Dans un contexte de réchauffement climatique, il est prédit que les aires de répartition des espèces autant végétales qu’animales se déplaceront plus au nord ou vers de plus hautes élévations. Cependant, cette prédiction présume que le climat est la variable clé qui détermine la limite de répartition des espèces. Puisque plusieurs autres facteurs environnementaux tels que les interactions biotiques, la topographie et les caractéristiques du sol peuvent aussi contrôler les limites de répartition des espèces ; départager l’effet de ces facteurs environnementaux de l’effet du climat quant à contrôler les limites de répartition des espèces permettra de mieux comprendre l’impact du réchauffement climatique sur les espèces et d’affiner les prédictions sur le déplacement futur des aires de répartition des espèces. Ce mémoire évalue le rôle que joue le climat quant à déterminer la croissance radiale à limite de répartition supérieure de l’érable à sucre (Acer saccharum Marsh.) et du bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britt.) le long d’un gradient d’élévation au parc national du Mont-Mégantic. Si le climat est le facteur principal contrôlant la croissance à limite de répartition supérieure de ces deux espèces, nous prédisons qu’à haute élévation, la sensibilité de la croissance face au climat devrait être plus forte qu’à basses élévations. Pour tester cette prédiction, 62 érables à sucre et 72 bouleaux jaunes ont été échantillonnés le long de quatre flancs de montagne couvrant ainsi l’aire répartition de chacune des deux espèces. Chaque site d’échantillonnage était séparé par 50 mètres d’élévation et à chaque site, trois arbres par espèces appartenant à trois différentes classes de diamètres soit petit (15-25 cm), moyen (29-35 cm) et grand (> 40 cm), ont été échantillonnés lorsque présents. À l’aide de méthodes dendroécologiques, des modèles de croissance-climat qui corrèlent chaque cerne de croissance d’un arbre à des variables climatiques de l’année courante et de l’année d’avant sa formation ont été développés. De cette façon, il a été possible de quantifier le niveau de sensibilité de la croissance face au climat pour chacun des arbres. Pour l’érable à sucre, les résultats ont montré que la sensibilité de la croissance au climat diminuait aux limites de répartitions et était maximale à moyennes élévations. Pour le bouleau jaune, la sensibilité au climat n’a pas varié de manière significative avec aucune des variables testées (élévation, topographie, indice de compétition). Spécifiquement, les températures maximales d’été affectent négativement la croissance des érables à sucre de basses élévations alors qu’elles affectent positivement la croissance des érables à sucre de moyennes et hautes élévations. Toutefois, l’effet des températures maximales d’été n’est pas plus important pour la croissance entre les arbres de moyennes et hautes élévations puisque les intervalles de confiances autour des coefficients calculés à partir des modèles de croissance-climat se chevauchent. Ces résultats sont en contradiction avec l’hypothèse générale que la sensibilité de la croissance face aux variations annuelles du climat est plus forte à la limite de répartition des espèces et pourrait suggérer que le climat n’est pas toujours la variable clé qui détermine la limite de répartition des espèces. Toutefois, n’ayant pris en compte aucun paramètre démographique il reste difficile de déterminer si la limite géographique des deux espèces à l’étude est principalement sous contrôle climatique. Pour sûr, notre étude suggère que dans le contexte de réchauffement climatique, la croissance des arbres de basses élévations est susceptible de diminuer alors que la croissance des arbres de moyennes et hautes élévations pourrait augmenter. Cependant, la capacité des deux espèces (particulièrement le bouleau jaune) à migrer vers de plus hautes élévations afin de suivre le réchauffement climatique est susceptible de dépendre autant des variables non climatiques que des variables climatiques.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'ouverture de la couronne (OC) des arbres matures influence grandement la transmission de la lumière au travers de la canopée forestière. Pourtant, dans le contexte de modélisation de la lumiere en milieu forestier l'OC est souvent considérée constante à l'intérieur d'une espèce, peu importe les dimensions de l'individu ou sa provenance géographique. L'objectif de cette étude est de tester si l'OC est constante pour le bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britton), l'érable à sucre (Acer saccharum Marsh.) et la pruche du Canada (Tsuga canadensis (L.) Carr.). Plus spécifiquement, l'influence des facteurs suivants a été testée: 1) le diamètre à hauteur de poitrine (DHP), 2) l'angle de transmission de la lumière par rapport au zénith, 3) l'allométrie de la couronne et 4) l'évapotranspiration potentielle. Les valeurs d'OC ont été obtenues pour 380 individus à partir de photos numériques de couronnes (à 0°, 15°,30°, et 45° du zénith) en suivant la méthode utilisée par Beaudet et al. (2002). Les résultats suggèrent que l'OC diffère selon l'angle de transmission de la lumière ainsi qu'en fonction du ratio diamètre de la couronne/diamètre au tronc, et qu'il y a interaction entre ces deux facteurs. Tandis que les arbres dominants peuvent intercepter la lumière latéralement (e.g., 45°) et verticalement (e.g., 0°), les petits arbres sont beaucoup plus efficaces pour intercepter la lumière verticale plutôt que latérale. Ceci suppose une distribution initialement planophile du feuillage chez les petits arbres, suivie d'une transition vers une distribution aléatoire de l'angle des feuilles au fil de l'ontogenèse. L'augmentation de l'évapotranspiration est associée à des couronnes plus ouvertes. De façon complémentaire à ces observations, le module de lumière du modèle SORTIE a ensuite été paramétrisé (allométrie et OC). Les différences entre les régions sont généralement plus marquées pour l'OC que pour les paramètres allométriques, mais l'impact de ces différences sur les prédictions de lumière n'a pas encore été testé. Il serait nécessaire de mieux comprendre la variabilité de l'OC avant de l'intégrer dans les modèles de simulation de la dynamique forestière. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Ouverture de la couronne, Allométrie, Évapotranspiration potentielle, SORTIE.

Thèse doctorat : Biologie et Ecophysiologie Forestière : Nancy 1 : 2004. Thèse doctorat : Biologie et Ecophysiologie Forestière : Université du Québec à Montréal : 2004. / Thèse soutenue en co-tutelle. Texte en français et en anglais. Titre provenant de l'écran-titre.

La présente étude avait pour objectif de contribuer à une meilleure compréhension de la granulation des bois feuillus par l'évaluation de la possibilité technique de transformer des bois feuillus de faible vigueur (l'érable à sucre et le bouleau jaune) en granules conventionnels et granules de haute qualité, un type prometteur de transport énergétique. Trois études individuelles ont été réalisées et présentées dans cette thèse. La première étude visait à déterminer s'il y a des changements de teneur en extractibles, cendres, et lignine du bois entre les classes de vigueur des arbres. Les teneurs plus élevées en extractibles et en lignine dans les arbres peu vigoureux ont suggéré que ces derniers sont plus appropriés par rapport aux arbres vigoureux pour la conversion en biocombustibles solides. La deuxième étude visait à optimiser des procédés de granulation des bois feuillus. L'étude a porté sur l'influence des paramètres du procédé (la température et la force de compression) et des caractéristiques de la matière première (la taille des particules et la teneur en humidité) sur les propriétés physiques et mécaniques des granules de bois. Le procédé de granulation doit être effectué à une température d'environ 100 °C pour minimiser la force de friction dans le granulateur et à une teneur en humidité d'environ 11,2% pour maximiser la masse volumique et la résistance mécanique des granules produites. Cette étude a également confirmé que les arbres de faible qualité sont plus appropriés pour la fabrication de granules de bois que les arbres vigoureux. La troisième étude visait l'élaboration de granules de haute qualité. L'eau chaude à température élevée a été utilisée pour modifier les propriétés de la matière première avant granulation. Les caractéristiques de granulation du matériau traité ont été significativement améliorées. Les granules produites ont montré des propriétés améliorées incluant une plus faible teneur en cendres, une plus haute densité énergétique, une meilleure résistance à l'eau, et une meilleure résistance mécanique. Les résultats obtenus de toutes ces études ont démontré la nécessité de bien connaître les fondements de la granulation des bois feuillus et les solutions pratiques pour l'utilisation d'arbres feuillus de faible qualité, le premier peut être applicable pour le développement de procédés de granulation et le dernier peut contribuer à long terme à la restauration des forêts feuillues dégradées en termes de santé des forêts et de leur valeur. / The objective of this study was to contribute to a deeper understanding of hardwood pelletization by investigating the technical possibility of converting low quality hardwoods (sugar maple and yellow birch) into conventional and advanced fuel pellets, a promising type of future energy carrier. Three individual studies were conducted and reported in this thesis. First study aimed at the investigation of the changes in extractives, ash, and lignin contents of wood among tree vigor classes. The higher contents of extractives and lignin in low vigor trees suggested that the low vigor trees are more suitable for conversion into solid biofuels. Second study aimed at the optimization of hardwood pelletizing process. The investigation was focused on the influence of process parameters such as temperature and compression force, and raw material characteristics such as particles size and moisture content on the physical and mechanical properties of wood pellets. The pelletizing process should be performed at a temperature of about 100 oC to minimize friction force in the press channel and at a moisture content of about 11.2% to maximize density and mechanical durability of pellets produced. This study also confirmed that low quality trees are more suitable for making wood pellets than vigorous trees. Third study aimed at the development of advanced fuel pellets. Hot water at elevated temperature was used to change the properties of raw material before pelletizing. Pelletization characteristics of treated material were significantly improved. The pellets produced represented a number of enhanced properties including ash content, energy content, water resistance and mechanical durability. The findings obtained through these studies emphasized the necessity of a good knowledge of the fundamentals of hardwood pelletization and proper solutions for the use of low quality hardwood trees in which the former can be applicable for pelletizing process development, and the latter in long term can contribute to the restoration of the degraded hardwood forests in terms of forests health and value.

En raison de plusieurs décennies de coupes d’écrémage, on estime qu’actuellement, 2,3 % du domaine bioclimatique de la sapinière à bouleau jaune du Québec se compose de bétulaies jaunes résineuses dégradées. Cette étude teste certaines modalités de scarifiage permettant l’installation du bouleau jaune dans ce type de peuplements dégradées. Le patron de scarifiage retenu pour favoriser la régénération consistait à créer à l’aide d’une pelle excavatrice, des placeaux de 1 mètre et 2 mètres de largeur. Les débris accumulés au bas des placeaux ont également permis de créer un monticule. Les résultats démontrent un effet positif du scarifiage par placeaux et monticule sur l’installation de la régénération. L’exposition du sol minéral dans les placeaux permet l’installation du bouleau jaune tout créant des conditions de lumière adéquates. Il s’avère cependant que la fertilité à l’intérieur des placeaux est moindre que sur le monticule et le sol non perturbé, ce qui pourrait affecter le développement de la régénération. / Due to several decades of highgrading practices, it is estimated that 2,3 % of the overall area of the balsam fir – yellow birch eco-climatic domain is now composed of degraded stands. This study tested some scarification patterns to favour the installation of yellow birch seedling in those deteriorated stands. Mineral soil pockets, one and two meters wide have been made by an excavator. Displaced mineral soil and organic debris removed from pockets were pushed aside to form a mound. Results demonstrated positive effects of the scarification technique. An abundant seedling installation and optimum available light conditions have been measured within the pockets. However, poorer soil fertility in the pockets compared to mounds and undisturbed seedbeds could cause a delay in the seedlings growth.

La densification de la strate arbustive dans les régions arctiques et subarctiques a été largement observée au cours des dernières décennies, soulevant par le fait même des questionnements quant à l’implication de ce phénomène sur les ressources alimentaires des grands herbivores qui fréquentent ces régions. L’augmentation du couvert de neige et l’atténuation de lumière créées par un couvert arbustif plus dense sont susceptibles de mener à des modifications de la quantité et de la qualité nutritionnelle des ressources alimentaires consommées par le caribou migrateur (Rangifer tarandus). Notre objectif était de déterminer les effets de l’augmentation du couvert de neige et l’atténuation de la lumière au cours d’une saison de croissance sur la qualité et la quantité de deux composantes majeures du régime alimentaire du caribou migrateur, soit le bouleau glanduleux (Betula glandulosa) et les carex (Carex spp.). À l’aide d’une expérience contrôlée, nous avons démontré que l’ombrage améliorent la qualité nutritive des bouleaux et des carex pendant la saison de croissance via l’augmentation de la concentration d’azote et la diminution de la concentration de phénols totaux dans les feuilles. La combinaison d’un couvert de neige plus épais et de la pleine lumière ont augmenté la quantité de biomasse foliaire produite par B. glandulosa, ce qui augmente la quantité de nourriture disponible pour les caribous. En somme, nos résultats montrent que les traitements de l’expérience un impact positif sur certaines ressources alimentaires du caribou migrateur. Puisque la densification des arbustes risque d’avoir des impacts nutritifs sur d’autres groupes d’espèces végétales, nous proposons de poursuivre les recherches sur d’autres composantes du régime alimentaire du caribou migrateur, tels que les lichens et les herbacées. / Shrub expansion in arctic and subarctic regions has been widely observed over the last decades, raising questions about implications on the food resources of large herbivores. Increased snow cover and attenuation of light created by a denser shrub canopy can lead to changes in quantity and nutritional quality of resources for caribou (Rangifer tarandus), an arctic herbivore. Our main objective was to determine the effects of a deeper snow cover and light attenuation throughout a growing season on the quantity and quality of two major components of migratory caribou’s diet: dwarf birch (Betula glandulosa) and sedges (Carex spp.). Using a controlled experiment, we demonstrated that shading improved the nutritional quality of birch and sedges throughout the growing season by increasing nitrogen concentration and decreasing total phenol concentration in leaves. The combination of deeper snow cover and full light increased the biomass of leaves produced by B. glandulosa, which increased the quantity of food available for caribou. Our results support that our experimental treatments had a positive impact on some food resources for migratory caribou. Since shrub densification may have nutritional impacts on other groups of plant species, we propose to continue research on other food components of migratory caribou, such as lichens and forbs.

À la suite de plusieurs décennies de pratiques sylvicoles inadaptées à l'autécologie de certaines espèces de la forêt mixte du Québec, la qualité commerciale du bouleau jaune s'est vue grandement diminuée. Afin de maintenir, voire augmenter, la composition en espèces et la qualité commerciale des tiges, il est nécessaire de développer des pratiques mieux adaptées aux peuplements mixtes tempérés. L'objectif de cette étude est d'évaluer comment la croissance juvénile du bouleau jaune, telle qu'influencée par la taille des trouées et la dynamique de régénération, affecte la qualité commerciale des tiges de bouleau jaune dans la bétulaie jaune résineuse. Des données de suivi individuel de tiges, des inventaires de gaules, des cellules de compétition et des données dendrochronologiques prises dans deux dispositifs expérimentaux ont été utilisées pour les analyses statistiques. Nous avons mesuré différentes variables dendrochronologiques et construit des modèles non linéaires mixtes permettant d'évaluer l'influence de la taille des trouées sylvicoles, 20 m, 30 m, 40 m et 100x100m, et de la nature et l'intensité de la compétition, sur la qualité commerciale des tiges à l'étude. Nos résultats indiquent que la rectitude du fût, la hauteur du fût et la somme des débits clairs de nœuds sont influencées positivement par un patron de croissance juvénile présentant une croissance très rapide dans les 10 premières années, car cela permet à l'arbre d'atteindre le couvert dominant, suivi d'une stabilisation de la croissance radiale. De plus, la taille des trouées, leur composition ainsi que la densité de la végétation concurrente peuvent influencer la qualité des tiges. Les analyses statistiques suggèrent qu'un patron de croissance juvénile d'abord rapide, puis suivi d'une stabilisation de la croissance induite par la présence d'essences concurrentes commerciales et non-commerciales qui permet d'améliorer la qualité commerciale du bouleau jaune. Les résultats montrent aussi que les trouées de grandes tailles (2H et parquet d'un hectare, H = hauteur moyenne des arbres dominants) favorisent la qualité du bouleau tant par leur composition en espèces que par l'accès accru à la lumière. Nous suggérons l'utilisation des grandes ouvertures (2H et parquet) pour favoriser la régénération naturelle et la production de bouleau jaune de qualité au sein des bétulaies jaunes résineuses appauvries ou dégradées par les pratiques passées. Pour optimiser la qualité des bois dans les grandes trouées des bétulaies jaunes résineuses, nous suggérons de maintenir une densité totale de 2300 tiges par hectare 20 ans après la coupe ou lorsque les bouleaux jaunes ont un DHP moyen de 11,2 cm. Cette densité semble créer une compétition latérale suffisante qui favorise la rectitude du fût et l'élagage naturel des tiges.

L’avancée des espèces arbustives en région subarctique influence l’environnement abiotique des écosystèmes. Cependant, l’impact de la structure verticale des arbustes est encore méconnu. Notre objectif était de quantifier le développement de la structure verticale du bouleau glanduleux afin de vérifier son effet sur le couvert nival et la température au sol. Notre échantillonnage stratifié verticalement nous a permis de déterminer que la hauteur des peuplements est positivement associée à leur âge et à leur croissance. Alors que la biomasse ligneuse est maximale à la base des individus, la biomasse foliaire suit le développement en hauteur des individus. La hauteur des peuplements est la variable la plus plausible pour expliquer l’épaisseur du couvert nival et la température au sol en hiver (relation positive). Durant l’été, cette température est toutefois mieux expliquée par la biomasse ligneuse entre 30 et 40 cm de hauteur (relation négative). L’avancée des espèces arbustives aura des conséquences sur l’environnement abiotique des écosystèmes subarctiques. / In subarctic ecosystems, shrubification has great impacts on the abiotic environment. However, impacts of the vertical shrub structure are not well known. Our objective was to characterise the vertical structure of Betula glandulosa Michx., to increase our understanding of the impact of the shrub growth form on snow depth and soil temperature. Our stratified sampling allowed us to determine that shrub height was positively associated with the age of the dominant stems but also with the vertical growth rate. Moreover, woody biomass was greater in the lower stratum while foliar biomass followed vertical growth. Shrub height was the most plausible variable explaining snow thickness and soil temperature during winter. However, the woody biomass between 30 and 40 cm best explained summer temperature. According to our results, shrub expansion would have important consequences on the abiotic environment of subarctic ecosystems.

Au Nunavik, Betula glandulosa (Michx.) est en pleine expansion en milieu ouvert, que ce soit par la densification des peuplements préétablis ou la colonisation de nouveaux sites. Mais qu’en est-il en milieu forestier où le couvert arborescent peut avoir un effet supérieur au climat sur la croissance de B. glandulosa? L’objectif de ce projet était d’évaluer la performance de B. glandulosa le long d’un gradient de fermeture de couvert forestier à l’écotone forêt-toundra. Les résultats démontrent que le couvert forestier influence négativement celui de B. glandulosa mais qu’il a un impact limité sur la hauteur, le nombre de chatons et la germination des graines de cette espèce. L’analyse dendrochronologique révèle une relation entre la croissance radiale et les températures printanières et automnales. Toutefois, l’absence d’un signal climatique fort pour les mois d’été, contrairement aux observations effectuées en milieu ouvert, suggère que la présence d’un couvert forestier peut masquer les effets du climat.