètre mesurant la vitesse de l’écoulement (cm/s) à une profondeur de 40 % de la
hauteur de la colonne d’eau mesurée. La section transversale a été séparée en plusieurs
parcelles et la vitesse de l’écoulement de chacune a été mesurée. Ceci a permis de
calculer un débit parcellaire et leur somme a permis d’obtenir un débit total. Des mesures
de ce genre ont été faites pendant les pics de crues et la période d’étiage.
4.1.2.2. Prélèvement d’eau pour les mesures biogéochimiques
Les prélèvements d’eau ont débuté le 22 février et ont terminé à la fin avril 2010, au
moment où le couvert de neige a disparu complètement. La fréquence hebdomadaire des
prélèvements a permis la récolte de plus de 60 données. Les mêmes bouteilles de
prélèvements de la neige ont été utilisées. Pour chaque prélèvement, la bouteille a été
rincée trois fois sur place avec l’eau de la rivière. Ensuite, elle a été plongée dans l’eau à
une profondeur où le goulot est à un minimum de 3 à 4 cm de la surface pour éviter
21
l’entrée de particules flottantes et afin de la remplir jusqu’à 3 cm du goulot. Ces
bouteilles sont ensuite identifiées, mises au frais et à l’abri de la lumière jusqu’à leur
arrivée au laboratoire.
4.2. Filtrations
La filtration des échantillons s’est effectuée sur des filtres GF/F 25 mm en fibre de verre.
Ceci a permis d’une part à retenir les matières particulaires et d’autre part à retirer toutes
matières dissoutes et colloïdales supérieures à 0.7 µm. De plus, une importante fraction
des bactéries ou organismes pouvant dégrader la matière a pu être enlevée. Cependant,
comme ils peuvent atteindre des tailles aussi petites que 0,45 µm, le contenu des
échantillons a pu évoluer entre le moment de filtration et celui des mesures.
Les échantillons ont passé sur un montage de filtration à pression réduite. La première
moitié des échantillons a été filtrée sur un montage de base : erlenmeyer de 1000 mL à
deux embranchements, entonnoir de porcelaine avec un caoutchouc étanche, un
erlenmeyer de sécurité et une pompe pour créer un vide. La seconde moitié des filtrations
s’est faite avec une tulipe de filtration en verre et utilisant le même erlenmeyer.
Les filtres ont été pliés en deux et mis dans une plaque de Pétri avec couvercle, ensuite
emballés dans un papier d’aluminium, identifiés puis mis au congélateur pour des
analyses du carbone et azote particulaires. En moyenne 300 mL de filtrat ont été
récupérés pour chaque échantillon et sur celui-ci :
- 125 mL ont été récupérée dans une bouteille de pyrex pour les mesures
d’absorbance et de fluorescence ;
- 45 mL ont été répartis sur trois tubes de plastique de 15 mL chacun et serviront à
la quantification des concentrations des nutriments ;
- 10 mL ont été répartis sur deux tubes de pyrex de 5 mL chacun destinés à la
quantification des concentrations de carbone organique dissous ;
- 50 mL ont été partagés sur deux tubes de pyrex de 30 mL chacun pour la
quantification des concentrations de l’azote et du phosphore organiques dissous.
22
Il est à noter que par faute de temps, la quantification du carbone et azote particulaires et
de la concentration de l’azote et phosphore organiques dissous pour chaque échantillon
n’a pas été faite pour ce mémoire. Les filtres sont conservés à -22 °C, prêts à être
analysés et les échantillons pour le DON et DOP ont subi une oxydation de persulfate, ce
qui a stabilisé l’échantillon. Ils devront cependant être passés à l’autoclave avant d’être
analysés.
4.2.1. Décongélation des échantillons
Les bouteilles de neige ou d’eau de rivière ont été décongelées dans les deux heures
précédent la filtration. Un bain thermostaté à 20 °C a permis une décongélation rapide à
température pièce. Les filtrations ont cependant été faites sans que la température des
échantillons soit équivalent à celle ambiante.
4.2.2. Description des échantillons
Le volume filtré pour chaque échantillon a été noté dans un tableur Excel au nom
respectif de l’échantillon. Aussi, une description sommaire du contenu du filtre a été
faite. Par exemple, des collemboles ou petites araignées ont été identifiés sur plusieurs
filtres. Le temps de filtration a aussi été un élément qui a été noté afin de savoir si le filtre
s’est colmaté rapidement, ce qui indique qualitativement la concentration des matières en
suspension dans l’échantillon.
4.3. Mesures des propriétés optiques
La spectrométrie est l’une des mesures optiques largement utilisées en laboratoire et sert
à l’identification et le dosage de molécules organiques et inorganiques. Les mesures
optiques effectuées pour ce travail ont été la spectrométrie d’absorbance
(spectrophotométrie) et la spectrométrie de fluorescence (spectrofluorimétrie), mais seule
la fluorescence sera présentée.
23
4.3.1. Spectrofluorimétrie
La spectrofluorimétrie s’est faite à partir du Perkin Elmer LS 45 Fluorescence
Spectrometer du laboratoire de chimie de l’UQAR. Chaque échantillon a passé dans une
cuvette de 1 cm à quatre côtés en quartz et a été soumis au faisceau d’excitation de
l’appareil. Pour éviter la contamination des échantillons par la cuvette, trois rinçages à
l’eau nanopure et deux avec l’échantillon ont été nécessaires. Comme la cuvette peut
contenir 4 mL, un volume de 12 mL a été nécessaire pour chaque mesure.
La fluorescence est une émission lumineuse rapide des molécules présentes dans
l’échantillon ayant absorbé l’énergie provenant du faisceau d’excitation de l’appareil. La
longueur d’onde d’émission de la molécule (ou la longueur d’onde de la lumière réémise)
peut être identique ou plus grande à celle qui l’a excitée. Dans les types de liquide ayant
été analysés, la longueur d’onde d’émission est généralement supérieure à celle
d’excitation et la différence entre les deux est appelée déplacement de Stokes. Cette
différence est expliquée par le fait que la molécule revient à son état fondamental en
libérant son excès d’énergie sous forme de photon (Skoog et al., 1997).
Les longueurs d’onde d’excitation utilisées sont de 600 à 250 nm tandis que les longueurs
d’onde d’émission sont de 505 à 250 nm. Les données ont été exportées du logiciel FL
Winlab en format Excel puis reconverties en fichier texte. Les données brutes ont
nécessité une correction de l’émission selon la méthode de Zepp et al. (2004). Cette
méthode a été adaptée sur le logiciel de programmation IDL 6.1 par Simon Bélanger,
professeur-chercheur en géographie à l’UQAR. Ceci a permis de supprimer les pics de
diffusion de Rayleigh et Raman pour chaque spectre d’excitation. Ces pics sont tout à fait
normaux et suivent un harmonique d’environ 250 nm. Un scan d’eau nanopure a servi de
référence pour effectuer la soustraction de ces pics pour chaque échantillon. La
méthodologie de l’analyse de la fluorescence de la MOD est en annexe (Annexe 5).
24
4.4. Nutriments
Les échantillons récoltés pour le dosage des sels nutritifs ont été congelés immédiatement
après la filtration. Les trois tubes ont été identifiés : deux ont servi aux mesures en
duplicat et l’autre a servi de sécurité. Les analyses ont été effectuées à l’ISMER avec
l’autoanalyseur ALPKEM FS-III par M. Pascal Rioux, technicien au laboratoire de M.
Richard Saint-Louis. Les résultats obtenus étaient sous fichier texte. Les nutriments
mesurés ont été les nitrites (NO2-) et nitrates (NO3
-), combinés dans la même mesure, les
phosphates (PO43-) et les silicates (SiO). Cependant, pour ce travail, les résultats des
concentrations de silicates dans le couvert de neige et dans le cours d’eau n’ont pas été
traités.
Les données recueillies ont été compilées dans un tableur Excel. Les concentrations
mesurées des nutriments sont exprimées en micromole par litre (ex. µmol-N L-1). Pour la
neige fondue, cette valeur a été reconvertie pour obtenir les concentrations de sels
nutritifs exprimées en micromole par volume de neige, c’est-à-dire par dm3, ce qui
représente l’équivalent du volume d’un litre. Aussi, la quantité totale (en µmol) de
chaque nutriment a été divisée par l’équivalent en eau (en L) de la colonne de neige
échantillonnée. Ce résultat a permis de déterminer la concentration liquide exacte de
chaque nutriment.
4.5. Carbone organique dissous (COD)
Les échantillons récoltés pour la détermination des concentrations de COD ont été
réfrigérés à l’abri de la lumière incidente immédiatement après la filtration. Le premier
tube a servi à l’analyse et le second de sécurité. Les analyses ont été effectuées à
l’ISMER avec l’analyseur TOC-Vcpn par Mme Mélanie Simard, technicienne du
laboratoire de Michel Gosselin, professeur en écologie du phytoplancton à l’ISMER. Les
résultats obtenus étaient sous format papier et ont été transférés dans un tableur Excel.
25
5. RÉSULTATS ET DISCUSSION
Cette section présente et discute des principaux résultats obtenus. Dans l’ordre, il sera
traité des profils de neige, des débits, de la fluorescence de la matière organique dissoute,
des nutriments et du carbone organique dissous. Ce chapitre se terminera par une critique
de la méthodologie employée. Les résultats bruts et complémentaires se retrouvent en
annexe.
5.1. Profils physiques de neige
Les résultats des profils physiques de neige pour le site Ouvert ont permis d’obtenir des
graphiques de l’évolution des températures et de la densité des couches de neige sur toute
l’épaisseur du couvert et dans le temps pour chaque site. Les données de températures du
sol et de l’air provenant des capteurs iButton ont été superposées aux profils afin de
fournir une résolution horaire des valeurs de température. Les données présentées dans
cette section se limiteront à celles du site Ouvert.
Les valeurs des profils de température varient verticalement et dans le temps (Figure 7).
Pour la période où les températures de l’air sont sous 0 °C, les températures du couvert
s’accroissent avec la profondeur. L’accumulation de neige fraîche sur le couvert couplée
à des températures basses augmente le gradient des températures entre l’atmosphère et le
sol (Cline, 1995) et permet des écarts de plus de 8 °C (Figure 7). Une uniformisation des
températures est présente de la base à 40 cm de hauteur et elles sont stables à -0,5 °C, ce
qui correspond avec la littérature (Cline, 1995). L’uniformisation des températures à -1 et
-2 °C est marquée par les températures moyennes de l’air au-dessus du point de
congélation et par conséquent par l’amorce de la période de fonte.
La densité de la neige varie selon un patron similaire à celui des températures (Figure 8).
L’ajout de neige fraîche, normalement de faible densité, explique le gradient de densité
de faible en surface à élevé à la base. Cependant, la densité du couvert de neige tend à
s’uniformiser sur les 60 premiers centimètres pour le mois de mars. Les densités élevées à
la base du couvert apparaissant de façon sporadique peuvent être expliquées par une
26
mauvaise manipulation lors de l’échantillonnage, c’est-à-dire un prélèvement de la
surface du sol, de densité plus élevée. La densité moyenne du couvert augmente au fil de
la saison pour atteindre 0,5 g cm-3 au début d’avril. Cette valeur signifie que la moitié de
la hauteur du couvert de neige équivaut à la hauteur de l’eau si la neige était transformée
en eau. À partir de la fin mars, qui correspond à la période de début de fonte, le gradient
de densité s’inverse. Ceci coïncide avec la période où les températures moyennes de l’air
sont supérieures à 0 °C (Figure 9). Les courbes des températures du couvert prises par les
iButton à différentes hauteurs indiquent que les variations des températures de l’air sont
plus ressenties de la surface jusqu’à la base du couvert, ce qui a également été observé
(Shanley et Chalmers, 1999). Ceci signifie que le couvert de neige réduit les écarts
journaliers de températures atténuant les fortes variations de températures de l’air. La
capteur à 75 cm indique une plus grande sensibilité aux variations de température de l’air
et enregistre des températures plus froides que les autres capteurs (Figure 10). Le moment
où le capteur de température est devenu exposé à l’air libre, les variations minimales et
maximales qu’il a pu enregistrer ont rapidement augmenté. La courbe représentant les
valeurs de températures à 2 cm dans le sol montre que les températures du sol sont
demeurées au-dessus du point de congélation pendant toute la période de la campagne
terrain (Figure 9).
L’équivalent en eau de la neige par rapport à l’épaisseur du couvert indique autrement
l’évolution de la densité du couvert (Figure 11). En période d’accumulation, l’équivalent
en eau est d’environ le quart de l’épaisseur du couvert (≈25 cm d’eau pour 100 cm de
neige). Au cours du mois de mars, le couvert de neige s’est densifié en plus d’avoir reçu
de nouvelles précipitations neigeuses, ce qui a augmenté l’équivalent en eau au tiers de
son épaisseur (≈29 cm d’eau pour 8 7 cm de neige). Le régime perte et accumulation de
l’équivalent en eau est demeuré relativement stable pour tout le mois de mars. La
diminution significative de l’équivalent en eau a débuté avec la fonte soutenue du couvert
de neige (Figure 11) et le premier pic de crue observé sur la rivière Rimouski y est
associé (Figure 12). Entre le 22 et le 24 avril, le couvert de neige a perdu 16 cm de neige,
ce qui représente une perte de près de 8.4 cm d’eau soit une couche de 4.2 cm d’eau
libérée pendant une journée. Il faut noter que les températures de l’air s’étaient
maintenues entre 7 et 15 °C.
27
Figure 7 : Patron des températures du couvert de neige pour la période du 22 février au 26 avril 2010 couplé aux données de températures de l'air prises par les iButton. Les courbes bleue, jaune et rouge
correspondent respectivement aux températures minimum, moyenne et maximum de l’air. Le pointillé noir indique la période approximative où la fonte printanière est amorcée : elle sépare les 2 principales périodes soit (A) l’accumulation de neige où la stabilité du couvert domine et (P) la perte
soutenue du couvert de neige.
Figure 8 : Patron de la densité du couvert de neige pour la période du 22 février au 26 avril 2010
Densité (g/cm3 de neige)
A P
28
Figure 9 : Patron de la densité du couvert de neige pour la période du 22 février au 26 avril 2010
couplée aux courbes de températures moyennes de l’air (jaune) et de la neige prises par les iButton à 2 cm dans le sol (beige) et à des hauteurs de 25 (brune), 50 (grise) et 75 cm (noire).
Figure 10 : Patron de la densité du couvert de neige pour la période du 22 février au 26 avril 2010
couplé aux courbes minimum (bleue) et maximum (rouge) de températures de la neige prises par le iButton à une hauteur de 75 cm. Pointillés : jaune (position du iButton); noir (le moment où
l’épaisseur du couvert est inférieure à la position du iButton).
Densité (g/cm3 de neige)
Densité (g/cm3 de neige)
29
Figure 11 : Patron de la densité du couvert de neige pour la période du 22 février au 26 avril 2010
couplé à l’équivalent en eau de la neige.
5.2. Débits
Une station de mesure de débits sur la Petite rivière Neigette est assurée par le Centre
d’expertise hydrique du Québec (CEHQ, 2003). D’après leurs données, ce cours d’eau
possède un débit moyen annuel d’environ 1.4 m3 s-1 et les valeurs les plus faibles pouvant
être atteintes pendant l’été et l’automne sont de 0.1 m3 s-1. Le débit est quasi nul pendant
l’hiver étant donné l’occupation quasi complète du périmètre mouillé du cours d’eau par
le couvert de glace. Un faible écoulement se produit sous le couvert, mais la mesure du
débit n’a pu être effectuée avec les instruments à disposition. Les données de débits de la
Petite rivière Neigette n’ont donc pas été prises au cours de la période terrain de 2010.
Les stations existantes sur la rivière Neigette et Mitis n’étant plus en fonction, le cours
d’eau avec une station et étant le plus près des sites d’étude était la rivière Rimouski. Un
premier pic est observé entre le 8 et le 9 avril, associé au début de la période de fonte, et
un second pic débute le 22 avril pour atteindre son maximum le 26 avril (Figure 12). En
termes de valeurs de débits, le second pic est 3 fois plus important que le premier.
Figure 12 : Courbe des débits de la rivière Rimouski (à 3,7 km en amont du pont de la route 132) pour la période du 22 février au 26 avril 2010. Les pointillés correspondent aux pics de crue de fonte.
30
5.3. Fluorescence
Les résultats des mesures de fluorescence pour le couvert de neige ont permis d’obtenir
une série de figures montrant leur évolution verticale. De plus, tout comme pour le site de
la Petite rivière Neigette, il a été produit des figures montrant l’évolution temporelle. Les
résultats sont présentés pour chaque site et chaque couche échantillonnée. Cependant, par
décalibrage de l’instrument, les résultats de certaines couches n’ont pu être retenus. Ceci
a discontinué certaines séries (21 mars, 3 avril, 9 avril) et éliminé d’autres (27 mars, 23
avril). Les séries interrompues sont présentées en annexe. Les valeurs de concentration
sont exprimées en intensité relative, qui est fonction de chaque instrument. Il est à noter
que pour l’instant, aucune mesure de « calibrage universel » n’a été faite pour que ces
données soient comparables quantitativement avec la littérature. Pour cette raison, la
comparaison de ces résultats avec les données de la littérature est uniquement qualitative.
5.3.1. Couvert de neige
La base du couvert de neige pour les deux sites se démarque par des concentrations de
matières organiques dissoutes (MOD) plus élevées que les couches supérieures (Figure
13, 14, 15). La couche 0-10 cm du site Ouvert (22 février) se démarque de toutes les
autres couches et autres journées de mesures par des valeurs plus de 5 fois supérieurs à la
moyenne observée. Les valeurs à la base sont plus élevées pour le site Ouvert et
diminuent dans le temps pour chaque site. Les concentrations mesurées dans les autres
couches (de 10 cm jusqu’au sommet) sont assez similaires entre elles, ce qui laisse croire
à des apports atmosphériques beaucoup moins significatifs que ceux du sol. Il est soulevé
que les dépôts atmosphériques ne sont pas une source majeure de MOD (Sebestyen et al.,
2008). Malgré que les concentrations à la base du site Forêt soient plus élevées que les
couches supérieures (Figure 13), les valeurs sont assez rapprochées et les différences
entre les couches tendent à disparaître au fil de la saison (Figure 14). La diminution
progressive des concentrations de MOD à la base du couvert nival peut s’expliquer par
l’écoulement latéral à la surface du sol engendré par la fonte occasionnant un lessivage
des exsudats biologiques et de la matière organique soluble (Schiff et al., 1990; Kaplan et
Newbold, 1993 in Sebestyen et al., 2008). Cependant, il est spécifié que l’apport de MOD
31
dans les cours d’eau n’est pas qu’originaire du couvert de neige, car les processus de
lessivage entraînent également des matières organiques solubles du sol.
Le pic Ex/Em = 330-340/415-440 nm (pic C) correspondant au groupe des acides
humiques dans le visible (Coble et al., 1993; Stedmon et al., 2003) est le plus imposant
de tous ceux mesurés dans les échantillons de neige. Les acides humiques sont donc
présents en concentration dominante dans le couvert nival et spécifiquement à la base
(Figure 13, 14 et 15). Le pic C dans la littérature est surtout associé au matériel humique
provenant de sources terrigènes (Coble et al., 1996). Le pic Ex/Em = 260/420 nm (pic A)
correspondant au groupe des acides humiques dans l’UV (Stedmon et al., 2003) est
seulement retrouvé au site Forêt et les valeurs sont plus intenses à la base du couvert. Ces
acides humides humiques ont été retrouvés dominants dans les milieux humides et les
forêts du Danemark (Stedmon et al., 2003). Le pic Ex/Em = 280/340 nm (pic T)
correspondant au groupe des protéines (Maie et al., 2007; Stedmon et al., 2003) est
seulement retrouvé à la couche 30-53 cm du 9 avril (Annexe 4) et à la base du couvert de
neige du 26 avril (Figure 15) pour le site Forêt. Les concentrations sont cependant très
faibles. Il a été rapporté que ce groupe est largement représenté par le tryptophane (Coble
et al., 1996) et qu’il n’est pas exclusivement dérivé de matières protéiniques, mais aussi
d’autres classes de matières organiques (Maie et al., 2007).
D’après la revue de littérature effectuée, le pic de fluorescence à Ex/Em = 290/410 nm
(pic X) ne correspond à aucun groupe mis à part qu’il ressemble étrangement au groupe
d’acides humiques marins (M). Cependant, comme le site est en milieu terrestre, ce
groupe est probablement des acides aminés, mais dérivés de matières organiques
terrigènes (Stedmon et al., 2003). La lettre X lui a été attribuée dans un but de
reconnaissance graphique uniquement. La présence de ce groupe a seulement été
observée pour le site Ouvert (Figure 13, 14, 15). Les concentrations d’acides humiques
dans le visible (pic C) à la base du couvert de neige diminuent au fil de la saison (Figure
13, 14, 15). Les concentrations entre le 22 février (Figure 13) et le 21 mars (Annexe 2)
sont restées les mêmes, ce qui implique que les concentrations ont commencé à diminuer
après le 21 mars et avant le 18 avril, période correspondant au début de la fonte (Figure
7). L’eau de fonte aurait entraîné les acides humiques provenant de la base du couvert.
32
Figure 13 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour les séries verticales du 22 février 2010 pour le site Forêt et le site Ouvert.
C X C A
33
Figure 14 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour les séries verticales du 18 avril 2010 pour le site Forêt et le site Ouvert.
C A C X
34
Figure 15 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour les séries verticales du 26 avril 2010 (site Forêt) et 23 avril 2010 (site Ouvert).
5.3.2. Rivière
La MOD retrouvée dans les cours d’eau de bassins versant forestiers est largement
d’origine terrigène et à la fois allochtone (Aiken et Cotsaris, 1995 in Sebestyen et al.,
2008). Les pics A à Ex/Em = 260/420 nm (acides humiques dans l’UV) et C à Ex/Em =
330/440 nm (acides humiques dans le visible) sont les deux seuls retrouvés dans les
échantillons d’eau de la Petite rivière Neigette (Figure 16). Ce sont en fait de la MOD
d’origine terrigène. Pendant la période d’accumulation ou de stabilité du couvert (Figure
7), les concentrations de ce groupe d’acides sont restées sensiblement similaires. Les
concentrations des acides humiques dans le visible augmentent au début de la fonte
(Figure 7) et s’intensifient avec la hausse des débits (Figure 12). Quant aux acides
humiques dans l’UV, ils augmentent subitement entre le 3 et le 9 avril. Ceci signifie que
ces deux groupes ne sont pas acheminés au cours d’eau en même temps et avec la même
C X
T
35
intensité. Il a déjà été rapporté qu’un mécanisme chromatographique d’élution
différentielle ayant lieu dans le couvert nival en période de fonte permettait l’apparition
précoce du SO4- et NO3
- dans la fraction d’eau de fonte comparativement à d’autres ions
(Cragin et al., 1996). Un processus similaire pourrait expliquer ces résultats. Les résultats
obtenus permettent de conclure que l’hypothèse initiale est valide pour le MOD.
Il est intéressant de noter que le pic X n’apparaît pas dans les échantillons analysés de la
Petite rivière Neigette. Malgré la diminution progressive des valeurs de concentration de
ce groupe par la fonte, aucune apparition n’est présente dans la rivière. Ceci pourrait être
causé par sa transformation, sa consommation, sa rétention engendrée par le sol ou par sa
très forte dilution dans les eaux de la rivière.
36
Figure 16 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour la période du 22 février au 26 avril 2010 du site Rivière de la Petite rivière Neigette
C A C A
37
5.4. Nutriments et carbone organique dissous (COD)
5.4.1. Couvert de neige
Les résultats des profils de concentration de phosphates, de nitrates et de COD pour le
couvert de neige ont permis d’obtenir des graphiques montrant leur évolution verticale et
temporelle. Les résultats sont présentés pour chaque site. Les valeurs sont exprimées en
µmol dm-3 de neige, ce qui signifie que les quantités de nutriments sont en fonction d’un
volume de 1 L (1 dm3) de neige.
Les patrons des concentrations de phosphates sont similaires pour les sites Ouvert et
Forêt (Figure 17). Les concentrations sont très faibles en surface et s’accroissent en
profondeur. Les concentrations de surfaces pour le site Ouvert sont de nulles (sous la
limite de détection de l’instrument) à 0.014 µmol dm-3 de neige tandis que les
concentrations pour le site Forêt varient de 0.008 à 0.044 µmol dm-3 de neige. Les
concentrations superficielles de phosphates sont donc plus importantes pour le site Forêt.
Un patron inverse est constaté pour les mesures à la base du couvert. Les concentrations
maximales sont de 1.064 µmol dm-3 de neige pour le site Ouvert et de 0.676 µmol dm-3
de neige pour le site Forêt. Les apports de phosphates au couvert de neige en provenance
de dépôts atmosphérique sont donc quasi nuls. Le principal apport semble plutôt être du
sol. Les phosphates tout comme les nitrates retrouvés dans le couvert de neige recouvrant
les lacs proviennent des gaz atmosphériques de milieux terrestres, océaniques ou
anthropiques (émissions industrielles) (Gorham, 1961; Knorr et Klatte, 1963; Gambell et
Fisher, 1966; Fisher et al., 1968 in Barica et Armstrong, 1971). Dans un milieu terrestre
comme un champ ou une forêt, ces apports peuvent expliquer la présence de phosphates
dans les couches de surface, mais pas celles retrouvées à la base et à des valeurs se
démarquant nettement des couches supérieures. Les phosphates à la base du couvert
résultent probablement de l’activité des microorganismes présents dans le sol capable de
minéralisation et d’immobilisation de la matière (Freppaz et al., 2007). Cependant,
comme la méthode utilisée pour les prélèvements à la base du couvert risquait une
contamination par le sol, il se peut que les journées à fortes concentrations de phosphates
soient uniquement un biais.
38
Figure 17 : Patron des concentrations de phosphates dans le couvert de neige pour la période du 22
février au 26 avril 2010 pour les sites Ouvert et Forêt.
La similarité entre les patrons de nitrates pour les deux sites est moins prononcée que
celle des phosphates (Figure 18). Cependant, pour les deux sites, les valeurs de
concentrations diminuent avec le temps. Du début à la fin de la campagne, elles passent
de 2.762 à 0.508 µmol dm-3 de neige pour le site Ouvert et de 2.277 à 0.660 µmol dm-3 de
neige pour le site Forêt. Aussi, pour les deux sites, une bande située entre les hauteurs 10
et 40 cm est caractérisée par des concentrations plus faibles que la base et la surface du
couvert. Les concentrations superficielles de nitrates et celles à la base du couvert pour le
site Ouvert sont assez similaires. L’apport d’azote par dépôts atmosphériques semble être
similaire à celui par le sol. Le site Forêt a des valeurs de concentrations de surface plus
élevées en moyenne que celles du site Ouvert. De plus, elles se maintiennent au-dessus de
1.1 µmol dm-3 de neige du début de la campagne jusqu’au début de la période de fonte
39
soutenue. Un pic de 2.929 µmol dm-3 de neige a été atteint le 21 avril. La valeur de 6.036
µmol dm-3 de neige (point rouge) du 22 février jugée très élevée pourrait être soupçonnée
aberrante. La possibilité qu’elle ait subi une contamination lors des manipulations n’est
pas écartée. Cependant, la moyenne des valeurs de concentration des nitrates à la surface
est supérieure à celle au sol, ce qui implique que pour le site Forêt, l’apport d’azote par
dépôts atmosphériques est plus important que celui engendré par les processus à
l’interface neige-sol. Les résultats des valeurs de concentration des nitrates dans des cours
d’eau et nappes d’eau souterraines du nord-est du Vermont (États-Unis) ont montré que
les nitrates atmosphériques sont une source plus spécifique de nitrates pendant les
premières phases de fonte (Sebestyen et al., 2008). Ceci indique que le couvert de neige
devient un réservoir de nitrates atmosphériques plus important que de nitrates du sol.
Cependant, un certain nombre d’études ont révélé que la plupart des nitrates contenus
dans les eaux de ruissellement des petits bassins versant provient de la nitrification faite
par l’activité microbiologique plutôt que de dépôts atmosphériques (Burns et Kendall,
2002; Campbell et al., 2002; Sickman et al., 2003; Pardo et al., 2004 et Piatek et al., 2005
in Sebestyen et al., 2008; Ohte et al. 2004). La source de nitrates dans la base du couvert
de neige serait donc d’origine microbienne et en période de fonte, il a été observé au
Colorado (États-Unis) que cette source représente la moitié et plus des nitrates retrouvés
dans l’eau de ruissellement (Kendall et al. 1995a,b in Sebestyen et al., 2008).
La diminution des concentrations de nitrates à la base du couvert peut être expliquée par
sa consommation en période d’accumulation et surtout par son évacuation entraînée par
l’eau lors de la période de fonte (Cragin et al., 1996). En général, les patrons de
concentrations de nutriments indiquent une tendance à l’uniformisation des
concentrations dans le couvert nival en période de fonte (Figure 17 et 18). Un phénomène
d’élution préférentiel consistant en un lavage progressif et sélectif des ions du couvert de
neige est fonction de la position de l’ion par rapport au cristal de neige et des cycles
gel/dégel qui ont lieu au cours de la saison (Tsiouris et al., 1985; Tranter et al., 1986).
Aussi, le métamorphisme des grains par les variations de températures et la compaction
expulse les nutriments du cristal et les concentrent à leur pourtour et dans les pores de la
matrice neigeuse (Kuhn, 2001). Le NO3- d’origine atmosphérique présent dans le couvert
peut être localisé à la surface d’un flocon de neige et être élué plus tôt qu’un ion Cl-
40
servant de noyau de condensation et donc situé au cœur même de la structure cristalline.
Pour cette raison, les nitrates apparaissent avant le Cl- dans la fraction d’eau de fonte
(Cragin et al., 1996). L’homogénéisation des nutriments dans le couvert débutant surtout
en période de fonte peut être expliquée par l’effet chromatographique (Tranter et al.,
1986). La fonte engendre la percolation des ions à travers la couche de neige : ils se
dissolvent et coalescent sélectivement selon leurs propriétés chimiques (Tranter et al.,
1986).
Figure 18 : Patron des concentrations de nitrates dans le couvert de neige pour la période du 22
février au 26 avril 2010 pour les sites Ouvert et Forêt.
Les concentrations de COD augmentent avec la profondeur et les valeurs à la base
diminuent avec le temps pour les sites Ouvert et Forêt (Figure 19). Pour la base du site
Ouvert, les concentrations mesurées sont de 68.51 à 17.28 µmol dm-3 de neige et de 97.62
41
à 48.00 (avec un pic à 122.67 le 21 mars) pour la base du site Forêt. Cependant, les
patrons globaux sont très différents d’un site à l’autre. Les concentrations superficielles
pour le site Ouvert diminuent dans le temps, elles passent de 17.90 à 4.72 µmol dm-3 de
neige tandis que pour le site Forêt, elles oscillent entre 14.24 et 63.50 µmol dm-3 de
neige, ce qui détermine un apport constant ou une production de COD tout au long de la
période d’accumulation et de fonte. Les concentrations semblent s’homogénéiser vers la
fin de la période de fonte pour le site Forêt tandis qu’elles tendent à une stratification
nette pour le site Ouvert. Les sources de COD provenant de l’atmosphère sont plus
importantes pour le site Forêt, mais l’apport de COD par l’interface neige-sol est
cependant plus significatif pour les deux sites et plus dominant pour le site Forêt.
Il aurait été pertinent d’effectuer des analyses de sol pour dissocier le COD d’origine
terrigène de celui d’origine nivale. En fait, le COD retrouvé dans les cours d’eau provient
en grande partie du lessivage de la matière organique soluble du sol (Boyer et al., 1997).
Il a été montré que le COD est majoritairement transporté de la base du couvert de neige
vers le cours d’eau par ruissellement (Boyer et al., 1997). Ces études ont surtout montré
que le couvert de neige joue un rôle dans les flux de COD par sa capacité de transport des
matières organiques solubles du sol par l’eau de fonte vers les cours d’eau.
42
Figure 19 : Patron des concentrations de carbone organique dissous (COD) dans le couvert de neige
pour la période du 22 février au 26 avril 2010 pour les sites Ouvert et Forêt.
Les valeurs en µmol L-1 ont été calculées à partir de l’intégrale des quantités de matières
sur toute la colonne pour une journée et ensuite divisées par la valeur de l’équivalent en
eau de cette même journée (Figure 20 et 21). Ceci a permis d’obtenir une concentration
moyenne pour chaque journée d’échantillonnage.
Pour le site Ouvert, les concentrations de nutriments dans le couvert varient
significativement dans le temps (Figure 20). Un pic de concentration de phosphates de
0.444 µmol L-1 est noté le 3 avril et provient de la base du couvert. Cette valeur est de 2 à
8 fois supérieures aux autres, ce qui laisse croire à une possibilité de biais de
manipulations. Sur les deux sites, la tendance générale est négative (Figures 20 et 21).
Site Ouvert
Site Forêt
43
Elle est toutefois plus marquée pour le site Forêt. Cette caractéristique permet d’affirmer
que la neige tend à devenir moins concentrée en nutriments et COD au fil de la saison. De
plus, les valeurs de concentration de nitrates et phosphates pour le site Forêt sont environ
du double de celles du site Ouvert et du triple pour le COD. Ceci signifie que les apports
sont plus élevés pour le site Forêt et par conséquent, le manteau neigeux forestier
constitue un réservoir de matières organiques et inorganiques plus important. Ce constat,
surtout pour le COD, pourrait être expliqué par les apports de particules fréquents et
considérables par la forêt et la litière riche en débris végétaux avant l’arrivée du couvert
de neige. Lors de l’échantillonnage du site en forêt, la présence de brindilles, d’aiguilles
de mélèze, de morceaux d’écorce ou d’autres débris d’origines variées à la surface du
couvert était fréquente. La présence de particules visibles à la surface du couvert pour le
site Ouvert fut assez rare.
Figure 20 : Concentrations des nitrates (A), phosphates (B) et de carbone organique dissous (C) du couvert de neige pour la période du 22 février au 26 avril 2010 pour le site Ouvert. Les valeurs sont
exprimées en µmol L-1 de neige fondue.
44
Figure 21 : Concentrations des nitrates (D), phosphates (E) et de carbone organique dissous (F) du couvert de neige pour la période du 22 février au 26 avril 2010 pour le site Forêt. Les valeurs sont
exprimées en µmol L-1 de neige fondue.
5.4.2. Rivière
Les suivis des concentrations de phosphates, de nitrates et de COD ont permis d’obtenir
des graphiques montrant leur évolution temporelle au cours de la période
d’accumulation/stabilité et de fonte du couvert de neige (Figure 22). Deux pics évidents
sont observés pour les concentrations de phosphates et nitrates. Ils correspondent aux
deux pics de crues observés sur la rivière Rimouski, associée à la bande rouge pâle et
bleue (Figure 12). Les concentrations atteintes par les nitrates et phosphates
respectivement au premier pic de crue sont de 52.7 et 0.079 µmol L-1 et de 68.77 et 0.159
µmol L-1 pour le second. Les concentrations de phosphates ont donc doublé entre le
premier et le second pic. La chute des concentrations de nutriments correspond à la
période où le couvert de neige disparaît complètement (pointillé noir). Les concentrations
de COD se démarquent plus difficilement au niveau des pics de crues. En fait, suite au
premier pic (332 µmol L-1), les concentrations n’ont pas diminué, mais ont continué
d’augmenter jusqu’au second (409 µmol L-1).
45
Des traceurs isotopiques et hydrochimiques utilisés pour expliquer les sources et
processus responsables des variations de concentrations d’azote dans les cours d’eau ont
permis de montrer que les sources de nitrates atmosphériques dans les cours d’eau sont
plus importants de ce que supposaient les études antérieures (Kendall et al., 2007; Ohte et
al., 2004). Les nitrates provenant de la pluie ou la neige peuvent se distinguer des nitrates
produits par la minéralisation et la nitrification par la distinction du delta18O (Kendall et
al., 2007). Il est cependant difficile de corréler la perte de nutriments du couvert avec les
pics observés. La décroissance des concentrations des nutriments dans le couvert peut
être expliquée non pas seulement par le transport par l’eau de fonte, mais aussi par
l’inhibition de l’activité biologique par les processus de fonte (Brooks et al., 1998).
Toutefois, l’hypothèse initiale étant de vérifier la présence de pic de concentrations de
nutriments et de matières organiques dans le cours d’eau associée à la crue printanière de
la Petite rivière Neigette a pu être validée. L’association est plus discrète pour le COD,
mais bien nette pour les sels nutritifs et pour les deux pics de crue printanière.
46
Figure 22 : Concentrations des nitrates (A), phosphates (B) et de carbone organique dissous (C) de la Petite rivière Neigette pour la période du 22 février au 10 août 2010 au site Rivière. La bande rouge
pâle et la bleue représentent respectivement le premier et le second pic de crue (Figure 12). La largeur des bandes indique la durée des pics. Le pointillé marque le moment où le couvert de neige
disparaît.
5.5. Critique de la méthodologie
La méthode de prélèvement de la neige peut avoir été une source significative de biais.
La première couche de 10 cm a en général été la couche la plus concentrée en sels
nutritifs, COD et MOD. Le prélèvement s’effectuant avec la pelle en acier inoxydable
impliquait de la faire glisser le plus près possible du sol afin que la couche prélevée soit
la plus représentative des 10 premiers centimètres du couvert. Les irrégularités du sol et
la présence de végétation et débris végétaux entremêlés dans les premiers centimètres de
neige ont fait en sorte qu’à l’occasion, des particules plus ou moins grossières se sont
47
retrouvées dans la bouteille d’échantillonnage. L’introduction de particules représente
une source de matières organiques pouvant biaiser à la hausse les valeurs de
concentration. Il serait à développer une méthode d’échantillonnage en mesure de faire
abstraction des particules arrachées du sol ou de faire un blanc qui permettrait de
soustraire les valeurs du sol.
Les figures obtenues par Ocean Data View ont permis de représenter les patrons de
températures, densités, concentrations de sels nutritifs et de carbone organique dissous.
Ce logiciel interpole les valeurs entre deux séries afin de les relier, ce qui signifie que les
valeurs entre les séries sont des estimations. L’incertitude est donc augmentée lorsque
deux séries de données sont très distancées. Par exemple, la période d’un mois séparant
les deux premiers échantillons signifie une interpolation assez grossière. Ceci fait en sorte
que l’analyse des données a été plutôt qualitative. Il serait à réévaluer la résolution de
l’échantillonnage afin que la plage d’interpolation soit statistiquement valide.
6. CONCLUSION La composition biogéochimique du couvert nival dépend des échanges qu’il effectue avec
l’atmosphère et le sol et son contenu régule la composition des cours d’eau en période de
crue. L’analyse physique et biogéochimique du couvert nival sur le site Ouvert et Forêt
du secteur de Mont-Lebel aura permis d’améliorer les connaissances de sa composition et
de son évolution verticale et dans le temps.
Les températures du sol et à la base du couvert sont relativement constantes et à des
températures viables pour les organismes. Le maintien des températures des 30 à 40
premiers centimètres de neige à des valeurs de -1.0 à -2.0 °C témoigne de la stabilité
thermique de la base du couvert. Cette stabilité a permis de maintenir les températures du
sol (profondeur 2 cm) à des valeurs entre 0.5 et 1.0 °C représentant des températures
propices à l’activité biologique. Au niveau du couvert de neige, peu ou pas de phosphate
d’origine atmosphérique s’y accumule tandis que les nitrates s’accumulent dans le
couvert autant par l’atmosphère que par le sol. Les résultats des concentrations de
phosphates à la base du couvert de neige ont montré que les apports peuvent atteindre
48
jusqu’à 0.676 µmol dm-3 et qu’ils sont plus importants pour le site Ouvert. Les résultats
des concentrations de nitrates à la surface du couvert nival ont montré que les apports
atmosphériques sont plus importants que ceux par la base du couvert de neige et plus
élevés pour le site Forêt. Les concentrations plus faibles retrouvées au centre du couvert
indiquent l’existence d’entrées de nitrates à la base et à la surface du couvert nival.
Les résultats des concentrations de COD du couvert nival sont en général nettement
supérieurs pour le site Forêt. Les apports atmosphériques sont plus élevés au site Forêt et
ils sont plus importants à la base du couvert de neige pour les deux sites. Les
concentrations les plus élevées en MOD ont été retrouvées dans la zone superficielle du
couvert de neige en forêt. Des similitudes entre les couches pour le site forêt ont
également été notées. La MOD est plus concentrée à la base du site ouvert que forêt. Le
site ouvert s’est démarqué par de plus fortes concentrations à la base qu’en surface et
surtout par des concentrations de surface quasi absentes.
La hausse progressive des concentrations d’acides humiques (visible) dans la Petite
rivière Neigette en période de fonte pourrait être associée à la diminution progressive des
concentrations de ce même groupe d’acides à la base du couvert nival. D’après les
résultats des valeurs de MOD, phosphates, nitrates et COD affichant un pic de
concentration en période de crue, l’hypothèse émise initialement qui était de vérifier si les
pics de concentrations de nutriments et de matières organiques mesurées dans le cours
d’eau coïncident avec la crue printanière de la Petite rivière est donc validée. Ce travail
aura permis de mieux comprendre la dynamique de transfert de matières du couvert nival
d’un milieu ouvert et forestier vers les cours d’eau, mais surtout de saisir toute la
complexité de sa composition et la subtilité des échanges avec son milieu.
49
7. REMERCIEMENTS
À la réalisation de ce mémoire, j’adresse mes remerciements les plus sincères aux
personnes m’ayant apporté leur aide et ayant contribué à son élaboration.
Je tiens à remercier sincèrement Monsieur Simon Bélanger en tant que Directeur de ce
mémoire pour son intérêt soutenu et pour s'être toujours montré à l'écoute et très
disponible, ainsi pour l'inspiration, l'aide, le temps et le financement qu'il a bien voulu me
consacrer.
Mes remerciements s’adressent également à Madame Gwénaëlle Chaillou, agente de
recherche en biogéochimie marine à l’ISMER, pour ses judicieux conseils et pour sa
générosité, à Madame Diane Bérubé, chimiste et auxiliaire d'enseignement et de
recherche à l’UQAR, et Monsieur Jonathan Coudé, personnel de soutien en Biologie à
l’UQAR, pour l’utilisation des laboratoires, les prêts de matériel et la logistique des
manipulations en laboratoire, à Monsieur Sylvio Desmers, étudiant à la maîtrise en
géographie fluviale de l’UQAR, pour les mesures de débits en rivière et pour l’aide à
l’extraction des données du Hobo Water Level Logger. Merci également à Hugo Martin
pour sa voiture et son aide à l’échantillonnage de l’eau de rivière.
Je souhaite aussi adresser mes plus sincères remerciements à tous mes proches et amis,
qui m'ont toujours soutenu et encouragé au cours de la réalisation de ce mémoire.
Finalement, je tiens à remercier les calepins « Rite in the rain » pour leur imperméabilité
et flottabilité.
50
8. RÉFÉRENCES
Skoog, D.A., West, D.M., et Holler, F.J. (1997) Chimie analytique, 7e édition, De Boeck et Larcier, 1997, 870 p. Albert, M.R., et Shultz, E.F. (2002) Snow and firn properties and air–snow transport processes at Summit, Greenland, Atmospheric Environment, vol. 36, p. 2789–2797. Amato, P., Ménager, M., Sancelme, M., Laj, P., Mailhot, G., et Delort, A.M. (2005) Microbial population in cloud water at the Puy de Dôme: Implications for the chemistry of clouds, Atmospheric Environment, vol. 39, p. 4143–4153. Aiken et Cotsaris (1995) in Sebestyen, S.D., Boyer, E.W., Shanley, J.B., Kendall, C., Doctor, D.H., Aiken, G.R., et Ohte, N. (2008) Sources, transformations, and hydrological processes that control stream nitrate and dissolved organic matter concentrations during snowmelt in an upland forest, Water Resources Research, vol. 44, W12410, p. 1-14. Armstrong, R. L., et Brodzik, M.J. (2002) Hemispheric-scale comparison and evaluation of passive-microwave snow algorithms, Annals of Glaciology, vol. 34, p.38-44. Boutin, R., et Robitaille, G. (1995) Increased soil nitrate losses under mature sugar maple trees affected by experimentally induced deep frost, Canadian Journal of Forest Research, vol. 25, p. 588–602. Boyer, E.W., Hornberger, G.M., Bencala, K.E., et McKnight, D.M. (1997) Response characteristics of DOC flushing in an alpine catchment, Hydrological Processes, vol. 11, no. 12, p. 1635-1647. Brooks, P. D., Williams, M. W., et Schmidt, S. K. (1995) Snowpack controls on soil nitrogen dynamics in the Colorado alpine, Biogeochemistry of Seasonally Snow-Covered Catchments (Proceedings of a Boulder Symposium, July 1995). IAHS Publ. no. 228. Brooks, P. D., Williams, M. W., Walker, D.A., et Schmidt, S. K. (1995) The Niwot Ridge snow fence experiment: biogeochemical responses to changes in the seasonal snowpack Biogeochemistry of Seasonally Snow-Covered Calchmems (Proceedings of a Boulder Symposium, July 1995). IAHS Publ. no. 228. Brooks, P. D., Williams, M. W., et Schmidt, S. K. (1998) Inorganic nitrogen and microbial biomass dynamics before and during spring snowmelt, Biogeochemistry, vol. 43, no 1–15. Brooks, P. D., et Williams, M. W. (1999) Snowpack controls on nitrogen cycling and export in seasonally snow-covered catchments, Hydrological Processes, vol. 13, no 2177-2190. Barbaris, B., et Betterton, E. A. (1996) Initial snow chemistry survey of the mogollon rim in arizona, Atmospheric Environment, vol. 30, no. 17, p. 3093-3103.
51
Barica, J., et Armstrong, A.J. (1971) Contribution by snow to the nutrient budget of some small northwest Ontario lakes, Limnology and Oceanography, vol. 16, no. 6, p. 891-899. Bilbrough, C. J., Welker, J. M., et Bowman W. D., et (2000) Early Spring Nitrogen Uptake by Snow Covered Plants A Comparison of Arctic and Alpine Plant Function under the Snowpack, Arctic, Antarctic, and Alpine Research, vol. 32, no. 4, p. 404-411 Bowman, W. D. (1992) Inputs and Storage of Nitrogen in Winter Snowpack in an Alpine Ecosystem, Arctic and Alpine Research, vol. 24, no. 3, p. 211-215. Bubier, J., Crill, P., et Mosedale, A. (2002) Net ecosystem CO2 exchange measured by autochambers during the snow-covered season at a temperate peatland, Hydrological Processes, vol. 16, p. 3667–3682. Centre d’expertise hydrique du Québec - CEHQ (2003) Centre d’expertise hydrique du Québec, Ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs, Gouvernement du Québec, [En ligne], tiré de www.cehq.gouv.qc.ca. Cline, D. (1995) Snow surface energy exchanges and snowmelt at a continental alpine site, Biogeochemistry of Seasonally Snow-Covered Catchments, no. 228, p. 157-166. Coble, P.G., Mopper, K, et Schultz, C.S. (1993) Fluorescence contouring analysis of DOC Intercalibration Experiment samples: A comparison of techniques. Marine Chemistry, vol. 41, p. 173–178. Cragin, J. H., Hewitt, A. D., et Colbeck, S. C. (1996) Grain-scale mechanisms influencing the elution of ions from snow, Atmospheric Environment, vol. 30, no. 1, p. 119-127. Deguillaume, L., Leriche, M., Ariya, P. A., Delort, A.-M., Pöschl, U., Chaumerliac, N., Bauer, H., Flossmann, A. I., et Morris, C. E. (2008) Microbiology and atmospherique processes : chemical interactions of primary biological aerosols, Biogeosciences, vol. 5, p. 1073-1084. Dominé, F., et Shepson, P. B. (2002) Air-Snow Interactions and Atmospheric Chemistry, Science, New Series, vol. 297, no. 5586, p. 1506-1510. Edwards, A. C., et Cresser, M. S. (1992) Freezing and its effect on chemical and biological properties of soil, Adv. Soil Science, vol. 18, p. 59–79. Edwards, A. C., Scalenghe, R., et Freppaz, M. (2007) Changes in the seasonal snow cover of alpine regions and its effect on soil processes : a review, Quaternary International, vol. 162-163, p. 172-181. Flamand, E., et Bilodeau, J. (2003) Chimie organique : structures, nomenclatures, réactions, 2ième édition. Modulo Griffon, Québec, 525 p.
52
Freppaz, M., William, B.L., Edwards, A. C., Scalenghe, R., et Zabibi, E (2007) Labile nitrogen, carbon, and phosphorus pools and nitrogen mineralization and immobilization rates at low temperatures in seasonally snow-covered soils, Biology and Fertility of Soils, vol. 43, p. 519-529. Goodroad, L.L., et Keeney, D. R. (1984) Site of nitrous oxide production in field soils, Biology and Fertility of Soils, vol. 1, no. 1, p. 3-7. Groffman, P.M., Hardy, J.P., Nolan, N., Fitzhugh, R.D., Driscoll, C.T., et Fahey, T.J. (1999) Snow depth, soil frost and nutrient loss in a northern hardwood forest, Hydrological Processes, vol. 13,p. 2275-2286. Gorham (1961); Knorr et Klatte (1963); Gambell et Fisher (1966); Fisher et al. (1968) in Barica, J., et Armstrong, A.J. (1971) Contribution by snow to the nutrient budget of some small northwest Ontario lakes, Limnology and Oceanography, vol. 16, no. 6, p. 891-899. Hanot, L., et Dominé, F. (1999) Evolution of the Surface Area of a Snow Layer, Environmental Science and Technology, vol. 33, p. 4250-4255. Helliwell, R. C., Soulsby, C., Ferrier R. C., Jenkins, A., et Harriman, R. (1998) Influence of snow on the hydrology and hydrochemistry of the Allt a’Mharcaidh, Cairngorm mountains, Scotland, The Science of the Total Environment, vol. 217, no. 59-70. Herbert, B.M.J., Villa, S., et Halsall, C.J. (2006) Chemical interactions with snow: Understanding the behavior and fate of semi-volatile organic compounds in snow, Ecotoxicology and Environmental Safety, vol. 63, p. 3–16. Jaenicke, R. (2005) Abundance of cellular material and proteins in the atmosphere, Science, vol. 308, no 5718, p. 73. Johannessen, M., et Henriksen, A. (1978) Chemistry of snow meltwater: Changes in ion concentration during melting, Water Resources Research, vol. 14, p. 615-619. Kendall, C., Wankel, S.D., et Elliott, E.M. (2007) Tracing anthropogenic inputs of nitrogen to ecosystems, Stable Isotopes in Ecology and Environmental Science, Publication: Blackwell Science, Malden (Massachusetts). pp. 375–449 Kuhn, M. (2001) The nutrient cycle through snow and ice, a review, Aquatic Science, vol. 63, p. 150–167. Maie, N., Scully, N.M., Pisani, O., et Jaffé, R. (2007) Composition of a protein-like fluorophore of dissolved organic matter in coastal wetland and estuarine ecosystems, Water Research, vol. 41, p. 563-570. Martin, W., et Karlsson, P.S. (2002) Low Winter Soil Temperature Affects Summertime Nutrient Uptake Capacity and Growth Rate of Mountain Birch Seedlings in the Subarctic, Swedish Lapland, Arctic, Antarctic, and Alpine Research, vol. 34, no. 4, p. 434-439.
53
Michael, K. (2001) The nutrient cycle through snow and ice, a review, Aquatic science, vol. 63, no. 1015-1621, p. 150–167. Mitchell, J. J., Driscoll, C. T., Kahl, J. S., Likens, G. E., Murdoch, P. S., et Pardo, L. H. (1996) Climatic control of nitrate loss from forested watersheds in the northeast United States, Environmental Sciences and Technology, vol. 30, p. 2609–2612. Fecteau, N. (2008) Processus interactionnels entre le couvert de neige et le sol durant l’hiver et au moment de sa fonte, Revue de littérature dans le cadre du cours Biogéochimie, Université du Québec à Rimouski, 20 p. Nickus, U., Kuhn, M., Novo, A., et Rossi, G.C. (1998) Major Element Chemistry in Alpine Snow Along a North-South Transect in the Eastern Alps, Atmospheric Environment, vol. 32, no. 23, p. 4053-4060. Nijhoff, M., Rascher, C. M., Driscoll, C. T., et Peters, N. E. (1987) Concentration and flux of solutes from snow and forest floor during snowmelt in the West-Central Adirondack region of New York, Biogeochemistry, vol. 3, p.209-224. Ohte, N., S.D., Sebestyen, J.B., Shanley, D.H., Doctor, C., Kendall, S. D., Wankel, et Boyer, E.W. (2004), Tracing sources of nitrate in snowmelt runoff using a high-resolution isotopic technique, Geophysical. Research. Letters, vol. 31, 4 p. Priemé, A., et Christensen, S. (2001) Natural perturbations, drying-wetting and freezing-thawing cycles, and the emission of nitrous oxide, carbon dioxide and methane from farmed organic soils, Soil Biology & Biogeochemistry, vol. 33, no. 2083-2091. Rascher, C. M., Driscoll, C. T., et Peters N. E. (1987) Concentration and Flux of Solutes from Snow and Forest Floor during Snowmelt in the West- Central Adirondack Region of New York, Biogeochemistry, vol. 3, no. 1/3, p. 209-224. Rike, A. J., Haugen, K. B., et Engene, B. (2005) In situ biodegradation of hydrocarbons in arctic soil at sub-zero temperatures—field monitoring and theoretical simulation of the microbial activation temperature at a Spitsbergen contaminated site, Cold Regions Science and Technology, vol. 41, p. 189–209. Roth, C. M., Goss, K.U., et Schwarzenbach, R. P. (2004) Sorption of Diverse Organic Vapors to Snow, Environmental Science and Technology, vol. 38, p. 4078-4084. Sebestyen, S.D., Boyer, E.W., Shanley, J.B., Kendall, C., Doctor, D.H., Aiken, G.R., et Ohte, N. (2008) Sources, transformations, and hydrological processes that control stream nitrate and dissolved organic matter concentrations during snowmelt in an upland forest, Water Resources Research, vol. 44, W12410, p. 1-14. Schaefer, V.J. et Day, J.A. (1996) L’Atmosphère: Guide d’interprétation des phénomènes atmosphériques. Broquet, Québec, 359 p.
54
Schiff et al. (1990), Kaplan et Newbold (1993) in Sebestyen, S.D., Boyer, E.W., Shanley, J.B., Kendall, C., Doctor, D.H., Aiken, G.R., et Ohte, N. (2008) Sources, transformations, and hydrological processes that control stream nitrate and dissolved organic matter concentrations during snowmelt in an upland forest, Water Resources Research, vol. 44, W12410, p. 1-14. Schlesinger, W. H., (1997). Biogeochemistry : an analysis of global change, 2ième édition. Academic press, 588 p. Schmidt, S. K., et Lipson, D. A. (2004) Microbial growth under the snow: Implications for nutrient and allelochemical availability in temperate soils, Plant and Soil, vol. 259, p. 1–7. Shanley, J. B., et Chalmers, A. (1999) The effect of frozen soil on snowmelt runoff at Sleepers River, Vermont, Hydrological Processes, vol. 13, p. 1843-1857. Stedmon, C.A., Markager, S., et Bro, R. (2003) Tracing dissolved organic matter in aquatic environments using a new approach to fluorescence spectroscopy, Marine Chemistry, vol. 82, p. 239-254. Stottlemyer, R, et Toczydlowski, D. (1999) Seasonal change in precipitation, snowpack, snowmelt, soil water and streamwater chemistry, northern Michigan, Hydrological Processes, vol. 13, p. 2215-2231. Strack, J. E., Liston, G. E., et Pielke, R. A. (2004) Modeling Snow Depth for Improved Simulation of Snow–Vegetation–Atmosphere Interactions, Journal of Hydrometeorology – Special Edition, vol. 5, p. 723-735. Sulkava, P., et Huhta, V. (2003) Effects of hard frost and freeze-thaw cycles on decomposer communities and N mineralisation in boreal forest soil, Applied Soil Ecology, vol. 22, p. 225–239. Sullivan, P.F., Welker, J.M., Arens, S.J.T., et Sveinbjörnsson, B. (2008) Continuous estimates of CO2 efflux from arctic and boreal soils during the snow-covered season in Alaska, Journal of Geophysical Research, vol. 113, p. 1-11. Thurman (1985) in Boyer, E.W., Hornberger, G.M., Bencala, K.E., et McKnight, D.M. (1997) Response characteristics of DOC flushing in an alpine catchment, Hydrological Processes, vol. 11, no. 12, p. 1635-1647. Tranter, M., Davies, T.D., Abrahams, P.W., Blackwood, I., Brimblecombe, P., et Vincent, C.E. (1986) Atmospheric Environment, vol. 20, p. 517. Tsiouris, S., Vincent, C.E., Davis, T.D., et Brimblecombe, P. (1985) Annals of Glaciology, vol. 7. P. 196. Vitousek, P. M., et Melillo, J. M. (1979) Nitrate losses from disturbed forests: patterns and mechanisms, Forest Science, vol. 25, no. 4, p. 605-619.
55
Wania, F., Semkin, R., Hoff, J. T., et Macka, D. (1999) Modelling the fate of non-polar organic chemicals during the melting of an Arctic snowpack, Hydrological Processes, vol. 13, p. 2245-2256. Weih, M., et Karlsson, P. S. (2002) Low Winter Soil Temperature Affects Summertime Nutrient Uptake Capacity and Growth Rate of Mountain Birch Seedlings in the Subarctic, Swedish Lapland, Arctic, Antarctic, and Alpine Research, vol. 34, no. 4, p. 434-439. Winston, G. C., Stephens, B. B., Sundquist, E. T., Hardy, J. P., et Davis, R. E. (1995) Seasonal variability in CO2 transport through snow in a boreal forest, Biogeochemistry of Seasonally Snow-Covered Catchments (Proceedings of a Boulder Symposium). IAHS Publ. no. 228, p. 61-70. Zepp, R.G., Sheldon, W.M., et Moran, M.A. (2004) Dissolved organic fluorophores in southeastern U.S. coastal waters: correction method for eliminating Rayleigh and Raman scattering peaks in excitation–emission matrices, Marine Chemistry, vol. 89, p. 15–37. Zhang, Y., Wang, S., Barr, A.G., et Black, T.A. (2008) Impact of snow cover on soil temperature and its simulation in a boreal aspen forest, Cold Regions Science and Technology, vol. 52, p. 355–370.
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9. ANNEXES
Annexe 1: Protocole de lavage du matériel d'échantillonnage explicitement inspiré
de celui du laboratoire de recherche de M. Richard Saint-Louis, ISMER.
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Annexe 2 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour la série
verticale du 21 mars 2010 pour le site Ouvert.
C X
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Annexe 3 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour la
couche 10-30 cm de neige du 3 avril 2010 du site Forêt.
Annexe 4 : Matrices d'excitation et d'émission de fluorescence (EEM) pour la série
verticale du 9 avril 2010 (site Forêt) et pour la couche 30-46 cm de neige (site Ouvert).
T
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Annexe 5 : Protocole de l’analyse de la fluorescence avec le Perkin-Elmer LS 45 Fluorescence Spectrometer (Nicholas Fecteau, juin 2008).
À noter : *TRÈS IMPORTANT de toujours manipuler avec des gants, car les mesures de fluorescence sont hyper sensibles aux contaminants présents sur la peau. *Pour un meilleur nettoyage des cellules de quartz, les faire tremper dans le Liquinox. *Pour une meilleure qualité de l’eau nanopure, utiliser un flacon laveur en Téflon. *La sauvegarde des données se fait automatiquement sur le C:\FLWINLAB\DATA. *Le blanc peut être fait soit avant ou après les autres analyses, pourvu qu’il soit fait au minimum une fois par jour de mesures. *L’Effet Tyndall : Une filtration des échantillons à 0,2 µm élimine cet effet.
Manipulations préliminaires (à prévoir au moins 1 heure avant l’analyse)
1- Préparer un bac d’eau à température pièce pour recevoir tous les échantillons à analyser;
2- Sortir les échantillons du réfrigérateur et les placer dans le bac d’eau pour
au moins 1 heure (s’assurer que les étiquettes ne décolleront pas et que les échantillons ne perdent leur identité);
3- Très important de les recouvrir d’une membrane ne laissant pas traverser
les rayons directs du soleil afin d’éviter la photodégradation;
4- Après une demi-heure environ, changer l’eau du bac pour en remettre de la nouvelle à température pièce.
Manipulations avec spectrofluorimètre
1- Démarrer le spectrofluorimètre (laisser réchauffer la lampe au moins 30 min avant son utilisation).
2- Ouvrir l’ordinateur (toujours attendre que le spectrofluorimètre soit bien allumé
avant de lancer le logiciel FL WinLab, sinon ce dernier risque de ne pas le détecter).
3- Ouvrir le logiciel FL WinLab.
4- Réglage des paramètres :
→ Status
-Pour ajouter la correction sur la lampe : Ex corr (fichier) -Pour changer le nom : Set Up parameters
→ Data Collection
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*À noter que les paramètres de collection de données pour le mode 3D Scan peuvent être réglés soit selon l’excitation ou l’émission. Le réglage qui suit est selon l’émission : (Cliquer sur l’icône Scan (le 3e à partir de la gauche) (Cliquer l’icône 3D scan mode (le 3e à partir de la gauche aussi) (Sélectionner Emission (une liste de paramètres s’affichera comme sur la figure ci-dessous. Il sera possible de sauvegarder la méthode à partir de →File →Save as. Elle pourra être réutilisée pour des analyses ultérieures).
*Les valeurs sur cette figure correspondent aux paramètres du protocole.
Start (nm) : le début de la plage d’émission; End (nm) : la fin de la plage d’émission; Excitation (nm) : la valeur à laquelle la plage d’excitation débutera; Excitation increment (nm) : intervalle d’excitation
Number of scans : la quantité de scan désirée déterminera l’étendue de la plage d’excitation. Si l’on désire une plage d’excitation de 260 nm à 500 nm, il faudra soumettre 25 scans avec un intervalle de 10 nm (une étendue de 240 nm débutant par la 1ère valeur d’excitation de la plage soit 260 nm). Result Filename : Inscrire le nom attribué à l’échantillon selon le type de scan, la date et son numéro. Exemple : Le nom F3D02070801.sp signifie que F3D = fluorescence 3 dimensions ; 020708 = le 2 juillet 2008 et 01 = le 1er échantillon qui est analysé. Il ne suffit que de prendre en note que 01 = échantillon x. Un scan de 25 spectres pour un même échantillon sera automatiquement noté comme suit : F3D02070801#01.sp ; F3D02070801#02.sp ; F3D02070801#03.sp … F3D02070801#25.sp
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5- Choisir une cellule (cuvette) carrée de quartz de 1 cm en la manipulant avec
soin et par le dessus et le dessous, car le faisceau passe par toutes les parois verticales (des traces de doigts influenceront les données d’où l’importance de porter des gants).
6- Rincer les cellules à 2 reprises avec de l’eau nanopure. Bien égoutter les cellules
puis les remplir d’eau nanopure à température pièce (elles serviront de blanc pour l’analyse des échantillons). Important de bien essuyer les 4 surfaces perpendiculaires à l’aide d’un linge de type KimWipe.
7- Insérer la cellule dans la case appropriée de l’appareil.
8- Lancer le scan (bouton du feu de circulation vert). Tout au long du scan, le feu
de circulation sera rouge. Une fois redevenu vert, il sera possible de retirer la cellule de l’appareil.
*Chaque échantillon excité à 260 nm contient des pics de fluorescence dans la région d’émission de 250-300 nm suivant un harmonique d’environ 250 nm, c'est-à-dire qu’ils se répètent dans la région 500-600 nm. Ils sont tout à fait normaux et sont appelés respectivement Rayleigh et Raman. Ils sont représentés sur la figure ci-dessous du spectre de l’eau nanopure. Une excitation plus élevée décalera l’émission à la hausse.
Diffusion de Rayleigh
Diffusion de Raman
Diffusion de Rayleigh
Diffusion de Raman
Inte
nsité
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9- Rincer la cellule retirée à 2 reprises avec de l’eau nanopure et ensuite à 2 reprises avec l’eau de l’échantillon à analyser (n’utiliser que quelques mL). Important de faire parcourir cette eau partout sur les parois afin d’éliminer toutes gouttelettes d’eau nanopure qui pourrait diluer la solution. Jeter ensuite cette eau dans un Bécher (elle ne sera pas récupérée) et remplir la cellule avec l’eau de l’échantillon.
10- Replacer à nouveau la cellule dans la case appropriée du spectrofluorimètre,
inscrire son nom (juste changer les deux derniers chiffres de la fin) et lancer l’analyse en appuyant sur l’icône du feu de circulation vert.
11- Répéter avec tous les autres échantillons.
Émission
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