Thesis (Ph. D.)--University of Nebraska, 1916. / Vita. Published also in Nebraska university. University studies, vol. XVI, nos. 1-2, p.l-89. Bibliography: p. 88-89.

Le développement temporel de la plupart des peuplements forestiers est caractérisé par une période de croissance rapide jusqu’à la fermeture de la canopée, laquelle est généralement suivie d’une baisse de croissance dont les mécanismes sous-jacents restent encore mal expliqués. L’objectif général de cette thèse était ainsi d’explorer certains mécanismes qui pouvaient partiellement expliquer ce déclin en croissance des forêts lié à l’âge dans la zone boréale du nord-est du Canada. Le premier chapitre visait à tester l’hypothèse que la proportion des ressources allouées aux racines augmente avec le temps en réaction à une diminution de la disponibilité des nutriments du sol causée par une accumulation de matière organique, diminuant ainsi la croissance aérienne des arbres. Les résultats basés sur des mesures de respiration du sol et de croissance annuelle des arbres supportaient partiellement l’hypothèse, suggérant que d’autres mécanismes étaient impliqués dans le déclin en croissance des vieilles forêts. Le second chapitre a permis d’améliorer la compréhension de la dynamique temporelle de croissance des arbres selon leur classe sociale et de son effet sur la croissance globale du peuplement. Des composantes fonctionnelles du taux de croissance relatif des arbres et la dominance de croissance des peuplements (une mesure de la contribution relative des arbres selon leur taille à la croissance globale du peuplement) ont été quantifiées le long des stades de développement des peuplements. Les résultats ont montré que d’une manière générale, le déclin de la dominance de croissance observé avec le temps était principalement causé par une diminution de l’acquisition et d’utilisation des ressources des arbres dominants plutôt que par une augmentation des conditions de croissance des arbres non-dominants. Le dernier chapitre a permis d’affiner ce résultat en testant l’hypothèse de limitation hydraulique qui stipule qu’une augmentation des contraintes hydrauliques liée à la taille des arbres explique leur diminution en croissance. Des mesures de flux de sève dans les troncs et de composition en isotopes de carbone et d’oxygène dans les aiguilles de l’année courante ont mis en évidence une augmentation des contraintes hydrauliques chez les arbres dominants au cours du temps, expliquant ainsi en partie leur baisse de croissance et celle des peuplements liés à l’âge. Ces trois chapitres ont ainsi permis d’identifier certains mécanismes impliqués dans les changements temporels de croissance de la forêt boréale du nord-est du Canada, information capitale pour une gestion durable des forêts. / The development over time of most forests is characterised by an early fast growing period until canopy closure, which is generally followed by a decreasing growth rate whose underlying mechanisms remain unclear. The general objective of this thesis was thus to explore some mechanisms that could partially explain the observed age-related productivity decline of northeastern boreal Canadian forest stands. The first chapter aimed to test the hypothesis that the proportion of resources that are allocated to roots increases with stand age as a response to a decrease in nutrient availability related to the long-term accumulation of organic matter, thus decreasing stem growth. Results based on soil respiration and annual tree growth measurements partly supported the hypothesis, suggesting that other mechanisms were involved in the growth decline of old-growth forest stands. The second chapter improved our understanding of the temporal tree growth dynamics based on their social class and its effect on total stand growth. Some functional components of the relative growth rate of trees and stand growth dominance (a measure of the relative contribution of different sized trees to total stand growth) were quantified along development stages. Results showed that overall, the observed decrease in stand growth dominance with increasing age was explained mainly by declining resource acquisition and utilization in dominant trees rather than through improved growth conditions of non-dominant trees. The last chapter refined these results by testing the hydraulic limitation hypothesis, which states that an increase of hydraulic constrains in tall trees is related to their decreasing growth with time. Tree-level sap flow and foliar C and O isotope abundance measurements highlighted an increasing hydraulic constrains in dominant trees over time, thus partly explaining their declining growth and the aged-related stand growth decline. These three chapters allowed us to identify some of the mechanisms involved in the temporal growth changes of the northeastern boreal forest, a crucial information for a sustainable forest management.

Titre de l'écran-titre (visionné le 10 janvier 2024) / La composition en espèces et la structure des écosystèmes forestiers sont le résultat d'interactions complexes entre les processus de recrutement, de croissance et de mortalité, influencés par les conditions environnementales. Les changements actuels du climat, combinés à l'augmentation de la fréquence et de l'intensité des perturbations, engendrent de l'incertitude quant à la productivité des forêts canadiennes dans le futur. Face à cette incertitude, il devient impératif d'adopter des pratiques d'aménagement forestier axées sur l'atténuation des risques, afin d'assurer le maintien des services écologiques offerts par ses écosystèmes, tout en répondant aux besoins en ressources de la société. Dans ce contexte, une prise de décision éclairée nécessite des informations précises et à jour sur l'état des forêts canadiennes. Historiquement, notre connaissance de l'état des forêts reposait sur les inventaires forestiers réalisés dans les provinces et territoires canadiens, qui fournissent des informations sur la disponibilité de la ressource, sa qualité et le rendement attendu. Les perturbations plus fréquentes et la réaction variable des forêts aux changements dans les conditions de croissance rendent toutefois difficile une évaluation complète et précise de la situation des forêts par l'intermédiaire des données issues des réseaux de placettes-échantillon. Les informations contenues dans les cernes de croissance des arbres permettent de mieux comprendre l'influence du climat et des perturbations sur la croissance. Toutefois, les limites imposées par la disponibilité de ces données et l'impossibilité de les collecter en continu sur l'ensemble du territoire forestier rendent leur utilisation peu pratique pour un suivi en temps réel de l'état des forêts. Ces défis peuvent toutefois être relevés par un recours accru aux technologies de télédétection. Les séries temporelles d'imagerie satellitaire, en particulier, fournissent une information en continu sur l'état des forêts, permettant la détection des perturbations ainsi que des changements graduels causés par l'action de stress climatiques. Alors que la plupart des études précédentes sur le sujet se sont principalement concentrées sur la détection et la cartographie de ces changements, peu d'attention a été accordée à la compréhension des causes sous-jacentes et à la quantification de leur impact sur la croissance forestière. Pourtant, ces informations sont cruciales pour mieux prévoir les conséquences des perturbations et des stress induits par le climat, puisque des réductions de croissance prononcées peuvent indiquer une mortalité imminente. Des données précises sur la croissance des forêts sont également essentielles pour une prise de décision éclairée en ce qui concerne les calendriers de récolte et les interventions sylvicoles. L'objectif général de ce projet de recherche était de caractériser l'impact des perturbations partielles et de fournir des informations spatialement explicites sur la croissance des forêts canadiennes en intégrant les données de séries temporelles Landsat et des données collectées sur le terrain. Les deux premiers chapitres de cette thèse ont exploré l'influence des perturbations partielles sur l'état de la canopée forestière et sur la croissance des peuplements affectés, en utilisant des données de placettes-échantillon permanentes et des carottes d'accroissement récoltées dans divers écosystèmes forestiers. Le troisième chapitre a intégré des mesures répétées de placettes-échantillon permanentes et des séries temporelles Landsat pour estimer le taux de croissance annuel net d'une forêt boréale en l'absence de perturbation. Les résultats présentés dans les trois chapitres de cette thèse montrent que des modèles statistiques basés sur des séries temporelles Landsat et calibrés à l'aide de mesures de placettes-échantillon permanentes ou de données de cernes annuels permettent de mesurer la croissance des forêts ainsi que les changements provoqués par des perturbations partielles. L'intégration d'autres sources de données de télédétection telles que le LiDAR facilite l'application des méthodes utilisant l'imagerie satellitaire dans un contexte d'aménagement forestier et permet de prendre en compte de l'influence de facteurs biophysiques et écologiques qui ne peut être captée par l'imagerie satellitaire. Les méthodes et approches proposées dans cette thèse ont le potentiel d'être étendues à un plus large éventail de biomes forestiers en tirant parti de bases de données existantes, améliorant ainsi notre capacité à suivre l'état des forêts canadiennes dans un contexte de changements climatiques. / The species composition and structure of forest ecosystems are shaped by complex interactions between biotic and abiotic drivers that influence recruitment, growth, and mortality processes. Current climate changes, along with the increasing frequency and intensity of disturbances, introduce uncertainty about the future productivity and vigour of Canadian forests. In the face of such uncertainty, adopting forest management practices centred on stewardship and risk mitigation becomes imperative to preserve ecosystem functions while addressing society's resource demands. In this context, informed decision-making requires up to date and accurate information about the condition of Canadian forests. Historically, our knowledge on forest condition relied on field inventories conducted across all provinces and territories, providing information on resource availability, quality, and expected yield. However, intensified disturbances and the variable growth response of forests to climate change make it challenging to comprehensively assess forest situations through sample plot networks. While tree ring data is highly valuable, collecting such data consistently across Canadian forests is impractical. Addressing the challenges of assessing temporal and spatial changes in forest condition can be achieved through remote sensing technologies. Satellite imagery time series, in particular, offer continuous information on forest conditions for detecting disturbances and gradual ecosystem changes. While previous studies primarily focused on detecting and mapping disturbances and related changes in forest condition, less emphasis was given to understanding the underlying causes and quantifying their impact on forest growth. This information is yet critical to forecast the impacts of disturbances and climate-induced physiological stress, as growth declines can indicate imminent mortality. Accurate forest growth data is also crucial for making informed decisions regarding harvest schedules and silvicultural interventions. The general objective of this research project was to characterise the impact of non-stand replacing disturbances and provide spatially explicit information on forest growth across Canadian forests by integrating Landsat time series and field data. The first two chapters of this thesis explored the influence of non-stand replacing disturbances on forest canopy condition and growth rates, using data from permanent sample plots and increment cores collected in diverse forest ecosystems. The third chapter incorporated repeated measurements from permanent sample plots and Landsat time series to estimate the annual net forest growth rate in boreal forests in the absence of disturbance. The results presented in the three thesis chapters demonstrate that statistical models involving Landsat time series and calibrated using permanent sample plot measurements or tree-ring data can effectively assess canopy and forest structure changes caused by non-stand replacing disturbances and measure forest growth under both disturbance and undisturbed conditions. Integrating other remote sensing data sources like LiDAR enhances the applicability of these methods in forest management contexts and allows accounting for the effect of biophysical and ecological factors not captured solely by satellite imagery. The approaches proposed in this thesis have potential for expansion to cover a broader range of forest biomes by leveraging existing datasets, enhancing our ability to monitor Canadian forests response to climate change.

Les coupes de jardinage en forêt feuillue visent à maintenir une structure irrégulière tout en maintenant ou améliorant la vigueur et la qualité des peuplements résiduels. Au Québec, le martelage lors de ces coupes est fait depuis 2005 à l’aide d’un système de classification basé sur la vigueur des arbres, mais ce système n’a jamais été évalué à l’aide d’indices de vigueur quantitatifs. Afin de bâtir un indice d’efficacité de croissance, nous avons tout d’abord établi des relations pour estimer la surface foliaire de l’érable à sucre (Acer saccharum Marsh.) et du bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britt.). Nous avons échantillonné 31 érables à sucre et 20 bouleaux jaunes sur une station, et 79 érables à sucre sur deux autres stations couvrant une large gamme de diamètre et de surface foliaire. Les estimateurs de la surface foliaire correspondaient à la surface d’aubier, déterminée à partir de différentes méthodes, et diverses mesures de cime. La surface de la cime était un très bon estimateur de la surface foliaire en plus de pouvoir être évaluée indépendamment des conditions de station tout en étant accessible, peu coûteuse et rapide à évaluer. Pour vérifier le lien entre les classes de vigueur associées au système de classification basé sur la probabilité de mortalité et des indices de vigueur quantitatifs, nous avons échantillonné des arbres provenant de six stations réparties sur l’ensemble de la zone des forêts feuillues du Québec. Les classes de vigueur n’étaient pas reliées à l’indice d’efficacité de croissance. Nous n’avons également pas pu associer un changement de croissance radiale à un changement de classe de vigueur. Par ailleurs, l’indice d’efficacité de croissance était faiblement relié aux caractéristiques dendrométriques des arbres, ce qui aurait pu faciliter son utilisation lors des opérations de martelage. Nous recommandons de continuer à utiliser le système de classification à court terme, mais sa simplification faciliterait son utilisation sans en affecter sa précision.