Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / L’objectif de comprendre la dynamique forestière des peuplements de la pessière à mousses au nord du lac Saint-Jean (Québec). L’intervalle des feux moyen a été mesuré dans des stations représentatives d’une chronoséquence forestière à l’aide de la datation 14C de charbons de bois des sols forestiers. La structure, la date d’établissement des peuplements et la composition botanique des charbons montrent que les forêts étudiées évoluent sous une dynamique de récurrence. Les espèces bien adaptées au feu colonisent les régions ou les feux sont fréquents, tandis que les espèces peu adaptées au feu sont confinées aux stations où les feux sont rares. L’analyse des datations et de la composition des charbons de bois à l’échelle régionale indique que les feux sont présents dans la région depuis au moins 8000 ans et que le régime des feux et la composition des peuplements est demeurée stable au cours des 5000 dernières années.

Très peu d'études concernant la dynamique des combustibles dans la forêt boréale existent, et encore moins dans les peuplements à fort potentiel de paludification comme dans la pessière à mousse de la ceinture d'argile de l'est du Canada. L'objectif général de ce mémoire est donc d'étudier les interactions entre le TDF, les compositions initiales et plusieurs caractéristiques des combustibles, et de vérifier leurs effets potentiels sur le comportement des feux. Plus précisément, le chapitre 1 vise à comprendre comment s'accumulent et/ou s'arrangent les différentes catégories de combustibles selon le TDF et la composition initiale. De son côté, le chapitre 2 concerne l'analyse du comportement des feux potentiels reliés à ces combustibles avec deux logiciels de prévision des incendies forestiers (FBP - Fire Behavior Prediction et BehavePlus 5.0). Pour atteindre ces objectifs, nous avons inventorié les caractéristiques des combustibles dans 61 sites âgés de 11 à 356 ans et catégorisés dans 4 compositions initiales différentes étant dominées en début de succession par : 1) le peuplier faux-tremble (PTR), 2) le pin gris (PBA), 3) l'épinette issue d'un feu sévère (PMA-S) et issue d'un feu non sévère (PMA-N). Dans le premier chapitre, il est démontré que la composition initiale a un effet important sur les caractéristiques des combustibles, alors que le TDF en a que très peu. Les plus grandes différences sont observées entre les chronoséquences de PTR et de PMA-N. En effet, contrairement à la composition initiale de PTR, celle de PMA-N tend à avoir une charge de matière morte au sol moindre, tout en ayant une meilleure continuité entre les différentes strates de combustibles. Nous montrons aussi, qu'à l'inverse de certains autres biomes forestiers, il y a peu d'accumulation de combustibles avec le TDF. Dans le deuxième chapitre, les résultats se rapportant au comportement du feu associés avec les valeurs de combustibles sont différents selon le modèle de comportement du feu utilisé. Étonnamment, dans les deux modèles, la composition initiale de PMA-N possède la plus grande vitesse de propagation. Dans FBP, l'intensité y était même maximale. De plus, les différences significatives au niveau de la charge en combustible entre les compositions initiales de PTR et des autres compositions initiales se sont traduites en comportements très différents dans les deux modèles. Nos conclusions sont donc que la paludification a un effet indirect sur la dynamique des combustibles en pessière à mousse. Cet effet s'opère lors de la transformation de la composition des forêts avec le TDF, qui elle, a un effet direct sur plusieurs caractéristiques des combustibles. Néanmoins, nous soulignons le fait que les résultats portant sur le comportement du feu proviennent d'outils de prévision qui ne sont pas adaptés à la pessière à mousse en ceinture d'argile et qu'il serait important de les améliorer en implantant un nouveau module de prévision de la combustion lente au sol et/ou un nouveau type de combustible incorporant les modifications en structure des peuplements paludifiés pour le FBP. ______________________________________________________________________________

La dynamique du carbone en forêt boréale est contrôlée par celle des incendies qui consument partiellement la biomasse et la matière organique du sol, libérant du carbone dans l’atmosphère. À long terme, une perte de résilience peut conduire les forêts brûlées à évoluer vers des écosystèmes présentant différentes compositions, structures et cycles biogéochimiques. Les modèles prédictifs de la dynamique du carbone en forêt boréale simulent rarement ces différentes trajectoires successionnelles, ce qui biaise les prévisions à long terme. Nous avons étudié la résilience aux incendies et la dynamique du carbone des pessières à mousses du Québec. La régénération de l’épinette noire, du pin gris et du sous-bois a été inventoriée suite à trois années d’importante activité des feux dans la province. Trois à cinq ans après feu, une épaisse couche de matière organique résiduelle avait compromis l’établissement de l’épinette noire, provoquant une ouverture du couvert et un changement de dominance vers le pin gris. Les éricacées s’étaient régénérées en abondance dans la plupart des parcelles. La composition du sous-bois après feu était principalement déterminée par les caractéristiques du site et du peuplement. Elle reflétait les assemblages d’origine, les legs biologiques ayant été préservés par la faible sévérité des incendies. Nous avons ensuite modélisé les feux, la succession et la dynamique du carbone à l’échelle du paysage pour quantifier l’impact de la sévérité du feu et de la régénération des arbres sur le cycle du carbone. Une diminution de 13 % du carbone stocké dans le paysage était prédite au bout de 500 ans lorsqu’on simulait la sévérité du feu et son impact sur la régénération. Cette diminution était plus fortement liée à la faible régénération de l’épinette noire qu’à la combustion de la matière organique en elle-même. Les émissions liées au feu étaient déterminées par les variations de la surface annuelle brûlée. Ainsi, la perte de résilience des pessières à mousses suite aux feux légers affecte fortement le stockage du carbone à long terme. Le modèle utilisé pourrait encore être amélioré en incorporant la dynamique du sous-bois. / Wildfire is a major driver of carbon dynamics in boreal forests. Immediate effects of wildfires include partial consumption of aboveground biomass and the forest floor, and carbon emissions to the atmosphere. Wildfires can also have long-term effect on carbon cycling. Indeed, when resilience of burned forests is exceeded, regenerating ecosystems differ from that of the pre-fire stands in composition, structure and biogeochemical cycles. Predictive models of carbon dynamics in boreal forests rarely take into account such multiple post-fire successional trajectories, which could bias long-term predictions of carbon storage and emissions. This study examined post-fire ecosystem resilience and carbon dynamics of black spruce-feathermoss forests of Quebec. Regeneration of black spruce, jack pine and understory plant communities were inventoried three to five years after the occurrence of a three-year episode of major fire activity in the province. In the studied plots, low burn severity had left intact a thick residual organic layer that impeded black spruce establishment. As a result, stem density of the burned stand decreased, while jack pine became dominant. Ericales resprouted abundantly. Understory regeneration was mainly driven by pre-fire site and stand characteristics. Post-fire understory composition reflected pre-fire species assemblages, because biological legacies were preserved by the low-severity fires. A model was used to simulate wildfires, succession and carbon dynamics at the landscape level, in order to assess the influence of forest floor combustion and post-fire tree regeneration on carbon cycling. After 500 years of simulation, modelling of burn severity and its influence on post-fire tree establishment caused a 13% decrease in predicted landscape carbon stocks. Simulation of the forest floor combustion alone caused a lower decrease in predicted carbon stocks than simulation of low spruce regeneration rates. Modelled fire emissions were mainly driven by variations in annual area burned. Loss of resilience of black spruce-feathermoss forests can have long-term consequences on carbon stocks. The model used in the present study could be further improved by incorporating explicit simulation of understory species dynamics.

Les tourbières ombrotrophes (bogs) sont connues pour être des puits de carbone, en partie, en raison de leur résistance et leur résilience au feu. Ainsi, dans un contexte de changement climatique où plusieurs politiques incitent à diminuer les émissions de carbone vers l’atmosphère, on vise la restauration rapide de toute tourbière dégradée. L’industrie horticole canadienne a développé une méthode de restauration écologique prometteuse. Plus de 100 sites ont été restaurés au Canada et malgré plusieurs indicateurs de succès du fonctionnement de l’écosystème, on espère que les jeunes sites récemment restaurés seront résistants et résilients au feu. Toutefois, peu d’études concernent la réponse d’un écosystème restauré à une perturbation ultérieure à la restauration et aucune ne concerne la réponse au feu d’une tourbière restaurée. À la fin de l’été 2014, un feu s’est déclaré dans une tourbière brûlant partiellement un secteur restauré vieux de dix ans et un secteur naturel avoisinant. Cela offre la première occasion d’observer la réponse au feu d’une tourbière restaurée. Cette étude se divise en deux objectifs:1) déterminer si la capacité d’accumulation de carbone et le recouvrement végétal sont similaires entre les zones brûlées et non brûlées du secteur restauré, une saison de croissance après le feu; 2) comparer la reprise muscinale après feu entre le secteur restauré et le secteur naturel. Le taux de production de phytobiomasse était semblable entre les zones brûlées et non brûlées et le recouvrement végétal des zones brûlées retournait à un état semblable aux zones non brûlées à la fin de la première saison de croissance après le feu pour le secteur restauré. Les buttes de sphaignes du secteur restauré ont mieux résisté au feu et affichent une meilleure récupération initiale de la strate muscinale que le secteur naturel. Cette étude montre une tendance vers la résilience au feu des bogs restaurés. / Ombrotrophic peatlands (bogs) are known to be Carbone sink partially because of their resistance and resilience to fire. In a global climatic change context with politics aiming toward a reduction of atmospheric Carbone emission, a quick restoration of every degrade peatlands is desirable. The Canadian horticultural industry developed a promising peatland restoration technique. More than 100 sites were restored in Canada and despite many success indicators, we still hope that restored peatlands are resistantandresilient to fire. Indeed, few studies assess an ecosystem response to a disturbance happening after restorationandnone evaluates the response to fire of restored peatlands. At the end of summer 2014, a fire occurred in a Southern Quebec bog, partially burning a ten years old restored sectoranda natural one nearby providing the first opportunity to study the response to fire of a restored peatland. This research is divided in two objectives: 1) determine if the peat accumulation potentialandplant cover are the same between the burnedandunburned parts of the restored sector one growing season after fireand2) compare the mosses strata recovery between the naturalandthe restored sectors. The phytobiomass production rate was similar between the burnedandunburned parts of the restored sectorandthe burned parts plant cover growths significantly during the first growing season after fire, even reaching a similar level as the unburned parts for some areas. Sphagnumhummocks of the restored sectors showed a better resistanceandrecovery than the one in the natural sector. Thus, this study shows a tendency to resilience to fire of restored ombrotrophic peatlands.

Les objectifs de ce projet étaient, en premier lieu, de comprendre l’effet d’une perturbation naturelle (le feu) sur la disponibilité et l’abondance des arbres morts sur pied et sur les oiseaux résidant dans la forêt boréale non-aménagée de l’Est du Québec. En deuxième lieu, j’ai voulu comprendre l’effet des changements de structure et de composition des forêts boréales sur les communautés d’oiseaux en général et ce, le long de deux chronoséquences couvrant plus de 200 ans après feu. Mes résultats montrent que le taux de mortalité des arbres forme un patron en U caractérisé par une forte abondance de chicots dans les jeunes peuplements et dans les peuplements âgés. Ces peuplements sont caractérisés par un plus grand nombre de cavités et de signes d’alimentation de la part des oiseaux résidents. Toutefois, la richesse en espèces des oiseaux n’a que très peu varié en fonction des classes d’âge des peuplements, mais plusieurs espèces sont disparues et d’autres ont été recrutées en fonction des stades de succession. Cette étude souligne l’attention qu’il faut porter à tous les stades de succession de la forêt boréale, spécialement aux vieilles forêts qui procurent un environnement hétérogène requis par un grand nombre d’espèces. / The first objective of this project was to understand the effect of natural fire disturbance on the availability and abundance of dead trees (snags) and their use by cavity-nesting birds in the northeastern part of Quebec’s unmanaged boreal forest stands. Secondly, I aimed to understand the effects of the structure and composition of the boreal forest on bird species communities along two long-term chronosequences after fire (0 to > 200 years postfire). Results show that tree mortality follow a U-shape pattern, with more snags in young and old-growth forests, where I also found more nest cavities and foraging signs. Although bird species richness did not vary greatly according to the different age classes, many species were lost and others recruited following succession stages. This study highlights the need to protect the forest at all stages, especially old-growth, which provides a heterogeneous environment suitable for several bird species.

Les pessières noires à mousses de la forêt boréale du Québec représentent près de 27% du territoire total québécois et se sont historiquement renouvelées selon un régime naturel de feux. Plus récemment, les coupes forestières totales ont graduellement laissé la place aux coupes avec protection de la régénération et des sols, qui limitent la circulation de la machinerie à des sentiers de débardage régulièrement espacés. Suite à l'ouverture du couvert forestier par la coupe forestière, les éricacées du sous-étage peuvent compromettre la régénération et la croissance de l'épinette noire. Dans le contexte de la recherche de stratégies d'aménagement forestier qui s'inspirent du régime des perturbations naturelles, l'objectif de cette thèse était de comparer les patrons spatiaux et temporels des propriétés physico-chimiques et microbiologiques du sol organique, de la taille, de la densité et de la régénération de l'épinette noire, et du recouvrement et de la biomasse aérienne des éricacées après feu et après coupe, dans la pessière noire à mousses. Nos résultats démontrent que les feux et les coupes ne laissent pas la même empreinte spatiale. Le feu est à l'origine des patrons à plusieurs échelles qui reflètent l'existence de zones brûlées à différentes intensités. La coupe impose une structure répétitive où les propriétés du sol et de la végétation sont différentes selon la zone occupée sur le parterre de coupe (i.e., sentiers de débardage ou zones de protection). En modifiant les processus et les propriétés du sol, ainsi qu'en affectant la distribution spatiale et la croissance de l'épinette noire selon les différentes zones d'occupation, les éricacées contribuent à maintenir les différences existantes (a) entre les sentiers et les zones de protection, et (b) à l'intérieur des zones de protection, entre les agrégats (i.e., patches) que les éricacées occupaient avant la coupe et les zones où le couvert forestier était fermé. Ces différentes signatures spatiales après feu et après coupe ne convergent pas à long-terme (62-98 ans). Cette thèse constitue un travail de recherche multidisciplinaire qui a apporté des connaissances originales concernant l'adéquation des méthodes numériques aux problématiques écologiques, l'écologie spatiale de la régénération des éricacées et la compréhension des régimes des perturbations naturelles et anthropogéniques, qui est une étape fondamentale au développement raisonné de l'aménagement écosystémique.

Ce mémoire évalue l'influence des perturbations naturelles et anthropiques sur l'utilisation de l'habitat par deux espèces animales. Nous avons comparé l'intensité d'utilisation de l'habitat par le lièvre d'Amérique (Lepus americanus) et par l'écureuil roux (Tamiasciurus hudsonicus) le long de deux chronoséquences de succession, l'une après feu (20-200 ans) et l'autre après coupe (20-80 ans), dans la forêt boréale du Nord-Est québécois. Nous avons également caractérisé les changements temporels de la végétation le long des chronoséquences. Nos résultats révèlent que le lièvre d'Amérique utilise préférentiellement les coupes et que le maximum d'utilisation de l'habitat par l'écureuil roux a lieu environ 20 ans plus tôt après coupe qu'après feu. Le développement plus rapide de la régénération du sapin baumier (Abies balsamea) après coupe qu'après feu pourrait partiellement expliquer ces différences. Ces résultats indiquent que la coupe à blanc ne reproduit pas parfaitement les effets du feu.

Les tourbières ombrotrophes furent souvent considérées comme des barrières à la propagation des feux en raison de leur faible biomasse et de leur humidité élevée. Toutefois, la présence d'horizons carbonisés en surface et dans la stratigraphie de la tourbe indique que ces écosystèmes furent affectés par le feu dans le passé. Le premier objectif est de reconstituer la chronologie des feux ayant eu lieu dans trois tourbières près de Radisson au Québec nordique (53°N ; 77°0) à l'aide de l' analyse des charbons macroscopiques (> 0,5 mm) de profils de tourbe et de la datation 14C SMA de charbons. Le second objectif est de retracer les successions végétales après-feu par l'analyse des macrorestes végétaux. L' analyse sporopollinique précise la dynamique végétale pour l'un des sites. La fréquence des feux dans ces tourbières est nettement moindre qu'au sein des forêts régionales mais semblable à celle d' autres tourbières ombrotrophes boréales. Les communautés végétales post-incendies ( e.g. mousses) se sont parfois maintenues plusieurs siècles. Enfin, les feux ont parfois provoqué des diminutions drastiques de l'accumulation organique.