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

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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