Reconstructions paléoclimatiques à partir des chironomes fossiles :calibration méthodologique et application à l'étude des érablières nordiques du Québec

Paleoclimatic reconstructions from fossil chironomids: methodological calibration and application to the study of marginal stands of temperate trees in Quebec

• Auteur / Autrice : Thomas Suranyi
• Direction : Laurent Millet, Olivier Blarquez
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biologie des populations et écologie
• Date : Inscription en doctorat le 07/12/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté en cotutelle avec Université de Montréal
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chrono-Environnement

Mots clés

Mots clés libres

Changement climatique

Érable

Chironomes

Paléoclimat

Forêt

Fonction de transfert

Forest

Chironomids

Paleoclimate

Climate change

Transfer function

Sugar maple

Résumé

Notre projet s'inscrit dans un plus vaste programme de recherche portant sur les érablières nordiques. Ce programme vise à déterminer, dans le contexte du réchauffement climatique, le devenir des peuplements marginaux d'érables (Acer saccharum et Acer rubrum) à leur limite nord de répartition, et notamment estimer leur potentiel de migration depuis la forêt tempérée vers la forêt boréale. Pour cela différentes approches contemporaines et rétrospectives seront mises en œuvre. Les approches rétrospectives auront pour but de caractériser, à l'échelle de l'Holocène, l'origine de l'établissement de ces érablières nordiques ainsi que leur dynamique écologique passée, en interaction avec les changements du climat et les perturbations naturelles tel que les incendies. Ce type d'approche nécessite donc l'utilisation de marqueurs paléoécologiques des régimes de feux, de la végétation et du climat qui soient indépendants les uns des autres. Or, les reconstructions paléoclimatiques sont généralement réalisées avec le pollen (Viau et al., 2012), il n'est donc pas envisageable d'étudier les relations végétation/climat à partir de ce même marqueur, au risque de produire un raisonnement circulaire. Il est donc nécessaire de développer l'utilisation de nouveaux marqueurs paléoclimatiques qui soient indépendants de la végétation. Une possibilité serait d'utiliser les assemblages de Chironomidae (Diptères) subfossiles des sédiments lacustres. Étant donné qu'il a été montré dans de nombreuse régions du monde, y compris en Amérique du Nord, que la composition des assemblages de chironomes est principalement contrôlée par la températures estivale (Barley et al., 2006; Francis, 2004; Gajewski et al., 2005; Larocque et al., 2006; Porinchu et al., 2009; Walker et al., 1991; Walker & Mathewes, 1989), il est possible d'utiliser leurs restes subfossiles comme proxy paléoclimatique. De plus, il existe déjà au Québec un référentiel moderne de la distribution géographique des assemblages de chironomes (Larocque, 2008) permettant de reconstruire quantitativement les températures d'août (Bajolle et al., 2018). Nous proposons donc pour notre projet de développer et d'utiliser les assemblages de chironomes subfossiles comme indicateur paléoclimatique dans le cadre du travail sur les érablières nordiques. Ce projet serait constitué de trois grandes parties. Dans un premier temps, notre objectif sera de compléter le référentiel actuel de Larocque, 2008, qui manque encore de lacs avec une température d'août supérieure à 15°C. Puis nous évaluerons les performances du modèle d'inférence sur des carottes sédimentaire courtes par comparaison aux données instrumentales météorologiques sur la période récente. Dans un deuxième temps, nos efforts porteront à retracer l'histoire climatique Holocène de notre zone d'étude, à la transition entre la forêt tempérée et la forêt boréale. Pour cette étape, nous utiliserons des carottes sédimentaires provenant de deux lacs. Nous faisons le choix d'une approche multi-sites afin d'assurer la fiabilité des reconstructions de températures, qui peuvent parfois être affectées par des biais locaux (Bajolle et al., 2019). Dans un troisième et dernier temps, nous mettrons en lien l'histoire climatique, reconstituée par les assemblages de chironomes, avec l'histoire écologique (pollen et charbons ; réaliser dans d'autres projets). Ceci devrait permettre, in fine, de mieux comprendre les processus naturels régissant la dynamique écologique des érablières nordiques. Ces connaissances pourront ensuite servir à définir de nouvelles cibles d'aménagement écosystémique et aider l'industrie forestière à s'adapter aux changements climatiques futures. Références : Bajolle, L., Larocque-Tobler, I., Gandouin, E., Lavoie, M., Bergeron, Y., & Ali, A. A. (2018). Major postglacial summer temperature changes in the central coniferous boreal forest of Quebec (Canada) inferred using chironomid assemblages: MAJOR POSTGLACIAL SUMMER TEMPERATURE CHANGES IN. Journal of Quaternary Science, 33(4), 409–420. https://doi.org/10.1002/jqs.3022 Bajolle, L., Larocque-Tobler, I., Ali, A. A., Lavoie, M., Bergeron, Y., & Gandouin, E. (2019). A chironomid-inferred Holocene temperature record from a shallow Canadian boreal lake: potentials and pitfalls. Journal of Paleolimnology, 61(1), 69–84. https://doi.org/10.1007/s10933-018-0045-9 Barley, E. M., Walker, I. R., Kurek, J., Cwynar, L. C., Mathewes, R. W., Gajewski, K., & Finney, B. P. (2006). A northwest North American training set: distribution of freshwater midges in relation to air temperature and lake depth. Journal of Paleolimnology, 36(3), 295–314. https://doi.org/10.1007/s10933-006-0014-6 Francis, D. R. (2004). Distribution of Midge Remains (Diptera: Chironomidae) in Surficial Lake Sediments in New England. Northeastern Naturalist, 11(4), 459–478. https://doi.org/10.1656/1092-6194(2004)011[0459:DOMRDC]2.0.CO;2 Gajewski, K., Bouchard, G., Wilson, S. E., Kurek, J., & Cwynar, L. C. (2005). Distribution of Chironomidae (Insecta: Diptera) Head Capsules in Recent Sediments of Canadian Arctic Lakes. Hydrobiologia, 549(1), 131–143. https://doi.org/10.1007/s10750-005-5444-z Larocque, I. (2008). Nouvelle fonction de transfert pour reconstruire la température à l'aide des chironomides préservés dans les sédiments lacustres. (Rapport de recherche (R1032)). INRS, Centre Eau, Terre et Environnement, Québec. Larocque, I., Pienitz, R., & Rolland, N. (2006). Factors influencing the distribution of chironomids in lakes distributed along a latitudinal gradient in northwestern Quebec, Canada. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 63(6), 1286–1297. https://doi.org/10.1139/f06-020 Porinchu, D., Rolland, N., & Moser, K. (2009). Development of a chironomid-based air temperature inference model for the central Canadian Arctic. Journal of Paleolimnology, 41(2), 349–368. https://doi.org/10.1007/s10933-008-9233-3 Viau, A. E., Ladd, M., & Gajewski, K. (2012). The climate of North America during the past 2000years reconstructed from pollen data. Global and Planetary Change, 84–85, 75–83. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2011.09.010 Walker, I. R., & Mathewes, R. W. (1989). Chironomidae (Diptera) remains in surficial lake sediments from the Canadian Cordillera: analysis of the fauna across an altitudinal gradient. Journal of Paleolimnology, 2(1), 61–80. https://doi.org/10.1007/BF00156985 Walker, I. R., Smol, J. P., Engstrom, D. R., & Birks, H. J. B. (1991). An Assessment of Chironomidae as Quantitative Indicators of Past Climatic Change. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 48(6), 975–987. https://doi.org/10.1139/f91-114

Our project is part of a larger research program on northern sugar bushes. This program aims to determine, in the context of global warming, the fate of marginal maple stands (Acer saccharum and Acer rubrum) at their northern limit of distribution, and in particular to estimate their potential for migration from the temperate forest to the boreal forest. For this, different contemporary and retrospective approaches will be implemented. The retrospective approaches will aim to characterize, on a Holocene scale, the origin of the establishment of these northern maple stands as well as their past ecological dynamics, in interaction with climate change and natural disturbances such as fire. This type of approach therefore requires the use of paleoecological markers of fire regimes, vegetation and climate that are independent of each other. However, paleoclimatic reconstructions are generally carried out using pollen (Viau et al., 2012), so it is not possible to study vegetation/climate relationships using this same marker, at the risk of producing a circular reasoning. It is therefore necessary to develop the use of new paleoclimatic markers that are independent of vegetation. One possibility would be to use subfossil Chironomidae (Diptera) assemblages from lake sediments. Since it has been shown in many parts of the world, including North America, that the composition of chironomid assemblages is mainly controlled by summer temperatures (Barley et al., 2006; Francis, 2004; Gajewski et al., 2005; Larocque et al., 2006; Porinchu et al., 2009; Walker et al., 1991; Walker & Mathewes, 1989), it is possible to use their subfossil remains as a paleoclimatic proxy. In addition, a modern reference system for the geographical distribution of chironomid assemblages already exists in Quebec (Larocque, 2008), allowing quantitative reconstruction of August temperatures (Bajolle et al., 2018). We therefore propose for our project to develop and use subfossil chironomid assemblages as a paleoclimatic indicator in the context of work on northern maple stands. This project would consist of three main parts. Firstly, our objective will be to complete the current Larocque, 2008 referential, which still lacks lakes with August temperatures above 15°C. Then we will evaluate the performance of the inference model on short sediment cores by comparison with instrumental meteorological data over the recent period. Secondly, our efforts will focus on tracing the Holocene climatic history of our study area, at the transition between temperate and boreal forests. For this step, we will use sediment cores from two lakes. We are choosing a multi-site approach to ensure the reliability of temperature reconstructions, which can sometimes be affected by local biases (Bajolle et al., 2019). In a third and final step, we will link the climatic history, reconstructed by chironomid assemblages, with the ecological history (pollen and charcoals; to be carried out in other projects). This should ultimately lead to a better understanding of the natural processes governing the ecological dynamics of northern maple stands. This knowledge can then be used to define new ecosystem management targets and help the forest industry adapt to future climate change. References : Bajolle, L., Larocque-Tobler, I., Gandouin, E., Lavoie, M., Bergeron, Y., & Ali, A. A. (2018). Major postglacial summer temperature changes in the central coniferous boreal forest of Quebec (Canada) inferred using chironomid assemblages: MAJOR POSTGLACIAL SUMMER TEMPERATURE CHANGES IN. Journal of Quaternary Science, 33(4), 409–420. https://doi.org/10.1002/jqs.3022 Bajolle, L., Larocque-Tobler, I., Ali, A. A., Lavoie, M., Bergeron, Y., & Gandouin, E. (2019). A chironomid-inferred Holocene temperature record from a shallow Canadian boreal lake: potentials and pitfalls. Journal of Paleolimnology, 61(1), 69–84. https://doi.org/10.1007/s10933-018-0045-9 Barley, E. M., Walker, I. R., Kurek, J., Cwynar, L. C., Mathewes, R. W., Gajewski, K., & Finney, B. P. (2006). A northwest North American training set: distribution of freshwater midges in relation to air temperature and lake depth. Journal of Paleolimnology, 36(3), 295–314. https://doi.org/10.1007/s10933-006-0014-6 Francis, D. R. (2004). Distribution of Midge Remains (Diptera: Chironomidae) in Surficial Lake Sediments in New England. Northeastern Naturalist, 11(4), 459–478. https://doi.org/10.1656/1092-6194(2004)011[0459:DOMRDC]2.0.CO;2 Gajewski, K., Bouchard, G., Wilson, S. E., Kurek, J., & Cwynar, L. C. (2005). Distribution of Chironomidae (Insecta: Diptera) Head Capsules in Recent Sediments of Canadian Arctic Lakes. Hydrobiologia, 549(1), 131–143. https://doi.org/10.1007/s10750-005-5444-z Larocque, I. (2008). Nouvelle fonction de transfert pour reconstruire la température à l'aide des chironomides préservés dans les sédiments lacustres. (Rapport de recherche (R1032)). INRS, Centre Eau, Terre et Environnement, Québec. Larocque, I., Pienitz, R., & Rolland, N. (2006). Factors influencing the distribution of chironomids in lakes distributed along a latitudinal gradient in northwestern Quebec, Canada. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 63(6), 1286–1297. https://doi.org/10.1139/f06-020 Porinchu, D., Rolland, N., & Moser, K. (2009). Development of a chironomid-based air temperature inference model for the central Canadian Arctic. Journal of Paleolimnology, 41(2), 349–368. https://doi.org/10.1007/s10933-008-9233-3 Viau, A. E., Ladd, M., & Gajewski, K. (2012). The climate of North America during the past 2000years reconstructed from pollen data. Global and Planetary Change, 84–85, 75–83. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2011.09.010 Walker, I. R., & Mathewes, R. W. (1989). Chironomidae (Diptera) remains in surficial lake sediments from the Canadian Cordillera: analysis of the fauna across an altitudinal gradient. Journal of Paleolimnology, 2(1), 61–80. https://doi.org/10.1007/BF00156985 Walker, I. R., Smol, J. P., Engstrom, D. R., & Birks, H. J. B. (1991). An Assessment of Chironomidae as Quantitative Indicators of Past Climatic Change. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 48(6), 975–987. https://doi.org/10.1139/f91-114