Cette étude a évalué l’influence de la température et de la teneur en humidité du bois sur son comportement mécanique lors du procédé d’obtention des copeaux papetiers. Les propriétés mécaniques qui furent étudiées sont le cisaillement parallèle au fil, le fendillement et la flexion statique. Des échantillons jumelés du duramen et de l’aubier ont été pris des billes d’épinette noire et de sapin baumier pour chaque propriété mécanique. Les essais mécaniques ont été conduits à des températures variant entre -30ʻC et 20ʻC et à des intervalles de 10ʻC. La teneur en humidité des échantillons était largement au-dessus du point de saturation des fibres. La teneur en humidité, la masse volumique basale et la largeur des cernes ont aussi été mesurées pour chaque échantillon. Les résultats montrent que, pour les deux espèces et pour toutes les propriétés mécaniques étudiées, la température a eu un effet significatif sur les propriétés mécaniques uniquement au-dessous de 0ʻC. Dans ce cas, cet effet a été plus évident pour l’aubier que pour le duramen. En général, pour des températures de 0ʻC et plus, la température n’a pas affecté différemment les propriétés mécaniques étudiées, autant pour l’aubier que pour le duramen. Le fendillement a été la propriété mécanique la plus sensible à la variation de la température, suivi par le cisaillement et le MOR et le MOE en flexion. En outre, la teneur en humidité a été l’élément le plus important pour expliquer les propriétés mécaniques au-dessous de 0ʻC. En revanche, pour les températures de 0ʻC et plus, la masse volumique basale fut le facteur principal pour expliquer les propriétés mécaniques. La largeur des cernes de croissance n’a pas constitué un élément significatif pour prédire aucune propriété mécanique. Les résultats de ce travail devraient servir à améliorer la performance des équarrisseuses-fragmenteuses autant en hiver qu’en été.

Le but du présent projet vise à déterminer les effets de l’angle d’attaque, de l’orientation de coupe et de la profondeur de coupe, sur les efforts de coupe et la qualité de surface pendant l’équarrissage du bois d’épinette noire. Pour ce faire, l’étude a comporté deux volets. Le premier volet visait à déterminer les efforts de coupe avec un dynamomètre triaxial (placé sur la table d’amenage d’une fraiseuse ayant un angle de couteau de 20° et une vitesse d’avance de 7.6 mm/s), lors des coupes faites avec 4 angles d’attaque (35°, 45°, 55° et 65°), 4 orientations (0°-90°, 15°-75°, 30°-60° et 45°-45°) et 3 profondeurs (1, 2 et 3 mm). Le deuxième volet comportait la mesure de la qualité de la surface obtenue avec un profilomètre confocal muni d’un stylo optique ayant une profondeur de champ de 24 mm. Les critères d’évaluation furent le fil arraché, l’ondulation et la rugosité. Les résultats ont montré qu’au fur et à mesure que l’angle d’attaque augmente, les efforts de coupe, le fil arraché, l’ondulation et la qualité de surface diminuent. L’angle d’attaque de 65º a produit les efforts de coupe les plus faibles et les meilleures qualités de surface, indépendamment de l’orientation et de la profondeur de coupe. Les effets de la profondeur de coupe sur la variation des efforts de coupe et de la qualité de surface furent plus importants que ceux de l’orientation de coupe. Ainsi, au fur et à mesure que la profondeur diminue, les effets de l’orientation de coupe sur les efforts de coupe et la qualité de surface se retrouvent amoindris. L’application de ces résultats au travail d’une équarrisseuse-fragmenteuse est analysée.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / L’objectif de cette étude fut d’établir l’effet de la teneur en humidité d’équilibre et de la température sur les constantes élastiques du bois d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.). La méthode de six éprouvettes fut utilisée pour déterminer les constantes élastiques à huit conditions hygrothermiques, soit à quatre teneurs en humidité (7%, 13%, 17% et au-dessus de la saturation des membranes) et à deux niveaux de température (30°C et 50°C). Les mesures de déformabilité ont été faites en compression axiale. La déformation axiale fut mesurée avec un capteur linéaire Sangamo DG1.0 (LVDT). La déformation transverse fut mesurée avec un capteur extensométrique à demi–anneau (CEDA). Les résultats ont indiqué que la déformabilité du bois augmente au fur et à mesure que son humidité d’équilibre augmente. De plus, pour une même humidité d’équilibre, le bois devient plus déformable à mesure que la température s’élève de 30°C à 50°C. / The objective of this research was to study the influence of the equilibrium moisture content (EMC) and temperature on the mechanical properties of black spruce wood (Picea mariana (Mill.) B.S.P.). The six specimen technique was used to determine the elastic parameters under eight hygrothermal conditions: four EMC (7%, 13%, 17% and above the fiber saturation point) at two temperatures (30°C and 50°C). Measurements were made in axial compression tests. Axial strain was measured using a Sangamo DG1.0 linear displacement sensor (LVDT). Transverse strain was measured using two semi-ring extensometers. The results show than wood deformability increases as EMC and temperature increase. Furthermore, at the given EMC, wood deformability increases as temperature increases from 30°C to 50°C.

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.

La présente étude décrit la diversité des communautés de champignons ectomycorhiziens (ECM) sur deux sites après coupe à blanc en Alberta (Canada). Ces sites ont été reboisés artificiellement en 1998 avec de jeunes semis de conifères (Picea glauca, Picea mariana et Pinus contorta var. latifolia). Ces derniers avaient été inoculés au cours de leur production en pépinière avec six espèces de champignons ECM (Hebeloma longicaudum, Laccaria bicolor, Paxillus involutus, Pisolithus tinctorius, Rhizopogon vinicolor et Suillus tomentosus). Pour étudier les communautés fongiques ainsi que la persistance des souches ECM introduites et rendre compte de leur influence sur les communautés indigènes, cinq et six années après leur introduction, les champignons ont été identifiés au moyen de techniques de biologie moléculaire (ITS-RFLP et séquençage). Au total, 11 et 13 taxons de champignons ectomycorhiziens ont été respectivement identifiés sur les deux sites. Les communautés fongiques ECM des sites étaient dominées par des espèces caractéristiques des sites coupés à blanc et des pépinières. Parmi les six espèces ECM inoculées, seul L. bicolor a été retrouvé sur l'un des deux sites. Grâce à six marqueurs microsatellites développés à partir de la souche de L. bicolor utilisée dans cette expérience, la persistance de celle-ci sur les semis transplantés a pu être confirmée.

Les changements climatiques affectent la distribution et la croissance d'espèces arborescentes telles que le peuplier faux-tremble et l'épinette noire, deux espèces dominantes de la pessière à mousses de l'ouest du Québec, et peuvent ainsi mener à d'importantes modifications de la composition et de la productivité future des forêts. Sur la ceinture d'argile du Québec, l'accumulation de matière organique au sol peut mener à des conditions d'humidité très variables. L'épaisseur de la couche organique est directement liée à un gradient de conditions édaphiques et affecte la croissance et la distribution des arbres à l'échelle du paysage. Afin de mieux comprendre comment les changements climatiques affecteront la croissance de la forêt boréale, l'importance des conditions de site, les relations croissance-climat et les réponses aux extrêmes climatiques du peuplier faux-tremble et de l'épinette noire ont été évaluées. Des régressions ont permis de mettre en évidence l'effet limitant de l'épaisseur de la couche organique sur la distribution et la croissance du peuplier faux-tremble, alors que l'épinette noire n'était pas affectée. Les relations croissance-climat des deux espèces ont été déterminées avec des analyses dendrochronologiques, qui ont montré que le climat affectait différemment la croissance radiale des deux espèces. La croissance de l'épinette noire était favorisée par des printemps doux et des étés frais. Le peuplier faux-tremble était principalement influencé par les conditions climatiques de l'année précédent la croissance et la température au mois de juin. Les extrêmes climatiques n'affectaient qu'une des deux espèces à la fois ou généraient des réponses de croissance opposées entre les deux espèces. L'épaisseur de la couche organique n'avait que peu d'effet sur les relations croissance-climat de l'épinette noire, mais modifiait la réponse du peuplier faux-tremble à certaines variables climatiques. L'épinette noire aura probablement une réponse relativement uniforme aux changements climatiques dans la région, alors que la réponse du peuplier faux-tremble pourrait varier localement selon l'épaisseur de la couche organique. Les réponses spécifiques à chacune des deux espèces au climat annuel et aux anomalies climatiques pourraient induire une séparation temporelle des niches écologiques et permettre une accumulation de biomasse plus constante lors d'extrêmes climatiques dans les peuplements mixtes, comparées aux peuplements purs. Que les changements climatiques aient des effets bénéfiques sur ces deux espèces ou non dépendra principalement de la balance entre la hausse des températures et l'augmentation des précipitations. Les changements climatiques auront des impacts spécifiques sur chaque espèce, qui varieront aussi selon les conditions édaphiques, ultimement menant à des taux de croissance différents entre les espèces et les sites. En augmentant la résilience de la forêt boréale, conserver des peuplements mixtes pourrait permettre de réduire les risques d'observer des effets néfastes des changements climatiques sur la productivité des forêts. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Picea mariana, Populus tremuloides, changements climatiques, couche organique, croissance radiale.

L’aménagement forestier perturbe le cycle du carbone des écosystèmes de la forêt boréale. Les deux principales composantes de ce cycle, soit la photosynthèse et la respiration, déterminent l’état de puits ou de source de carbone d’un écosystème. Cet état varie en fonction des conditions édapho-climatiques mais est principalement influencé par le stade de développement d’un écosystème. En Amérique du Nord, l’aménagement forestier influe sur la superficie relative de parterres de coupe, de peuplements juvéniles et de peuplements matures. La quantification de la perturbation du cycle du carbone des écosystèmes forestiers boréaux induite par l’aménagement forestier est nécessaire à l’estimation du bilan en carbone de la forêt boréale et à l’établissement de prédictions concernant les variations de ce bilan en carbone dans un contexte de changement climatique. C’est pourquoi les flux de dioxyde de carbone (CO2) d’une chronoséquence de récolte d’écosystèmes d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) de la forêt boréale de l’Est de l’Amérique du Nord ont été mesurés sur une période d’un an à l’aide de la technique par covariance de turbulences à l’échelle de l’écosystème et l’efflux de CO2 des sols a été mesuré à l’aide d’un analyseur de gaz à infrarouges portable. L’objectif de l’étude était de quantifier les composantes du bilan annuel en carbone des sites afin d’identifier les processus physiologiques majeurs contribuant au passage d’une source à un puits de carbone suivant la récolte. Sur une base annuelle, le site pré-récolte (105 ans) était un faible puits de carbone (6 ± 4 g C m-2 an-1), le site récemment récolté (8 ans) était une source (-87 ± 3 g C m-2 an-1) et le site juvénile (33 ans) était un puits moyen à fort (143 ± 35 g C m-2 an-1). La production primaire brute (GEP) annuelle au site pré-récolte était seulement 28% plus élevée qu’au site récemment récolté (646 ± 6 contre 504 ± 5 g C m-2 an-1). La GEP annuelle au site juvénile (1107 ± 32 g C m-2 an-1) était 71% plus élevée que la GEP annuelle au site pré-récolte, ce qui suggère une limitation physiologique de la photosynthèse au site pré-récolte. La respiration de l’écosystème (Re) annuelle a suivi la même tendance mais les différences entre sites étaient moindres (640 ± 8 à 591 ± 6 à 964 ± 50 g C m-2 an-1). Le facteur de sensibilité aux variations de la température du sol de la respiration du sol (Q10) et le taux moyen de respiration du sol de base (R10) pour la période sans neige étaient différents entre les sites et étaient les plus bas au site récemment récolté. Le Q10 et le R10 de la respiration du sol (Rs) semblaient reliés à la GEP annuelle. La Rs annuelle a diminué suivant la récolte et a augmenté avec le temps depuis la récolte (593 à 500 à 644 g C m-2 an-1). Le rapport annuel de la Rs à la Re était plus bas au site post-récolte qu’aux deux autres sites (67% contre 93% et 85%). Ces résultats caractérisent l’évolution des processus physiologiques majeurs influençant le cycle du carbone des écosystèmes boréaux d’épinette noire suite à la récolte et devraient être utiles à l’incorporation des effets de l’âge des écosystèmes dans les modèles régionaux et globaux. / Forest harvest and subsequent stand development can have major effects on the carbon cycle of boreal stands. Carbon dioxide (CO2) fluxes of a three-point black spruce harvest chronosequence located in the boreal forest of eastern North America were measured over a one-year period at the ecosystem scale with the eddy covariance technique and CO2 efflux from soils was measured with a portable infrared gas analyzer. The three sites (pre-harvest, recently-harvested, and juvenile) were 105-, 8- and 33-years old, respectively. On an annual basis, the pre-harvest site (EOBS) was a weak carbon sink (6 ± 4 g C m-2 yr-1), the recently-harvested site (HBS00) a source (-87 ± 3 g C m-2 yr-1) and the juvenile site a moderate to strong sink (143 ± 35 g C m-2 yr-1). Annual gross ecosystem production (GEP) at the pre-harvest site was only 28% greater than at the recently-harvested site (646 ± 6 versus 504 ± 5 g C m-2 yr-1) while GEP at the juvenile site (1107 ± 32 g C m-2 yr-1) was 71% greater than at the pre-harvest site, suggesting significant physiological constraints to photosynthesis at the pre-harvest site. Annual ecosystem respiration (Re) followed the same pattern, but intersite differences were somewhat less (640 ± 8 to 591 ± 6 to 964 ± 50 g C m-2 yr-1). Annual soil respiration (Rs) decreased following harvest from 593 to 500 g C m-2 yr-1 and increased with further stand development to 644 g C m-2 yr-1, although the changes were less than for GEP and Re. Q10 and R10 of Rs for the snow-free period varied between sites, were lowest for the recently-harvested site and appeared to be related to GEP via substrate supply. The annual ratio of Rs to Re was lower for the juvenile site (67%) than for the pre-harvest and recently-harvested sites (93 and 85%, respectively). These results quantify how some of the major physiological processes that influence the carbon cycle of boreal black spruce stands evolve following harvest and should be useful for better incorporating stand-age effects into regional and global scale models. Keywords: boreal forest; CO2 fluxes; harvest; chronosequence; disturbance; soil respiration; eddy covariance

Le bilan hydrique des tourbières forestières est régi par une combinaison complexe de processus hydrologiques. Relativement stable en milieu naturel, ce bilan est facilement bouleversé par les activités d’aménagement forestier qui affectent le couvert végétal. Cette thèse de doctorat avait pour objectif d’étudier certaines interrelations existant entre la productivité forestière, la compétition pour les ressources et l’hydrologie des tourbières forestières du Québec. Le premier chapitre visait à déterminer s’il était pertinent d’utiliser le drainage forestier afin de transformer des pessières noires improductives en sites productifs. Les résultats ont démontré que même si ce traitement avait significativement augmenté la croissance de certains arbres, seul le drainage intensif utilisant des fossés rapprochés permettrait la conversion de tels peuplements. Les quatre autres chapitres visaient à évaluer l’influence de la végétation sur le contrôle des processus hydrologiques et indirectement sur la croissance forestière. La nappe phréatique a été mesurée dans une tourbière forestière pré-mature afin d’évaluer son comportement à la suite du drainage et à la récolte (Chapitre 2). Des mesures comparables ont été effectuées afin de mesurer la remontée de la nappe phréatique causée par l’éclaircie précommerciale sur des sites humides drainées et fortement régénérés (Chapitre 3). Ces deux études ont démontré l’influence significative de la végétation forestière sur le contrôle de la nappe phréatique en milieux forestiers humides. Puisque cette végétation possède une influence évidente sur la nappe phréatique, la croissance d’une tige devrait être favorisée par la présence immédiate de voisins. Le rôle du drainage biologique (Chapitre 4) ainsi que l’effet de la présence de compétition (Chapitre 5) sur la croissance ont été évalués pour des sites drainés. Il a été démontré que le pouvoir de contrôle de la nappe phréatique que possède la végétation est favorable à la croissance forestière, mais uniquement dans certaines situations particulières. Il semble donc pertinent de recommander des pratiques sylvicoles qui préservent une proportion considérable de la végétation sur les tourbières forestières. / The water budget of forested peatland sites is regulated by a complex combination of hydrological processes. Relatively stable in natural environments, this budget is exposed to major changes by forest management activities affecting the tree canopy. This Ph.D. thesis aimed to study the specific interrelations existing between growth and yield of tree species, above-ground competition, and hydrology of Quebec forested peatlands. The first chapter aimed to determine the pertinence of using drainage to transform unproductive black spruce stands into productive ones. Results showed that even if tree growth was significantly increased by drainage, only intensive drainage using narrow ditch spacing would enable stand productivity improvement. The four other chapters intended to evaluate the influence of the vegetation on the regulation of hydrological processes and, indirectly, tree growth. The water table has been monitored on a pre-mature forested peatland site to evaluate its behaviour following drainage and harvesting (Chapter 2). Comparable water table monitoring has been done in densely regenerated post-harvest and drained peatland sites to measure the watering-up after precommercial thinning (Chapter 3). Both studies demonstrated the valuable water table regulation capacities of the treed vegetation in forested peatlands. Since this vegetation has an evident influence on soil growing conditions, tree growth should be affected by the presence of neighbours. The role of biological drainage (Chapter 4) and the presence of competition (Chapter 5) on growth have been evaluated for drained sites. The water table regulation power of the vegetation stratum was found to be favourable to tree growth, but only in specific situations. Management practices that preserve notable amount of vegetation on forested peatland stands seem to be the most pertinent guideline that should be considered in these fragile ecosystems.

Le drainage forestier en milieu boréal permet de rétablir des conditions hydrologiques propices à la croissance de l’épinette noire sur les pessières noires récoltées. Le but de cette étude était d’effectuer le suivi des plus vieux sites drainés de façon opérationnelle en Jamésie (Jutras et coll. 2002) plus de 20 ans après les travaux. L’efficacité du drainage a été mesurée par type écologique selon trois variables : la modification des communautés végétales, l’accroissement individuel de l’épinette noire ainsi que par le rendement forestier. Les comparaisons entre sites témoins et traités ont permis de cibler deux types écologiques où l’épinette noire réagit significativement au drainage dans le temps, soit RE37 et les RE39 riches. Pour les autres types écologiques étudiés, les conditions édaphiques étaient soit trop riches (RE26) ou trop pauvres (RE39 pauvre et très pauvre) pour que le drainage augmente significativement la croissance de l’épinette noire et le rendement forestier.

Cette étude porte sur la mesure des conséquences du réchauffement climatique sur la croissance et le développement des graines de l'épinette noire en zone boréale. Comme la densité maximale atteinte par les forêts d'épinette noire et la limite nordique et altitudinale de l'espèce sont sous contrôle thermique, dans le contexte des changements climatiques attendus, il nous est apparu important de préciser le régime des températures qui affecte la répartition de l'épinette. Cette étude porte plus précisément sur l'interface entre la toundra forestière et la limite septentrionale de la forêt boréale fermée dominée par l'épinette noire. L'objectif de cette thèse est de déterminer comment la température influence la croissance des arbres et la maturation des semences de l'épinette noire à la limite nord de la forêt boréale fermée. La thèse est divisée en trois parties. La première porte sur les caractéristiques thermiques de la limite nord de la forêt boréale fermée au cours de la période de 1970 à 2002. La deuxième porte sur la relation entre la température et la production de graines par l'épinette noire. Enfin, la troisième partie porte sur les effets climatiques de la mise en eau d'un vaste réservoir hydroélectrique sur la croissance et la production de graines par l'épinette noire des milieux néoinsulaires. Entre 1970 et 2002, une augmentation significative de la température moyenne annuelle, de la somme thermique et de la durée de la période sans gel est survenue particulièrement dans la zone de la forêt boréale ouverte et de la toundra forestière. La limite septentrionale de la forêt boréale fermée coïncide avec la position du seuil thermique de 800 à 950 degrés-jours, un intervalle qui correspond à la chaleur nécessaire pour la maturation des graines de l'épinette noire. De plus le seuil de 800 degrés-jours s'est déplacé d'un degré de latitude vers le nord entre 1970 et 2002, passant de 53° 12' N à 54° 16' N. Compte tenu du réchauffement climatique attendu, le seuil de maturation des graines d'épinette noire pourrait se déplacer vers le nord de façon importante et permettre ainsi la maturation des graines d'épinette dans une zone où les conditions thermiques nécessaires ne sont pas actuellement rencontrées. Si le processus physiologique de la maturation des graines est confirmé comme le facteur déterminant de la position de la limite nord de la forêt boréale, les conséquences pourraient être un déplacement vers le nord de la limite septentrionale de la forêt boréale fermée. Sur l'ensemble de son aire de répartition, Pépinette noire requiert une moyenne de 750 degrés-jours pour produire des graines quasi-matures (stade 22 sur une totalité de 23). Une variabilité existe selon les populations et leur position géographique. Néanmoins, le pourcentage de germination peut être prédit par une fonction sigmoïde des degrés-jours cumulés le long d'un gradient -latitudinal des températures. Les conditions locales peuvent toutefois produire des différences. Ainsi, les enclaves plus froides que constituent les réservoirs hydroélectriques ont une production de graines équivalente à celles des sites de un à trois degrés de latitude plus au nord. Enfin, les conditions climatiques des sites néoinsulaires du réservoir Rober Bourassa diffèrent des autres sites de la région, principalement au printemps. En effet, c'est pendant cette période que le déficit de chaleur est le plus marqué. Les conséquences sur la croissance radiale des arbres matures ne sont pas notables à l'échelle des peuplements. Les arbres répondent plus à un changement régional du climat qu'à l'effet local du réservoir. Les effets climatiques du plan d'eau (une augmentation du bois de compression dû à une déstabilisation par le vent et une diminution de la fréquence des cernes de gel) se limitent aux sites les plus ouverts et les plus exposés. Enfin, la croissance apicale de la strate de régénération montre que le réservoir peut avoir des conséquences positives sur la croissance des plantules dans les secteurs protégés par la végétation (arbres ou arbustes) et à la périphérie des îles.