Propriétés fonctionnelles et spectrales d’espèces végétales de tourbières ombrotrophes le long d’un gradient de déposition d’azote

Les tourbières ombrotrophes, ou bogs sont particulièrement vulnérables à l’augmentation de la déposition atmosphérique d’azote. Cet apport d’un nutriment normalement limitant altère la capacité des tourbières à accumuler le carbone (C), en plus de mener à des changements de leur composition végétale. L’imagerie spectrale est une approche prometteuse puisqu’elle rend possible la détection des espèces végétales et de certaines caractéristiques chimiques des plantes, à distance. Toutefois, l’ampleur des différences spectrales intra- et interespèces n’est pas encore connue. Nous avons évalué la façon dont la chimie, la structure et la signature spectrale des feuilles changent chez Chamaedaphne calyculata, Kalmia angustifolia, Rhododendron groenlandicum et Eriophorum vaginatum, dans trois tourbières du sud du Québec et de l’Ontario, incluant une tourbière où se déroule une expérience de fertilisation à long terme. Nous avons mesuré des changements dans les traits fonctionnels dus aux différences dans la quantité d’azote disponible dans les sites. Toutefois, la déposition atmosphérique d’azote a eu relativement peu d’effet sur les spectres foliaires ; les variations spectrales les plus importantes étaient entre les espèces. En fait, nous avons trouvé que les quatre espèces ont un spectre caractéristique, une signature spectrale permettant leur identification au moyen d’analyses discriminantes des moindres carrés partiels (PLSDA). De plus, nous avons réussi à prédire plusieurs traits fonctionnels (l’azote, le carbone ; et la proportion d’eau et de matière sèche) avec moins de 10 % d’erreur grâce à des régressions des moindres carrés partiels (PLSR) des données spectrales. Notre étude fournit de nouvelles preuves que les variations intraspécifiques, causées en partie par des variations environnementales considérables, sont perceptibles dans les spectres foliaires. Toutefois, les variations intraspécifiques n’affectent pas l’identification des espèces ou la prédiction des traits. Nous démontrons que les spectres foliaires comprennent des informations sur les espèces et leurs traits fonctionnels, confirmant le potentiel de la spectroscopie pour le suivi des tourbières. Abstract Bogs, as nutrient-poor ecosystems, are particularly sensitive to atmospheric nitrogen (N) deposition. Nitrogen deposition alters bog plant community composition and can limit their ability to sequester carbon (C). Spectroscopy is a promising approach for studying how N deposition affects bogs because of its ability to remotely determine changes in plant species composition in the long term as well as shorter-term changes in foliar chemistry. However, there is limited knowledge on the extent to which bog plants differ in their foliar spectral properties, how N deposition might affect those properties, and whether subtle inter- or intraspecific changes in foliar traits can be spectrally detected. Using an integrating sphere fitted to a field spectrometer, we measured spectral properties of leaves from the four most common vascular plant species (Chamaedaphne calyculata, Kalmia angustifolia, Rhododendron groenlandicum and Eriophorum vaginatum) in three bogs in southern Québec and Ontario, Canada, exposed to different atmospheric N deposition levels, including one subjected to a 18 years N fertilization experiment. We also measured chemical and morphological properties of those leaves. We found detectable intraspecific changes in leaf structural traits and chemistry (namely chlorophyll b and N concentrations) with increasing N deposition and identified spectral regions that helped distinguish the site-specific populations within each species. Most of the variation in leaf spectral, chemical and morphological properties was among species. As such, species had distinct spectral foliar signatures, allowing us to identify them with high accuracy with partial least squares discriminant analyses (PLSDA). Predictions of foliar traits from spectra using partial least squares regression (PLSR) were generally accurate, particularly for the concentrations of N and C, soluble C, leaf water, and dry matter content (<10% RMSEP). However, these multi-species PLSR models were not accurate within species, where the range of values was narrow. To improve the detection of short-term intraspecific changes in functional traits, models should be trained with more species-specific data. Our field study showing clear differences in foliar spectra and traits among species, and some within-species differences due to N deposition, suggest that spectroscopy is a promising approach for assessing long-term vegetation changes in bogs subject to atmospheric pollution.

Keyphrases: traits foliaires, signature spectrale, analyses des moindres carrés partiels (PLS), télédétection, azote, déposition atmosphériqued'azote, tourbière ombrotrophe, functional traits, spectral signature, ombrotrophic bog, partial least squares regression (PLSR), partial least squares discriminant analysis (PLSDA), spectranomics, spectroscopy, peatland, reflectance