Au cours des dernières décennies, l'approvisionnement en bois des forêts naturelles a considérablement diminué, tandis que la production des forêts de plantation a augmenté régulièrement dans le monde entier. Au Canada, la concurrence s'est accrue sur les plantations de conifères à croissance rapide, tout en causant une diminution du bois de haute qualité. Par conséquent, une connaissance approfondie des facteurs tels que les caractéristiques importantes du bois et leurs aspects génétiques affectant les propriétés du bois peut nous conduire à produire du bois de haute qualité requis par différentes industries du bois. Les principaux objectifs de cette recherche sont (i) d'estimer le phénotype quantitatif et les paramètres génétiques sur les traits de croissance du bois et les propriétés de flexion, tels que l'héritabilité génétique, les corrélations et le gain pour l'épinette blanche, (ii) de modéliser la variation radiale des propriétés de flexion de petits échantillons clairs, (iii) de mesurer l'efficacité de la prédiction des outils de vitesse acoustique sur le module d'élasticité. Pour les fins de cette recherche, des carottes de bois et des échantillons de bois massif ont été prélevés sur 289 arbres provenant de 38 familles poly-croisées d'un test provenance-descendance répété sur deux sites (Valcartier et Normandin) de la province de Québec. À l'aide du système SilviScan™, des profils moelle à écorce à haute résolution ont été obtenus (à partir de carottes de bois, ce qui a permis d'extraire un certain nombre de caractéristiques du bois différentes telles que la densité, l'angle des microfibrilles) et la largeur des cernes. Alors que la rigidité et la résistance à la flexion (c'est-à-dire MOE et MOR) ont été estimées sur la base d'échantillons de bois massif. La hauteur de l'arbre, le diamètre à hauteur de poitrine (DHP) et la vitesse acoustique ont également été obtenus sur l'arbre sur pied. Dans le premier chapitre, nous avons mis en évidence les estimations d'héritabilité modérée à élevée pour la rigidité et la résistance à la flexion, la hauteur, le DBH et la densité du bois. Le MOE s'est révélé avoir le gain génétique le plus élevé que tous les autres caractères. De plus, selon les scénarios de sélection multi-caractères, la sélection des propriétés de flexion du bois au moyen de la vitesse acoustique et de la densité du bois était la méthode efficace qui peut être combinée dans les programmes opérationnels de sélection de l'épinette blanche pour améliorer simultanément les gains génétiques pour la croissance et les propriétés de flexion du bois. Dans le deuxième chapitre, nous avons développé des modèles décrivant la variation moelle-écorce de MOE et MOR mesurés sur de petits échantillons sans défauts obtenus à partir des mêmes deux essais de descendance d'épinette blanche de 38 familles poly-croisées. Dans un premier temps, les effets de l'âge cambial et de la largeur des cernes annuels sur le MOE et le MOR ont été modélisés. Ensuite, la variation génétique et l'héritabilité des résidus de notre modèle de prédiction des propriétés de flexion ont été quantifiées. Les résultats confirment l'effet de détérioration du bois juvénile sur le MOE et le MOR, tandis qu'une valeur élevée et plus stable des propriétés de flexion sera atteinte après l'âge cambial de 15 ans. De plus, l'effet du nombre d'anneaux par échantillon a révélé qu'un nombre élevé d'anneaux par centimètre cube introduit une valeur élevée du MOE et en particulier du MOR. L'héritabilité du MOE et du MOR était modérée à élevée pour le site Normandin, alors qu'une faible héritabilité a été estimée pour le site Valcartier. La performance du modèle développé pour le MOE était prometteuse, tandis que le modèle MOR était moins intéressant, particulièrement au site Normandin qui pourrait s'expliquer par le fait qu'un petit échantillon sans défaut qui pourrait ne pas être suffisamment représentatif de la résistance de l'arbre sur pied. Dans l'ensemble, le modèle a confirmé un effet des variables d'arbre et de site sur les deux propriétés de flexion. Enfin, dans le troisième chapitre, nous avons étudié l'efficacité de la vitesse acoustique pour prédire le MOE moyen au niveau individuel et familial. Nous avons également étudié l'effet du site de plantation pour savoir si cet effet était significatif. D'après les résultats, des corrélations modérées (R2 = 0,34 à 0,42) et fortes (R2 = 0,57 à 0,60) entre MOEdGD, MOEdRH et le MOE statique (MOEs), respectivement au niveau individuel et familial, ont été obtenues au site de plantation Normandin. Il a été révélé que MOEdRH permet une meilleure prédiction de la rigidité dans les deux sites. De plus, la matrice de corrélation de Pearson a également confirmé une forte corrélation dans le site de plantation Normandin entre les MOE et MOEdRH, r = 0,65 et r = 0,77 estimés en fonction du niveau individuel et familial, respectivement, à un intervalle de confiance de 95. La recherche actuelle aidera à mettre en œuvre efficacement les caractéristiques de qualité du bois dans les programmes de sélection des arbres et à aider les sélectionneurs à produire à l'avenir des produits à valeur ajoutée de haute qualité à partir du bois d'épinette blanche cultivé en plantation. / In recent decades, wood supply from natural forests has declined considerably, while the production from plantation forests has increased steadily worldwide. In Canada, however, intensive forestry plantations for fast-growing conifers, lead to a decrease in high-quality lumber. Consequently, deep knowledge is needed to understand wood traits influencing lumber quality, and the genetic control of those wood traits for selection and breeding in order to produce high-quality timber from future plantations. The main objectives of this research are to (i) estimate requisite genetic parameters, such as genetic heritability, correlations, and gain, (ii) profile the flexural properties based on the radial variation on small clear samples, (iii) prediction efficiency of acoustic velocity tools on the modulus of elasticity. For the purpose of this research, wood cores and solid wood samples were collected from 289 trees originating from 38 poly-cross families of a provenance-progeny test repeated on 2 sites (Valcartier and Normandin) in the province of Québec. Using the SilviScan™ system, high-resolution pith-to-bark profiles were obtained from increment cores, from which wood density, microfibril angles (MFA), and ring width were measured. Tree height, diameter at breast height (DBH), and acoustic velocity were also obtained on the standing tree. Finally, flexural stiffness and strength (i.e. MOE and MOR) were estimated based on solid wood samples. In the first chapter, we have highlighted moderate to high heritability estimates for flexural stiffness and strength, height, DBH, and wood density. MOE was revealed to have the highest genetic gain. Further, according to multi-trait selection scenarios, selection for wood flexural properties by means of acoustic velocity and wood density was an efficient method that can be combined in operational white spruce breeding programs to improve simultaneously genetic gains for growth and wood flexural properties. In the second chapter, we developed models describing the pith-to-bark variation of MOE and MOR measured on small defect-free samples obtained from the same two white spruce progeny trials of 38 poly-cross families. In the first step, the effects of cambial age and annual ring width on MOE and MOR were modeled. Then, the genetic variation and heritability of the residuals of our prediction model for flexural properties were quantified. The results confirm the deteriorating effect of juvenile wood on MOE and MOR, while the high and more stable value of flexural properties will be achieved after the cambial age of 15. Furthermore, the effect of ring number per sample revealed a high number of rings per centimeter cube introducing a high value of MOE and especially on MOR. The heritability of MOE and MOR were moderate to high for site Normandin, while low heritability was estimated for site Valcartier. The model performance developed on MOE was promising, while the MOR model was less interesting, especially at site Normandin which could be explained by the use of a small defect-free sample that may not be sufficiently representative of the standing tree strength. Overall, the model confirmed an effect of both tree and site variables on both flexural properties. Finally, in the third chapter, we investigated the efficiency of acoustic velocity to predict the mean individual and family-level MOE. We also investigated the plantation site effect to understand if there is any significant effect. According to the results, moderate correlations (R² = 0.34 to 0.42) and strong correlations (R² = 0.57 to 0.60) between (MOE[subscript dGD]), (MOE[subscript dRH]) and static MOE (MOEₛ), based on individual and family level, respectively, were obtained at plantation site Normandin. It was revealed that (MOE[subscript dRH]) allows a better prediction of stiffness in both sites. Further, the Pearson correlation matrix also confirmed a strong correlation in plantation site Normandin between MOEs and MOE[subscript dRH], r= 0.65 and r=0.77 estimated based on individual and family level, respectively, at 95% confidence interval. The current research will help to effectively implement wood quality traits into tree breeding programs and to assist the breeders in the production of high-quality value-added products from plantation-grown white spruce wood in the future.

Cette étude s'insère dans un contexte de restauration des forêts, proposée comme action sylvicole à accomplir dans le cadre de l'aménagement écosystémique des forêts québécoises. Les pratiques sylvicoles autrefois effectuées ont eu comme conséquence la dégradation de plusieurs forêts, dont celles du domaine de la sapinière à bouleau jaune. Sur certaines stations productives de la région de Charlevoix / bas-Saguenay, la présence du bouleau jaune est limitée, soulevant un questionnement quant à leur capacité réelle à faire croître et constituer une ressource de qualité avec cette espèce. L'objectif de cette étude était de faire état de cette capacité, en se basant sur les caractéristiques de l'arbre, la structure de la forêt et les conditions plus permanentes de la station et du climat. La région présentant cette problématique fut comparée à la région de Portneuf faisant partie du même domaine bioclimatique, mais où la ressource présente une croissance et une qualité plus intéressante. Malgré cette différence, les résultats démontrent que le bouleau jaune possède un potentiel de croissance et de qualité intéressant dans la région de Charlevoix / bas-Saguenay, ce qui peut ainsi justifier des efforts de restauration dans cette région.

La valeur du panier de produits des peuplements résineux dépend des dimensions et du défilement des tiges, de la présence de défauts internes, mais aussi des propriétés physiques et mécaniques du bois, principalement de la rigidité du bois, puisque le bois d’œuvre résineux est utilisé essentiellement à des fins structurales. La rigidité du bois d’œuvre résineux est estimée en usine lors du classement visuel ou mécanique des sciages. En forêt, cette connaissance n’existe pas et il n’est pas possible aujourd’hui de localiser les régions ou les peuplements avec un fort potentiel de bois rigide, ni d’évaluer la valeur des bois ou encore de comparer la rentabilité des scénarios sylvicoles, en considérant ce critère de qualité déterminant. Cette absence de connaissances s’explique principalement par les efforts et les coûts considérables associés à la réalisation d’un inventaire de la qualité de la fibre, lequel suppose en effet l’échantillonnage de milliers d’arbres et des analyses en laboratoire très exigeantes. C’est dans ce contexte que la spectroscopie proche infrarouge a été évaluée, comme technologie rapide et non destructive, pour mesurer les propriétés physiques et mécaniques du bois. Dans un premier temps, nous avons évalué la variabilité écogéographique des propriétés du bois de l’épinette noire pour les deux principales végétations potentielles de la forêt boréale aménagée du Québec (chapitre 1). Nous avons observé que le bois poussant dans les peuplements purs d’épinettes noires avait des fibres matures plus longues, un bois significativement plus dense et de meilleures caractéristiques mécaniques que le bois poussant dans des peuplements mélangés avec le sapin baumier. Une approche de modélisation par saut d’échelle, basée sur des mesures de cernes provenant de 3350 placettes d’inventaire, a permis d’améliorer la performance de tous les modèles, en expliquant, à l’échelle du peuplement, 47%, 57%, 63% et 63% de la variabilité de la densité du bois, du module d’élasticité, de l’angle des microfibrilles, et de la longueur des fibres matures, avec des erreurs quadratiques moyennes, de 8.9 kg/m³, 0.52 GPa, 0.60° et 0.06 mm respectivement. Nous avons ensuite évalué le potentiel de la spectroscopie proche infrarouge pour mesurer les propriétés du bois de l’épinette noire (chapitre 2). De bonnes et d’excellentes statistiques de calibration (R², rapport de la performance à l'écart) ont été obtenues pour la densité basale (0.85, 1.8), l’angle des microfibrilles (0.79, 2.2), et le module d’élasticité (0.88, 2.9). Une régression segmentée a également été appliquée au profil radial de l’angle des microfibrilles afin de déterminer l’âge de transition du bois juvénile au bois mature. Les valeurs obtenues avec SilviScan ont été comparées à celles obtenues par spectroscopie. L’âge moyen de transition (23 ans ± 7 ans) a été légèrement sous-estimé, par spectroscopie proche infrarouge, avec une erreur de prédiction moyenne de −2.2 ± 6.3 ans et des intervalles de confiance à 95% de −14.6 et 10.1. Ces résultats suggèrent que l’âge de transition du bois juvénile au bois mature peut également être prédit par spectroscopie proche infrarouge. Finalement, la spectroscopie proche infrarouge a été utilisée pour évaluer la variabilité régionale de la densité basale et de la rigidité du bois des principales essences boréales du Québec (épinette noire, sapin baumier, pin gris, bouleau à papier et peuplier faux-tremble) (chapitre 3). Un système automatisé a été développé à cette fin et calibré à partir de données SilviScan. La densité basale et la rigidité du bois ont été estimées sur 30159 carottes de bois provenant de 10573 placettes d’inventaire. Les observations de densité et de rigidité étaient spatialement autocorrélées sur de plus longues distances chez les feuillus que chez les résineux. Un gradient latitudinal uniforme relié au climat était apparent pour le bouleau à papier et le peuplier faux-tremble. La distribution spatiale de ces mêmes propriétés n’était pas uniforme chez les résineux, suggérant une adaptabilité environnementale plus restreinte en comparaison aux essences feuillues étudiées. Cette thèse présente de grandes avancées dans le développement d’une méthode d’inventaire de la qualité de la fibre au Québec. La variabilité régionale de la densité et de la rigidité du bois est maintenant connue pour les principales essences boréales du Québec. Les prochains travaux porteront sur l’estimation de ces propriétés à l’échelle du peuplement forestier. / The value of forest products from softwood stands depends on stems volume and taper, internal defects, but also on physical and mechanical wood properties, especially stiffness, since softwood lumber is primarily used for structural purposes. The lumber stiffness is evaluated in sawmills through visual or mechanical gradings. In forest, this knowledge does not exist and it is not possible to locate the regions or the forest stands with a high lumber stiffness, neither to evaluate the value of forest products and the economic profitability of forest management scenarios considering this key attribute. This lack of knowledge is mainly due to substantial investments associated with an inventory of wood fibre quality, which involves the sampling of thousands of trees and very demanding laboratory tests. It is in this context that the near-infrared spectroscopy was evaluated as a rapid, non-destructive method for estimating physical and mechanical wood properties. Ecogeographic variation in black spruce clear wood properties was first investigated for the two main vegetation types of the managed boreal forest of the province of Quebec (chapter 1). Wood growing in pure black spruce stands had longer mature fibers, a significantly denser wood with better mechanical characteristics than the wood growing in stands mixed with balsam fir. A scaling-up modeling approach, based on ring data from 3,350 inventory plots, has improved the performance of all models, explaining, at the stand level, 47%, 57%, 63% and 63% of variance in wood density, modulus of elasticity, microfibril angle and mature fiber length with estimated root mean square errors of 8.9 kg/m³, 0.52 GPa, 0.60° and 0.06 mm respectively. The potential of near-infrared spectroscopy to determine the transition from juvenile to mature wood in black spruce was then assessed (chapter 2). Good to excellent calibration statistics (R², ratio of performance to deviation) were obtained for basic density (0.85, 1.8), microfibril angle (0.79, 2.2), and modulus of elasticity (0.88, 2.9). Two-segment linear regressions were applied to microfibril angle profiles to determine the transition age. The values obtained using SilviScan data were compared with those obtained using near-infrared spectroscopy predicted data. The average transition age (23 years ± 7 years) was slightly underestimated by near-infrared spectroscopy with a mean prediction error (and 95% limits of agreement) of -2.2 ± 6.3 years (-14.6/10.1). These results suggest that the transition age from juvenile to mature wood could be predicted by near-infrared spectroscopy. Finally, the near-infrared spectroscopy was used for estimating the regional variation in wood density and stiffness for the main boreal species of Quebec (black spruce, balsam fir, jack pine, paper birch, trembling aspen) (chapter 3). An automated near-infrared system was developed for this purpose and calibrated using SilviScan data. Basic density and wood stiffness were estimated on 30,159 increment cores from 10,573 inventory plots. The observations in wood density and stiffness were spatially autocorrelated on longer distances in hardwoods than softwoods. A uniform latitudinal gradient related to climate was observed in paper birch and trembling aspen. Conversely, spatial distribution in wood density and modulus of elasticity was not uniform in softwoods, suggesting a more limited environmental adaptability in comparison to the hardwood species studied. This thesis has made major advances in the development of a method for inventorying wood fibre quality in Quebec. Regional variation in wood density and stiffness is now known for the main boreal species of Quebec. Future work will focus on estimating these properties at the forest stand level.