La récolte de bois brûlé est une pratique courante au Québec après les feux de forêt afin de limiter les pertes économiques. Cependant, la récupération de la matière ligneuse doit être effectuée dans les deux premières années suivant la perturbation pour limiter la dégradation du bois. Pour planifier la récolte, une caractérisation rapide des patrons de brûlage doit être réalisée à l'aide d'images satellitaires de résolution suffisante pour la planification opérationnelle. L'objectif de ce projet était de développer un modèle de classification utilisant des images haute résolution (50 cm) pour différencier les zones affectées par le feu de celles qui ne le sont pas et, plus précisément, pour distinguer les différents niveaux de sévérité de brûlage. Quatre images Skysat ont été utilisées pour calculer des indices et collecter des données d'entraînement. Des indices ont également été calculés à partir d'images Landsat. Trois types de modèles ont été comparés (k-NN, Random Forest et Featureless) avec deux stratégies d'entraînement afin d'évaluer le potentiel de généralisation des modèles. La stratégie Exclusive entraînait les modèles en utilisant des données provenant de toutes les images sauf celle à classifier, tandis que la stratégie Inclusive incluait des données de l'image en cours de classification. Enfin, les variables les plus pertinentes pour la performance du modèle ont été sélectionnées. Les résultats indiquent que le modèle Random Forest avec la stratégie d'entraînement Inclusive et l'utilisation de variables d'entrée provenant de plusieurs échelles (valeur de pixel Skysat, valeur moyenne sur 3 m autour des pixels Skysat, valeurs des pixels Landsat, etc.) offre la meilleure performance. Cette étude suggère d'utiliser la stratégie d'entraînement Exclusive uniquement dans les contextes où la caractérisation des patrons de brûlage doit être réalisée dans un délai trop court pour permettre l'acquisition de nouvelles données d'entraînement. / Harvesting burned wood is a common practice in Quebec after forest fires to minimize economic losses. However, the recovery of woody material must be carried out within the first two years following the disturbance to limit wood degradation. To plan the harvest, a rapid characterization of burn patterns must be conducted using sufficiently high-resolution satellite images for operational planning. The objective of this project was to develop a classification model using high-resolution images (50 cm) to distinguish between areas affected by fire and those that are not, and more specifically, to differentiate between varying levels of burn severity. Four Skysat images were used to calculate indices and collect training data. Indices were also calculated from Landsat images. Three types of models were compared (k-NN, Random Forest, and Featureless) with two training strategies to assess the generalization potential of the models. The Exclusive strategy trained models using data from all images except the one being classified, while the Inclusive strategy included data from the image being classified. Finally, the most relevant variables for model performance were selected. Results indicate that the Random Forest model with the Inclusive training strategy and the use of input variables from multiple scales (value of Skysat pixels, mean value within 3 m around Skysat pixels, values of Landsat pixels, etc.) offered the best performance. This study suggests using the Exclusive training strategy only in contexts where the characterization of burn patterns must be carried out in a timeframe too short for acquiring new training data.

La planification forestière est un exercice ardu qui demande des efforts humains et matériels très importants. Plusieurs modèles de planification forestière sont proposés dans la littérature. Cependant, ils sont généralement difficiles à implémenter. En outre, leur performance est limitée aux forêts de petite taille ou de taille moyenne. L’objectif général de cette thèse est de proposer des outils simples et efficients qui permettent de réduire la complexité de cet exercice en utilisant la modélisation mathématique. Les modèles proposés dans cette thèse traitent le problème de planification forestière sur un horizon tactique et considèrent principalement deux restrictions spatiales qui sont des restrictions d’adjacence ou de période de régénération et des restrictions de rendement soutenu de récolte. Dans la première partie, nous avons proposé une nouvelle formulation mathématique basée sur la programmation en nombres entiers qui permet de modéliser le problème de planification tactique sous des contraintes spatiales. Nous avons eu recours à une méthode de résolution exacte à l’aide d’un solveur commercial pour résoudre le problème. Nous avons utilisé plusieurs forêts réelles de tailles différentes dont trois sont de très grandes forêts dans la région de la Mauricie au Québec. Pour évaluer la performance de notre modèle proposé, nous avons utilisé deux autres formulations mathématiques qui sont déjà proposées dans la littérature pour résoudre le même problème sous les mêmes contraintes. Les résultats ont montré que notre formulation est plus simple d’un point de vue de la modélisation et de l’implémentation. En ce qui concerne la résolution, les résultats ont montré qu’il n’y pas une formulation qui avait une performance supérieure lorsque la taille des forêts est petite ou moyenne. Cependant, lorsque la taille des forêts devient large, notre formulation avait une performance supérieure. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons proposé deux méthodes pour résoudre le même problème en utilisant les grandes forêts. La première méthode est une heuristique basée sur la relaxation linéaire. Pour évaluer sa performance, nous avons comparé les résultats qu’elle a fournis avec ceux obtenus en utilisant un solveur commercial pendant une durée de résolution prédéfinie. Les résultats ont montré que le solveur est plus performant lorsque le problème est mono-période. Cependant, lorsque le problème est multi-période, contrairement à notre heuristique, le solveur n’était pas capable d’obtenir un résultat pendant le temps de résolution fixé. La deuxième méthode consiste à contrôler la taille des problèmes à résoudre à travers un indicateur qui contrôle la forme des regroupements de peuplements à couper. En plus de sa simplicité, cette méthode permet de réduire significativement la taille des problèmes et d’avoir une planification opérationnelle plus efficiente par l’élimination des regroupements de peuplement ayants des formes non désirables. Dans la troisième partie, nous avons proposé un modèle intégré stochastique bi-niveau qui permet la planification de la coupe tout en considérant les feux de forêts. La formulation mathématique proposée dans la première partie de la thèse représente le premier niveau. Le deuxième niveau est un modèle de propagation de feux. Il considère des points d’ignition du feu, des points critiques tels que des municipalités et des croisements de routes forestières et deux scénarios de différentes directions et vitesses de vent. L’intégration est possible à travers la reformulation primal-dual des conditions d’optimalités du problème du plus court chemin entre les points d’ignition et les points critiques. Nous avons utilisé des forêts hypothétiques pour les expérimentations. Les résultats ont montré que les regroupements de peuplements planifiés sont localisés dans des zones qui permettent de retarder la propagation du feu des points d’ignition vers les points critiques. / Forest planning is a difficult task that needs important human and material efforts. Many forest planning modelsare proposed in the literature. However, their implementation is usually complex. More over, their performanceis limited to small and medium forests. The whole objective of this thesis is to propose simple and efficient tools to reduce the complexity of the forest planning using mathematical modeling. In this thesis, proposed models are applied for tactical forest planning and consider mainly two spatial restrictions that are adjacency or green-up restrictions and sustainable timber yields restrictions.In the first part, we proposed a new mathematical formulation based on integer programming to model the tactical forest planning under spatial restrictions. We solved the model with an exact method using a commercial solver. We used many real forests with different sizes. Three of them are very large forests and are located in the Mauricie region of Quebec. We evaluated the performance of the proposed model using two other formulation sexisting in the literature to model the same problem under the same restrictions. Results showed that there isno formulation that out performed others when small and medium forests are used. However, the proposed formulation out performed others when large forests are used.In the second part, we proposed two heuristic approaches to solve the same problem using large forests. The first one is a linear relaxation heuristic. We compared results obtained with the heuristic with those obtained with a commercial solver when a computational time is predefined. Results showed that the solver is more performant when mono-periods problems were solved. However, when multi-periods problems were solved, unlike ourheuristic, the solver does not find any feasible solution within the fixed computational time. The second heuristicis a size reduction heuristic which uses a shape index to control the shape of the clusters of stands. Besides its simplicity, this method is very beneficial as it reduces significantly problems size and anticipate the operational planning by eliminating non-profitable clusters. In the third part, we proposed a stochastic programming model formulated as an integrated mixed integerprogramming model for scheduling harvesting operations, which directly takes into account a fire spread model. It is a bi-level model. In the first level, we used the tactical forest planning model proposed in the first part. The second level represents the fire spread model that considers fire spread between ignition points and critical points, which could be, for example, municipalities and important road crossings. It considers multiple scenarios, which takes into account wind direction, and wind spread. The integration is possible due to a reformulation of a bi-level optimization problem where the lower level shortest path representation is written explicitly with aprimal-dual reformulation of its optimality conditions. Results based on a set of illustrative instances are presented. Results vary depending on spatial restrictions considered in the model. However, harvesting scheduled are usually allocated to delay fires reaching critical points and tends to allocate harvesting operations around critical points.

La forêt boréale représente environ le tiers des biomes forestiers du monde et occupe la deuxième plus grande superficie de végétation derrière les forêts tropicales. Compte tenu de sa grande répartition géographique, la forêt boréale régule les flux d'eau sur de vastes zones et a donc un impact sur la climatologie et l'hydrologie à l'échelle régionale et mondiale. Il est donc crucial de comprendre les interactions entre cet écosystème et l'atmosphère. De nombreuses études ont porté sur l'évapotranspiration des forêts boréales, mais seule une poignée d'entre elles se sont intéressées à la dynamique du fractionnement de l'évapotranspiration en transpiration du couvert forestier, évaporation de l'eau interceptée et évapotranspiration du sous-étage forestier à une échelle temporelle fine. L'objectif principal de cette thèse est d'analyser la dynamique de l'évapotranspiration, en particulier la transpiration du couvert forestier et l'évaporation de l'eau interceptée, dans une forêt boréale humide de l'est du Canada. L'approche est basée sur des observations in situ originales et des sorties de modèles du Canadian Land Surface Scheme (CLASS, tourné en mode 'standalone'), à la Forêt Montmorency (47°17′18″N ; 71°10′05.4″W) de l'Université Laval, Québec, Canada. Ce site est classé comme une forêt boréale humide avec un indice d'aridité de 0,57 et des précipitations annuelles moyennes de 1583 mm (60% de pluie, 40% de neige). Cette région est sous l'influence d'un climat continental subarctique (classification Köppen Dfc), avec une température annuelle moyenne de 0,5℃ et une saison de croissance s'étendant de juin à octobre. Le dispositif expérimental est composé de deux sites avec des peuplements de sapins baumiers à différents niveaux de maturité (stade juvenile (site 'Juvenile') et stade gaule (site 'Sapling')), tous deux équipés d'une tour à flux. Le peuplement le plus mature du site Juvenile a un indice moyen de surface foliaire plus élevé (3,6) que celui du site Sapling (2,9). L'évapotranspiration des peuplements de sapins baumiers a été mesurée par un système de covariance des tourbillons installé sur la tour à flux, tandis que la transpiration du couvert forestier et son bilan hydrique ont été mesurés à l'intérieur de trois parcelles de 400 m² situées à proximité de chaque tour à flux. L'analyse se concentre sur les saisons de croissance de 2017 et 2018. Cette thèse est divisée en trois objectifs spécifiques. Le premier objectif spécifique est d'analyser la dynamique de la transpiration du couvert forestier dans des conditions transitoires d'humidité de la canopée. La transpiration a été obtenue à partir de mesures de flux de sève à l'aide de la méthode de dissipation thermique sur 12 arbres échantillonnés à chaque site. Les incertitudes liées au processus de passage de l'échelle de l'arbre à celle du peuplement ont été quantifiées, en particulier grâce à l'étalonnage en laboratoire des capteurs de flux de sève réalisé sur des échantillons de sapin baumier. Les résultats ont montré que la transpiration diminue lorsque la couverture de la canopée est en phase d'humidification, et augmente lorsqu'elle est en phase de séchage. Le rayonnement net, le déficit de pression de vapeur et la présence de gouttes de pluie sur les aiguilles des arbres jouent tous un rôle dans la régulation de la transpiration des arbres. À l'échelle saisonnière, la transpiration du couvert forestier a représenté tout au plus 47% de l'évapotranspiration totale. Ces résultats suggèrent que l'évaporation de l'eau interceptée par la canopée est un terme important du bilan hydrique de la canopée. Ainsi, dans la deuxième partie de la thèse, nous avons analysé la dynamique de l'interception de la canopée autour d'événements pluvieux de l'échelle de la demie-heure jusqu'à la saison de croissance dans son ensemble. Afin de mesurer le bilan hydrique de la canopée, des dispositifs de mesure de la précipitation et du débit s'étalant le long des troncs ont été déployés, de même qu'un dispositif mesurant la compression d'un tronc d'arbre en continu. Cette nouvelle technique, qui permet d'associer la compression d'un arbre à l'eau interceptée, n'avait jusqu'alors jamais été testée au cours d'une saison de croissance complète. Outre l'estimation des précipitations interceptées, les résultats du bilan hydrique de la canopée et le système de suivi de la compression d'un tronc d'arbre ont également été utilisés pour estimer le stockage maximal d'eau dans la canopée. Le stockage d'eau maximum de la canopée estimé par la méthode du bilan hydrique de la canopée s'est révelé en moyenne de 1,6 mm (≈ 0, 49 mm par unité d'indice de surface foliaire) et de 2,2 mm en utilisant le système de suivi de la compression d'un tronc d'arbre. Au cours des deux saisons de croissance étudiées, l'évaporation de l'eau interceptée a représenté entre 16% et 27% de l'évapotranspiration totale. Enfin, pour le troisième objectif spécifique de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la capacité du modèle CLASS à reproduire les observations du cheminement vertical de l'eau à travers la canopée forestière. Malgré quelques légères différences entre les observations et les simulations, CLASS s'est avéré capable de simuler avec précision le fractionnement de l'évapotranspiration observée dans des conditions de canopée sèche et humide. Les performances se sont avérées encore meilleures lorsque la capacité de stockage de la canopée dans le modèle a été supposée égale aux observations. Les principaux écarts entre les observations et les sorties du modèle ont principalement été causés par des différences de temps de séchage de la canopée observés vs simulés. Cette thèse fournit un examen détaillé de l'évapotranspiration en forêt boréale humide, en mettant l'accent sur les transitions entre les conditions sèches et humides de la canopée. Les résultats obtenus sont importants pour le développement de modèles hydroclimatiques réalistes et performants au Canada et dans d'autres régions froides du monde. / Boreal forests account for around a third of the world's forest biomes and occupy the second largest vegetated area after tropical forests. Given its large geographical distribution, the boreal forest regulates water fluxes over vast areas and thus impacts climatology and hydrology at regional and global scales. Understanding the interactions between this ecosystem and the atmosphere is therefore crucial. Many studies have investigated the evapotranspiration of boreal forests, but only a handful have focused on the dynamics of evapotranspiration partitioning into overstory transpiration, wet canopy evaporation, and understory evapotranspiration on a fine temporal scale. The main objective of this thesis is to analyze the dynamics of evapotranspiration partitioning, particularly overstory transpiration and wet canopy evaporation in a humid boreal forest of eastern Canada. The approach is based on field observations and model outputs from the Canadian Land Surface Scheme (CLASS, run in offline mode), at the Montmorency Forest (47°17′18″N; 71°10′05.4″W) of Université Laval, Québec, Canada. This site is classified as a humid boreal forest with an aridity index of 0.57 and mean annual precipitation of 1583 mm (60% rain, 40% snow). This region is under the influence of a continental subarctic climate (Köppen classification Dfc), with a mean annual temperature of 0.5℃ and the growing season stretching from June to October. The experimental setup consists of two sites with balsam fir stands at different levels of maturity (Juvenile and Sapling), both equipped with eddy covariance flux tower. The more mature stand at the Juvenile site has a higher mean leaf area index (3.6) than the Sapling site (2.9). The evapotranspiration of the balsam fir stands was monitored by an eddy covariance system installed on the flux tower whereas the overstory transpiration and canopy water balance were measured inside three 400-m² plots located in the vicinity of each flux tower. The analysis focuses on the 2017 and 2018 growing seasons. This thesis is divided into three specific objectives. The first specific objective is to analyze the dynamics of overstory transpiration under transient canopy wetness conditions. Overstory transpiration was obtained from sap flow measurements using the thermal dissipation method on 12 sampled trees at each site. Uncertainties arising in the upscaling process from tree to stand scale were quantified, in particular through laboratory calibration of sap flow sensors performed with balsam fir trunk samples. The results showed that transpiration decreases when the canopy cover is in its wetting phase, and increases when in the drying phase. Net radiation, vapor pressure deficit, and the presence of rain drops on the tree needles all play a role in regulating tree transpiration. At the seasonal scale, overstory transpiration represented at most 47% of the total evapotranspiration. These results suggest that wet canopy evaporation is a significant term of the canopy water balance, which is the subject of the second specific objective. Hence, in the second part of the thesis, we analyzed the dynamics of canopy interception around rainfall events from half-hourly to seasonal scales. In order to measure the canopy water balance, throughfall and stemflow measurement devices were deployed, along with the stem compression approach. This new technique, which aims to weight a tree continuously to determine the amount of intercepted water, had never been tested for a full growing season. Apart from estimating the intercepted rainfall, results from canopy water balance and stem compression approach were also used to estimate the canopy maximum water storage. The maximum canopy water storage estimated using the canopy water balance method was on average 1.6 mm (≈ 0.49 mm per unit leaf area index) and 2.2 mm using the stem compression method. During the two growing seasons under study, the wet canopy evaporation contributed between 16% and 27% of the total evapotranspiration. Finally, for the third specific objective of this thesis, we were interested in the ability of the Canadian land surface scheme (CLASS) model to reproduce the observed circulation of water through the forest canopy. Despite some slight differences between the observations and simulations, CLASS is able to accurately simulate evapotranspiration partitioning during dry and wet canopy conditions, particularly after adjusting the maximum canopy water storage in line with that observed at the site. The discrepancy between observations and model outputs is mostly a consequence of differences in canopy drying times. Overall, CLASS is able to simulate ratios of evapotranspiration component to total evapotranspiration similar to those derived from observations at the more mature stand, but overestimates these ratios at the younger stand. This thesis provides a detailed examination of the evapotranspiration partitioning, with a focus on transitions from dry to wet and from wet to dry canopy conditions. These informations are important for the development of accurate hydrological models in Canada and in other cold regions around the world.

Les forêts sont caractérisées par les nombreuses fonctions et les biens et services qu'elles offrent à la société. Toutefois, les diverses utilisations du territoire forestier posent un défi fondamental : la cohabitation des acteurs. Généralement associée à des conflits d'usages, mais aussi à des utilisations complémentaires, la diversité des biens et services de la forêt met en exergue la complexité associée à la gestion forestière. La gestion intégrée des ressources et du territoire (GIRT) est un concept théorique qui tente de faciliter l'utilisation multiple du territoire forestier. Cependant, la GIRT intègre à son tour plusieurs concepts qui, pris individuellement, sont tous aussi complexes les uns que les autres. Pensons notamment au processus de gestion coopératif, à la concertation, au développement du territoire, à la conservation, à la mise en valeur des ressources et des fonctions du milieu, aux bénéfices et retombées économiques, aux collectivités forestières et à l'optimisation de l'utilisation des ressources qui sont inclus dans la définition de la GIRT. Cette thèse permet ainsi de démystifier la GIRT en explorant les différentes facettes, théoriques et appliquées, tout en se basant sur les perceptions des acteurs qui sont au cœur même de cette approche. Avant tout, la GIRT est un concept englobant qui prend forme grâce à la dynamique des acteurs sur le territoire forestier. Cette thèse, divisée en quatre chapitres, considère la perception de ces acteurs, passés et actuels, qui ont été impliqués dans la mise en œuvre de la GIRT. Premièrement, dans le but de comprendre le concept et ses origines, un bilan des trente dernières années, soit depuis le changement de régime forestier en 1986, a été dressé pour le Québec. Ce sont ici les experts d'hier et d'aujourd'hui, issus de différents secteurs du milieu forestier, qui ont été mobilisés. Ainsi, les conclusions s'appuient sur leurs témoignages, sur l'analyse de documents gouvernementaux, d'actes de colloques et de la littérature scientifique. Deuxièmement, pour comprendre les subtilités, les enjeux et les opportunités associés à la mise en œuvre de la GIRT telle que définie dans la législation forestière québécoise, une étude de la perception des professionnel(le)s responsables de son implantation a été menée. Au moyen d'entrevues semi-dirigées, il a été possible d'identifier les principaux défis et de proposer une nouvelle définition du concept pour mieux correspondre aux enjeux contemporains. Troisièmement, au-delà du concept théorique, la GIRT est avant tout un concept pratique qui s'intéresse aux multiples utilisations du territoire forestier. Ce sont donc les acteurs qui utilisent le territoire forestier qui sont au cœur de la GIRT. Cette thèse vise à connaître leurs perceptions de la mise en œuvre de la GIRT. Au moyen d'un sondage réalisé en ligne et destiné aux membres des Tables locales de gestion intégrée des ressources et du territoire (TLGIRT) et qui sont les représentants officiels des acteurs présents sur le territoire forestier, il a été possible d'identifier les forces et les faiblesses associées à la GIRT. Bien que tout soit en place pour faciliter une prise en compte équitable des acteurs, des écarts sont toujours observés. Quatrièmement, la GIRT se déploie localement sur l'ensemble des forêts publiques et elle prend en compte les retombées générées par l'utilisation des ressources. Le dernier chapitre permet de cartographier la valeur économique des usages directs dans des territoires ciblés où cohabitent plusieurs usagers, soit les réserves fauniques. Les résultats permettent ainsi de visualiser la GIRT en fonction des caractéristiques biophysiques et anthropiques du territoire, dans le but de développer des scénarios d'aménagement qui facilitent la cohabitation des utilisations dans le temps et dans l'espace. En conclusion, les résultats de cette thèse proposent un nouveau modèle théorique de la GIRT qui met en lumière l'importance des relations qui se sont bâties entre les acteurs au fil du temps. Afin de faire face aux défis que pose la présence d'intérêts multiples, il faut s'appuyer sur des approches qui prennent en compte les enjeux sociaux en amont de la planification forestière. Pour y arriver, il faut octroyer aux parties prenantes impliquées sur le territoire forestier un pouvoir décisionnel en matière de gestion intégrée et ultimement d'aménagement forestier intégré. / Forests are characterized by the many goods and services they provide to the society. However, the various uses of the forest territory pose a fundamental challenge: the cohabitation of actors. Usually related to usage conflicts, but also with complementary uses, the diversity of goods and services highlights the complexity associated with forest management. Integrated land and resource management (ILRM) is a theoretical concept that aims to achieve multiple uses of forest lands. The ILRM definition also includes various concepts that, analyzed individually, are as complex as ILRM itself. This includes the cooperative management process, concertation, land development, conservation, enhancement of forest resources and functions, economic benefits, forest communities, and optimization of resource use. This thesis demystifies ILRM by exploring its different facets, theoretical and applied, while focusing on the perceptions of stakeholders that represent the very heart of this approach. Above all, ILRM is an all-encompassing concept that takes shape through the dynamics of the actors in the forest territory. This thesis, divided into four chapters, considers the perceptions of these actors, past and present, who have been involved in the implementation of ILRM. First, in order to understand the concept and its origins, a review of the last thirty years was made for Quebec. Experts from the past and present, from different sectors of the forestry industry, were mobilized. Thus, the conclusions are based on their testimonies, on the analysis of government documents, symposium proceeding sand scientific literature. Secondly, in order to understand the subtleties, issues and opportunities associated with the implementation of IWRM as defined in Quebec's forestry legislation, a study of the perceptions of the professionals responsible for its implementation was conducted. Through semi-directed interviews, it was possible to identify the main challenges to propose a new definition of the concept to better correspond to contemporary issues. Thirdly, beyond the theoretical concept, ILRM is above all a practical concept that focuses on the multiple uses of the forest territory. It is therefore the actors who use the forest territory who are at the heart of ILRM. This thesis aims to fin out their perceptions of the implementation of IRTWM. By means of a survey carried out online and intended for the members of the Integrated land and resource management panels (ILRMP), who are the official representatives of the actors present on the forest territory, it was possible to identify the strengths and weaknesses associated with ILRM. Although everything is in place to facilitate equitable consideration of stakeholders, gaps are still observed. Fourth, ILRM is being implemented locally across the public forest and is considering the benefits generated by resource use. The last chapter maps the economic value of direct uses in targeted areas where several users coexist, i.e. wildlife reserves. The results allow us to visualize the ILRM according to the biophysical and anthropic characteristics of the territory, with the aim of developing management scenarios that facilitate the cohabitation of uses in time and space. In conclusion, the results of this thesis propose a new theoretical model of IWRM that highlights the importance of the relationships that have been built between actors overtime. To address the challenges posed by the presence of multiple interests, it is necessary to rely on approaches that take social issues into account at the beginning of forest planning. To achieve this, stakeholders involved in the forest area must be given decision making power in integrated management and ultimately in integrated forest management.

Au Québec, le domaine bioclimatique de la pessière à mousses se caractérise d'ouest en est par des changements topographiques, climatiques et écologiques marqués. Une approche biogéographique et paléoécologique a été utilisée pour étudier le rôle des feux d'une part dans la mise en place de ce gradient écologique longitudinal et, d'autre part, dans la dynamique à long terme de ses peuplements forestiers représentatifs. Les changements des conditions du climat, du régime des perturbations naturelles, du relief et du couvert forestier ont été documentés le long d'un transect de 1000 km, à partir de différentes sources de données cartographiques. Dans la portion ouest du domaine, le climat continental et plus sec favorise les feux. Les pessières à épinette noire et celles à épinette noire et à pin gris y constituent les peuplements dominants. Les pessières à épinette noire et sapin baumier augmentent en importance dans la portion centrale du domaine, tandis que sur la Côte-Nord, les feux moins fréquents et le climat plus humide favorisent les sapinières. La reconstitution de l'histoire des feux et de la végétation à partir de l'identification et la datation ¹⁴C des charbons de bois de taille >2 mm enfouis dans les sols de quatre peuplements forestiers représentatifs dans les portions ouest et est du domaine (pessière à épinette noire, sapinière à épinette noire, sapinière à bouleau à papier, pessière à lichens) a montré que cette différenciation du régime des feux aurait cours depuis au moins l'Holocène moyen. Malgré ces différences, les peuplements des deux régions ont été principalement caractérisés par une dynamique de récurrence qui entraîne le renouvellement de forêts de même composition. La composition forestière est ainsi demeurée relativement stable au cours du temps. La dynamique de succession semble être un phénomène rare chez les peuplements étudiés, sauf dans le cas de ceux dominés par le bouleau à papier et le sapin baumier. La transformation de la pessière à épinette noire vers la sapinière à épinette noire semble être un long processus successionnel qui survient au cours de périodes de temps sans feu pouvant s'étendre sur plusieurs siècles. L'état d'équilibre des paysages de la pessière à mousses est parfois rompu par la transformation de forêts fermées en forêts ouvertes à la suite d'un feu. Il s'agit du plus important changement qui est survenu au cours des derniers millénaires. L'identification et la datation 14C des charbons de bois enfouis dans les sols est une méthode qui permet de reconstituer un portrait réaliste des feux survenus à l'échelle des peuplements pendant l'Holocène. Cette approche permet d'améliorer notre compréhension de la dynamique forestière passée et actuelle des écosystèmes du domaine bioclimatique de la pessière à mousses.

Dans la quête de la mise en place d’une stratégie d’aménagement écosystémique (AE) dans la forêt boréale de l’est du Canada, nous avons réalisé une étude de faisabilité sur la viabilité économique, l’acceptabilité sociale et la pertinence écologique. À l’aide de modèles d’approvisionnement en bois, nous avons comparé une stratégie AE à une stratégie de normalisation des forêts (status quo) afin d’en évaluer sa robustesse et son l’adaptabilité face à l'augmentation du taux de brûlage et des anomalies de croissance induites par les changements climatiques. Les modèles d'approvisionnement en bois utilisent le plus souvent un modèle de croissance et de rendement calibré à l'échelle du peuplement (tables de production) pour projeter l’évolution du volume marchand des strates d’aménagement. Puisque les stratégies d'aménagement écosystémique ont tendance à repousser l'âge d'exploitabilité, il est pertinent d'évaluer jusqu'à quel degré les tables de production actuelles peuvent être utilisées comme intrant dans un contexte d'aménagement écosystémique. Lorsqu’une table de production est évaluée relativement à un modèle de croissance calibré à l’échelle de l’arbre, nous montrons que bien que le modèle à l’échelle d'arbre semble moins biaisé, aucun modèle performe de manière adéquate pour prédire la croissance en volume marchand dans notre aire d’étude, particulièrement lorsque nous subdivisons les données par les attributs qui peuvent jouer un rôle pendant la mise en place d’AÉ. Pour les deux modèles, la source majeure d’erreur est liée à la densité du peuplement. Grâce à leur simplicité relative, nous avons préféré utiliser les tables de production pour élaborer nos modèles d’approvisionnement en bois. La programmation linéaire standard a été utilisée pour tester les effets de quatre enjeux clefs sur le niveau d’approvisionnement en bois: (1) tendre vers une structure d’âge forestière établie à partir du régime naturel des feux et de la dynamique forestière, (2) agglomérer les blocs de récolte dans des chantiers de récolte afin de reproduire les patrons de perturbation naturelle à l’échelle du paysage, (3) maintenir les taux cumulés de coupe totale et de perturbation naturelle à l’intérieur du domaine historique de variabilité, et (4) exclure de la récolte les aires d’intérêt potentiel pour les peuples autochtones. Comparé à un scénario de status quo, l’inclusion des trois premiers enjeux résulte en une baisse de 3 à 22% de l’approvisionnement périodique et une période de restauration requérant que la coupe totale soit exclue sur 43 à 67% de la superficie productive pour les prochains 50 ans. Une validation des filtres bruts utilisés dans cette étude (les trois premiers enjeux) a été faite en utilisant les besoins en habitats du caribou des bois (Rangifer tarandus caribou). Pratiquement tous les scénarios induisaient un taux de perturbation susceptible de permettre le maintien du caribou des bois d’ici 25 ans. Enfin, nous avons intégré le taux de brûlage et la sensibilité des tables de production au climat dans nos modèles d’approvisionnement afin de quantifier les incertitudes induites par le climat et les feux pour les deux stratégies d’aménagements. Les deux modèles suggèrent une réduction de l’approvisionnement périodique en bois entre 13 et 79%. Même si les indicateurs écologiques favorisent l’AE par rapport la normalisation des forêts, juste un changement de stratégie n’est pas suffisant faire face aux impacts du risque de feu et des changements climatiques en forêt boréale. Mots clefs: Forêt boréale, aménagement écosystémique, croissance et rendement, faisabilité, adaptation, feux de la forêt, changements climatiques / In the quest of implementing an ecosystem-based management (EBM) in a boreal forest in eastern Canada, we conducted a feasibility study focusing on ecological suitability, economic viability and social acceptability. Through timber supply models, we compared the outputs of EBM with a business as usual (BAU) management to determine former’s robustness and adaptability to the increase in wildfire and growth anomalies induced by climate changes. Timber supply analyses use yield models, most often at the stand-level to project harvestable volume over the planning horizon. Since EBM tend to delay harvesting age, the question may be raised on to what extent existing yield tables can be used with such strategies. When a yield table is rated against a tree-level model, we show that although the tree-level model is less biased, none of the models performed adequately to predict the volume growth of our study area, especially when subdividing the data by attributes that may have an important role while implementing EBM. For both models, the major source of error was related to stand density. Due to its relative simplicity, we chose stand-level yield tables to build our timber supply models. We then carried out a feasibility study of implementing an EBM strategy in a boreal forest in eastern Canada. With standard linear programming, we tested four policy issues; age structure, harvest agglomeration; limit of cumulative disturbance, and land base of aboriginal interest. These issues were dealt with 3% – 22% reduction in periodic wood supply and a transition period of 50 years where clear-cut needs to be excluded in 43% – 67% of the productive area. Validation of the outputs through habitat requirement of woodland caribou (Rangifer tarandus caribou) as a fine filter showed that most of the scenarios should likely allow a self-sustaining caribou population within next 25-years. Finally, we integrated climate sensitive fire burn rates and yield tables in the timber supply models to quantify the uncertainty induced by climate and fire under both management strategies. Both models responded with a reduction of periodic wood supply by 13% – 79%. Although ecological indicators are relatively better under EBM, merely switching the management strategy is not enough to address the impacts of fire and climate change in the boreal forests. Key words: Boreal forest, ecosystem-based management, growth and yield, feasibility, adaptation, wildfire, climate change

L’utilisation de la biomasse forestière comme source d’énergie est de plus en plus intéressante dans le contexte actuel de lutte contre les changements climatiques puisqu’elle permet de réduire la consommation d’énergie fossile. La récolte de biomasse peut varier sur plusieurs aspects tels que le volume de bois récolté, la source de biomasse et le contexte du territoire. Cette étude vise à déterminer l’effet de la récolte de biomasse sur l’établissement de la régénération ainsi que sur les besoins subséquents en préparation de terrain dans les forêts affectées par la tordeuse des bourgeons de l’épinette; les retombées en termes de coûts et d’émissions de carbone sont aussi analysées. Le secteur d’étude fait partie du domaine bioclimatique de la pessière à mousses de la région de la Côte-Nord, Québec, Canada et se situe à 25 km au nord de la ville de Port-Cartier. Pour établir le dispositif, la récolte de biomasse a été effectuée durant les années 2018 et 2019 dans certaines aires de coupe totale de peuplements dominées par le sapin et l’épinette noire. Des parcelles échantillons ont été disposées aléatoirement dans des aires de coupe avec récolte de biomasse et des aires témoin (sans récolte de biomasse) pour y évaluer: la qualité de la régénération, la quantité de microsites propices à la régénération, le recouvrement de la compétition, la quantité de débris ligneux au sol et le type de substrat. Les données de coûts d’opération pour la collecte et le transport de la biomasse étaient fournies grâce à une collaboration avec l’industriel Rémabec. Nos résultats suggèrent que la récolte de biomasse augmente la densité de régénération et la quantité de microsites propices à la régénération. Nous avons aussi observé que la récolte de bois résiduel permettait de réduire les coûts de remise en production des sites de coupe d’environ 282.07＄ CA ha⁻¹, ce qui équivaut à 14.45＄CA par tonne métrique anhydre de biomasse récoltée. De plus, lorsque combiné à la préparation de terrain et à la plantation, un scénario incluant la récolte d’environ 45% du volume de débris ligneux pour la production de bioénergie entrainait la séquestration de carbone cumulative la plus élevée sur une période de 100 ans par rapport à tout autre scénario sans récolte de biomasse. Cette étude suggère que l’intégration de la récolte de biomasse comme outil sylvicole a un potentiel économique et écologique important. La bioénergie peut jouer un rôle clé pour la transition énergétique vers des énergies renouvelables, la mise en valeur des résidus forestiers et la lutte contre les changements climatiques.

La productivité est influencée par des facteurs climatiques et non-climatiques temporaires ou permanents. Leurs effets varient dans le temps et dans l’espace et le fait d’assumer une sensibilité homogène de la productivité alors qu’elle est en fait hétérogène a des conséquences sur la capacité de prévision de la productivité forestière. Il existe des preuves des changements globaux, régionaux et locaux et la réponse en terme de croissance à ces variations dans la forêt boréale est diversifiée et dans certains cas contrastées. Il est donc nécessaire de surveiller constamment la croissance et la productivité et des études régionales sont donc nécessaires pour étudier les alternatives des procédures d'estimation de la productivité. Cette thèse a donc pour but de déterminer dans quelle mesure les changements dans le climat et les régimes de perturbations affecter la productivité du site dans les forêts boréales et tempérées septentrionales situées dans la province de Québec. Des données d’analyse de tiges ont été obtenues pour 32 peuplements dominés par le tremble dans un transect nord-sud couvrant 5 degrés de latitude, représentant un large gradient climatique avec différent dépôts du surface. La croissance en hauteur en temps réel y a été étudiée à l’aide du modèle de productivité de Plonski. Plus de 4000 placettes échantillons temporaires ont été obtenues dans des peuplements d'âges, de structures et de compositions différentes pour mesurer les effets rétroactifs de la végétation sur la productivité, qui résultent indirectement du climat et du sol. Le modèle de Pothier et Savard a ensuite été utilisé pour estimer l'indice de qualité de station du tremble dans des peuplements mélangés. Enfin, le dernier chapitre a utilisé le modèle aspécifique hauteur dominante-âge de Pothier et Auger. Les résultats du premier chapitre montrent que, dans les peuplements dominés par le tremble, la croissance en hauteur est surtout influencée par la somme annuelle des degrés-jours, avec un pouvoir prévisionnel aussi bon que celui obtenu avec des variables basées sur les processus. Un modèle qui suppose que certaines populations ont des réponses différentes au climat est meilleur, ce qui démontre que la sensibilité du tremble au climat n'est pas identique sur toute son aire de dispersion. Dans les peuplements mélangés, la structure du peuplement et la composition en espèces sont les principaux facteurs expliquant la productivité du tremble. Une interaction entre les facteurs du paysage et de la placette influence la productivité à l’échelle des placettes, suggérant qu'une approche de modélisation hiérarchique est plus appropriée. Enfin, puisque les changements de structure et de composition reflètent la dynamique de succession, il est déduit que les changements successionnels dominent la variabilité de la productivité dans les peuplements mélangés. Nos résultats semblent concorder avec l’idée fondamentale de l’existence d’une hétérogénéité (dans la productivité forestière) due aux interactions intra- et inter-specifiques qui produisent des structures capables de s’adapter dans le temps, comme le suggère le concept des systèmes adaptatifs complexes. / Forest productivity is driven by direct climatic and non-climatic factors which are transient or permanent in nature. Their effects vary through time and along spatial scales, thus assuming equal sensitivities across time and space where heterogeneous growth responses exist has consequences for the prediction of forest productivity. There is growing evidence of global changes, associated by rather diverse and in some cases contrasting changes in growth. It is necessary to constantly monitor growth and productivity and regional studies are therefore necessary to consider alternative productivity estimation procedures. This thesis was therefore aimed at determining to what extent global, regional and local changes in climate and disturbance regimes affect forest site productivity within eastern Canadian boreal and northern temperate forests located within the province of Québec. Stem analysis data was first obtained from 32 aspen dominated stands that spanned a 5-degree of latitude-wide transect representing a large climate gradient with different surficial deposit types in order to study real-time height growth. Plonki’s site index model calibrated from stem analysis data was used in estimating a height growth index for these 32 stands. Over 4000 temporary sample plots were also obtained from stands of varying age, structure and species compositional gradients in order to determine feedback effects of vegetation on productivity, which are indirect effects of climate and soil. A site index model calibrated from temporary sample plots (and currently used in Québec for growth and yield estimation) was used in estimating site index for mixed aspen stands. Finally, the last chapter of this thesis used an aspecific height-age relationship. Results of the first chapter show that within aspen dominated stands, height growth is mainly driven by the annual cumulative sum of growing degree days with an explanatory capacity as good as that of more complex processed-based variables. Also, aspen productivity in pure stands is better explained with a model that assumes that specific populations have different response functions to climate, demonstrating that climate sensitivity is not stable across a species’ geographic range. Within mixed species stands, stand structure and species composition are the major drivers of aspen productivity. Variability in productivity is better explained at the level of landscapes than stand-level. An interaction between landscape- and stand-level drivers influence stand-level productivity, suggesting that a hierarchical modelling approach is more appropriate than a single-level model. Since stand structural and compositional changes are dynamics that characterize stand succession, it is inferred that successional changes and not climate drive productivity in mixed stands, when measured with site index. Our results seem to concur with the fundamental idea of the existence of heterogeneity (in forest productivity) due to intra- and inter-specific interactions in a way that produces structures capable of adapting through time, as suggested by the concept of complex adaptive systems.

La gouvernance des forêts publiques du Québec a été marquée d’importants bouleversements dans les dernières décennies. L’apparition de nouvelles dynamiques dans les milieux forestiers, notamment avec l’émergence toujours plus importante d’acteurs issus de la société civile, ont mené le Québec forestier dans une crise d’envergure. Prenant conscience de la situation, l’État a entrepris une refonte de son régime forestier pour poser un jalon majeur dans la gouvernance des forêts. Ce virage a été entrepris en 2010 avec l’adoption de la Loi sur l’aménagement durable du territoire forestier, qui est ensuite pleinement entrée en vigueur en 2013. Parmi les changements majeurs marquant le nouveau régime forestier de la province, l’instauration d’une gestion participative et décentralisée est mise de l’avant afin de rejoindre les préoccupations et intérêts des communautés locales. Ce virage idéologique a aussi porté une reconnaissance plus importante du caractère particulier de la participation des Premières Nations, acteurs distincts en raison de leur rapport au milieu forestier et un historique de marginalisation dans la gouvernance des ressources. La présente recherche s’attarde donc à l’intégration des collectivités autochtones dans la foresterie au Québec à partir de la question spécifique suivante : quel est l’état de la participation des Premières Nations à la gouvernance des forêts publiques québécoises depuis 2010 selon la typologie de Wyatt? Élaborée depuis une typologie considérant les différentes composantes de la gouvernance des forêts publiques, la recherche a pour objectif de contribuer à une meilleure compréhension des dispositions du nouveau régime forestier québécois en regard à la participation autochtone.

Les feux sont un phénomène naturel dans la forêt boréale du Canada. Ils sont étroitement liés à la croissance et au développement de cet écosystème. Cependant, l’augmentation des activités anthropiques associées au changement climatique graduel peuvent provoquer un accroissement des épisodes de feux. Un tel accroissement pourrait avoir des effets indési-rables sur l'industrie forestière en raison d’une rupture de l'approvisionnement en bois sur une période de planification à long terme. Cette thèse explore une approche alternative pour concevoir des stratégies qui réduiront l'impact potentiel des feux de forêt sur les revenus à long terme générés par la vente de produits forestiers ciblés, et ce, au moyen d’une politique d’aménagement forestier spécifique. L'étude est basée sur les données de trois unités d’aménagement forestier localisées dans la région boréale de la province de Québec au Ca-nada. Les modèles de politique de planification de la récolte forestière ont été résolus en utilisant la programmation linéaire intégrée avec un taux de brûlage constant. Les options de récolte prescrites par les modèles de planification ont été évaluées à l’aide d’un modèle de simulation de paysage intégré avec un taux de brûlage stochastique. Parmi les quatre modèles pris en compte, le modèle verticalement intégré (modèle 4) a géné-ré les revenus les plus élevés tout en ayant les variations les moins importantes de revenu au sein et entre les périodes pour l'horizon de planification. Ce modèle a permis de maximiser la valeur actuelle nette des recettes provenant de la vente de produits de première transfor-mation pour les deux premières périodes soumis à une récolte forestière constante et à des volumes de bois récupérés durant une période de planification complète. Les revenus plus élevés et les variations plus faibles suggèrent que le modèle peut réduire le risque des im-pacts des feux de forêt sur les revenus comparativement aux trois autres modèles, y compris le modèle de rendement soutenu qui maximise le volume de la récolte soumis à des flux constants du volume de récolte durant une période de planification (modèle 1). L'analyse des dépenses de gestion des incendies a démontré que l’augmentation de telles dépenses peut réduire le coût de lutte contre les feux et augmenter les revenus de la récolte tout en diminuant la variabilité. Cependant, il y a un niveau optimal de dépense qui dépend de la structure forestière et des régimes de feux. Par conséquent, une répartition optimale des dépenses de prévention peut réduire le risque d'impact du feu sur l’économie forestière à long terme. La pérennité des écosystèmes est importante en gestion forestière. Par conséquent, l'intégri-té écologique est de plus en plus préoccupante en ce qui concerne les forêts publiques cana-diennes qui sont aménagées à des fins commerciales. La mise en œuvre d’une politique de récolte exigeant la conservation des vieilles forêts tout en tenant compte de l'impact poten-tiel du feu peut avoir des effets négatifs sur les revenus. Les impacts peuvent être réduits en choisissant une politique de gestion forestière alternative. La réduction des revenus à court terme peut être compensée par des retours à long terme générés par la valeur ajoutée asso-ciée à l'âge du bois en utilisant des politiques alternatives. Finalement, les résultats démontrent que le modèle de planification de la récolte intégrée verticalement et l’optimisation des efforts de gestion du feu peuvent accroître les revenus à moyen et à long terme de l'industrie forestière. Le modèle réduit le risque de perte de reve-nus lié à la rupture de l'approvisionnement lorsque l'impact du feu est inclus dans le proces-sus de planification. De plus, les solutions prescrites dans ce modèle aident à réduire le taux de récolte et à augmenter le volume des stocks qui peut être un coussin en prévision des feux qui surviennent de façon très variable au cours des périodes de l’horizon de planification. / Forest fire is a natural process in the boreal forest region of Canada and it is strongly con-nected to forest growth and development. Yet, increasing anthropogenic activities coupled with gradual climate change can increase fire occurrence and area burned. Such an increase may cause adverse impacts on the forest-based economy by the potential disruption of tim-ber supply over a long-term planning horizon. This thesis explores an alternative approach to designing strategies to reduce the potential impact of fire on long-term revenues generated by the sale of prescribed harvest products using a specified forest management policy. The study is based on data from three commercially-managed forests located in the boreal forest region of the province of Quebec, Canada. The harvest planning policy models were solved using a constant average annual burn rate-embedded in a linear programming model. The harvest solutions prescribed by the planning model were evaluated by implementing them in a stochastic landscape simulation model. Among the four policy models examined, vertically integrated model (model 4) generated the highest revenue with the least within- and among-period variation in revenue over the planning horizon. This model maximized the net present value from the sale of primary-processed wood products for the first two periods subjecting to the constant flows of har-vest timber and recovered lumber volumes for an entire planning horizon. The higher reve-nue and lower variation suggest that the model can have lower risk of fire impacts on reve-nue compared with the other three models including the status quo sustained-yield policy model (model 1) that maximizes harvest timber volume subject to constant flows of the harvest volume over the planning horizon. Analysis of fire management expenditures demonstrated that increased presuppression ex-penditure can reduce suppression costs and increase the revenue from the harvest while lowering the variability. However, there is an optimal level of expenditure, which depends on the structure of the forest and fire regimes. Hence, an optimal allocation of presuppres-sion expenditure can reduce the risk of the fire on the long-term economics of the forest. Ecosystem sustainability is important for forest management. Therefore, ecological integrity is of increasing concern with respect to commercially-managed public forests in Canada. Implementation of a harvest policy with strict requirement of old-growth forest area con-straint while accounting for the possible impact of fire can have adverse impacts on reve-nue. The impacts can be reduced by selecting alternative forest management policies. The short-term reduction in revenue from harvests can be compensated for by long-term eco-nomic returns provided by age-related value accumulation of the harvest timber using alter-native policies. Finally, based on the results, the vertically integrated harvest planning model coupled with optimal fire management efforts can increase long-term average revenue to wood industry. The model lowers the risk of loss of revenue due to supply disruptions when the impact of fire is accounted for in the planning process. In addition, the solutions prescribed by this model help reduce the harvest rate and increase stock volume which can act as a buffer for the highly variable potential fires in the successive periods over a planning horizon.