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.

En raison de l'interception de la neige par la canopée, l'accumulation et la fonte de neige est bien différente en forêt qu’en milieu ouvert. La neige interceptée peut se sublimer, se décharger ou fondre, causant beaucoup de variabilité dans la distribution de l'épaisseur de la neige au sol. La présence d’une canopée modifie également les échanges d'énergie entre la neige, le sol et l'atmosphère. Compte tenu de l'importance de la fonte de neige sur les secteurs dépendants de l’eau tels que la production hydroélectrique, l'approvisionnement en eau agricole et urbaine, il est donc essentiel de surveiller / modéliser les propriétés et les processus du manteau neigeux en forêt. Le suivi de la neige sur le terrain est une tâche fastidieuse. Ainsi, au fil des ans, plusieurs études ont utilisé des produits satellitaires ou tenté de modéliser les propriétés du manteau neigeux, s’affranchissant ainsi de mesures exhaustives sur le terrain. En général, il existe trois types de modèle de fonte de neige (statistique, à indice de température et par modélisation du bilan énergétique) qui sont utilisés dans une variété de couverts comme les forêts, les glaciers, les milieux ouverts, etc. Ils partagent l’objectif commun de modéliser l'évolution de l'équivalent en eau de la neige. Dans cette étude, nous avons combiné des observations sur le terrain avec des modèles de fonte des neiges dans le but d’atteindre l’objectif global de la thèse, soit de mieux comprendre le comportement de la neige dans un petit bassin versant de la forêt boréale humide. La thèse présente trois objectifs spécifiques : (i) quantifier et modéliser la variabilité spatiotemporelle de la distribution d’équivalent en eau de la neige; (ii) explorer la performance de modèles de fonte de neige à indice de température et (iii) documenter la variabilité spatiale du déficit calorifique du couvert de neige. Chaque objectif spécifique est associé à un chapitre de la présente thèse. Pour les besoins de cette recherche, nous avons recueilli 1810 échantillons de carottiers à neige, de même que 70 puits de neige, dans 9 sites forestiers distincts d’un bassin expérimental de la forêt boréale humide (Forêt Montmorency; 47°N, 71°O) de l’Est du Canada lors des hivers de 2016-17 et 2017-18. À proximité de ces sites, nous avons fabriqué et déployé des stations mesurant le profil vertical de température de la neige, la température de l'air, l'épaisseur de la neige et le profil de température du sol. Sur ces sites, des données détaillées sur la végétation telles que l'indice de surface foliaire (LAI), la densité du couvert, la hauteur des arbres, la densité des arbres et le diamètre des arbres ont été recueillies à l'aide de mesures sur le terrain et d'un produit LiDAR. Notre analyse a été de plus supportée par les observations de deux tours de flux, nous fournissant ainsi les flux de chaleur sensible et latente entre la surface terrestre et à l’atmosphère à chaque 30 minutes. Dans le premier chapitre, nous avons mis au jour une relation entre l'épaisseur de neige et le diamètre des arbres environnants. Le site avec une forêt juvénile est celui où la plus grande variabilité spatiotemporelle a été observée. Nous avons utilisé trois modèles statistiques soit la régression linéaire multiple, les arbres de régression et les réseaux de neurones (NN) pour identifier les variables pertinentes affectant la variabilités patio temporelle de l’équivalent en eau de la neige. Avec un coefficient de Nash de 0,77 en calage et de 0,72en validation, le modèle NN a présenté les meilleures performances, identifiant ainsi la hauteur de la neige, le diamètre des arbres, l'âge du manteau neigeux et la densité des arbres comme des facteurs clés contrôlant la variabilité spatiotemporelle de la neige en forêt. Dans le deuxième chapitre, nous avons exploré différents modèles de fonte à indice de température (TI) en s’intéressant à leur performance dans un contexte de données d’entrée rarement disponibles, comme la température de surface de la neige, le rayonnement intrant sous-couvert et la sublimation. Nous nous sommes aussi intéressés à la pertinence de tenir compte de l'interception de précipitation par la canopée et du déficit calorifique du couvert de neige. Sur la base de notre évaluation, à l’exception de la sublimation et de la température de surface qui ont permis de faibles gains de performance, aucun des processus additionnels ou données d’entrée testés n’a généré de gain appréciable de performance. Enfin, au troisième chapitre, nous avons documenté la variabilité du déficit calorifique de la neige dans quatre sites forestiers à l’aide d’observations récoltées dans des puits à neige. Nous nous sommes également intéressés à la variabilité spatiotemporelle à court terme du déficit calorifique en générant des séries à l’aide d’un approche hybride, basée notamment sur le modèle de surface CLASS (Canadian Land Surface Scheme).Nous avons ainsi pu documenter l'effet de la forêt, de la topographie locale et du régime thermique propre à chaque site sur la variabilité du contenu en froid sur nos sites d'étude. Nous avons entre autres constaté que le contenu en froid était maximal au début février, indépendamment du site, comme c’est là que les températures de l’air étaient les plus froides. Nous avons aussi pu constater qu’en moyenne, 61% du déficit calorifique de la neige était contenu dans les premiers 50 cm. En résumé, cette recherche s'est concentrée sur l’étude des propriétés du manteau neigeux dans un petit bassin versant de la forêt boréale, à l’aide de mesures exhaustives sur le terrain et en utilisant différents modèles de fonte des neiges. En documentant les processus, nous avons pu mettre en lumière que malgré la présence de couvert forestier aux propriétés contrastées, le couvert de neige présentait de nombreuses similitudes d’un site à l’autre, ce qui est porteur d’espoir pour la modélisation de la neige en forêt. / Because of the interception of snow by the canopy, the accumulation and melting of snow in the forest is different than in the open environment. The intercepted snow can sublimate, discharge or melt, causing a great deal of variability in the distribution of snow depth on the ground. The presence of a canopy also modifies the energy exchanges between the snow, the soil and the atmosphere. Given the importance of snowmelt on waterdependent sectors such as hydroelectric production, agricultural and urban water supply, it is therefore essential to monitor/model the properties and processes of snow cover in the forest. Monitoring snow in the field is a tedious task. Thus, over the years, several studies have used satellite products or attempted to model snowpack properties, thus avoiding exhaustive field measurements. In general, there are three types of snowmelt models (statistical, temperature index and energy balance model) that are used in a variety of cover types such as forests, glaciers, open environments, etc. They share the common objective of modelling the evolution of snow water equivalent. In this study, we combined field observations with snowmelt models in order to achieve the overall goal of the thesis, which is to better understand the behaviour of snow in a small watershed of the humid boreal forest. This main objective is declined into the three following specific objectives: (i) to quantify and model the spatial and temporal variability of snow water equivalent distribution; (ii) to explore the performance of temperature index snowmelt models; and (iii) to document the spatial variability of the cold content of the snow cover. Each specific objective is associated with a chapter of this thesis. For the purpose of this research, we collected 1810 snow core samples, as well as 70 snow pits, from 9 distinct forest sites in an experimental catchment of the humid boreal forest (Montmorency Forest; 47°N, 71°W) during the winters of 2016-17 and 2017-18. In the vicinity of these sites, stations measuring the vertical snow temperature profile, air temperature, snow depth and soil temperature profile were deployed. At these sites, detailed vegetation data such as Leaf Area Index (LAI), canopy density, tree height, tree density and tree diameter were collected using field measurements and a LiDAR product. Our analysis was further supported by observations from two flux towers, providing us with sensible and latent heat fluxes between the Earth’s surface and the atmosphere every 30 minutes. In the first chapter, we have highlighted a relationship between snow depth and the diameter of the surrounding trees. The site with a juvenile forest was the one where the greatest spatiotemporal variability was observed. We used three statistical models: multiple linear regression, binary regression trees and neural networks (NN) to identify the relevant variables affecting the spatial and temporal variability of the snow water equivalent. With a Nash coefficient of 0.77 in calibration and 0.72 in validation, the NN model showed the best performance, identifying snow depth, tree diameter, snowpack age and tree density as key factors controlling the spatialtemporal variability of forest snow. v In the second chapter, we explored different temperature-index (TI) melting models by looking at their performance in the context of rarely available input data such as snow surface temperature, incoming shortwave radiation and sublimation. We also investigated the relevance of taking into account canopy interception and cold content. On the basis of our evaluation, with the exception of sublimation and surface temperature, which resulted in small performance gains, none of the additional processes or inputs tested generated appreciable performance gains. Finally, in the third chapter, we documented the variability of the snowpack cold content at four forest sites using observations collected from snow pits. We also investigated the short-term spatial and temporal variability of the snowpack cold content by generating series using a hybrid approach, based in part on the Canadian Land Surface Scheme (CLASS) surface model. We were thus able to document the effect of the forest, the local topography and the thermal regime specific to each site on the variability of the cold content at our study sites. Among other things, we found that the cold content was highest in early February, regardless of site, as this is when air temperatures were the coldest. We were also able to observe that, on average, 61% of the snow's heat deficit was contained in the first 50 cm. In summary, this research focused on studying the properties of the snowpack in a small watershed of the boreal forest, using extensive field measurements and different snowmelt models. By documenting the processes, we were able to highlight that despite the presence of forest cover with contrasting properties, the snow cover showed many similarities from one site to another, which is hopeful for snow modeling in the forest.

En forêt boréale, le flux total de CO₂ du sol (F[indice CO2]) est le deuxième flux de carbone le plus important après la photosynthèse et peut représenter de 48 à 71% de la respiration totale de l'écosystème. Le F[indice CO2] dépend de l'état du sol à petite échelle, c'est-à-dire de sa température, de sa teneur en eau, de la quantité et de la qualité de la matière organique et de l'activité racinaire et microbienne. D'autres facteurs, appelés « facteurs externes », tels quel a topographie, les événements météorologiques et la hauteur de végétation influencent l'état du sol et donc indirectement le F[indice CO2]. Prédire le F[indice CO2] est complexe en raison du nombre important de facteurs à prendre en compte et des différents patrons de variation temporelle à modéliser. L'objectif de l'étude était de quantifier l'effet des facteurs externes susceptibles d'influencer la variabilité saisonnière, intrasaisonnière et spatiale des F[indice CO2] dans la forêt boréale. Des mesures de F[indice CO2] furent prises à la Forêt Montmorency (Québec, Canada) entre juin et octobre 2020. Un modèle de type Random forest regression fut utilisé pour prédire le F[indice CO2] en fonction de facteurs externes liés à la topographie, à la végétation et à la météo récente. Le modèle obtenu a permis d'expliquer 79 % de la variation des mesures de F[indice CO2]. Nos résultats ont démontré l'importance de la variation spatiale et intrasaisonnière (44 %) dans les mesures de F[indice CO2] par rapport à la variation saisonnière (35 %), ce qui a des implications pour la mesure et la modélisation de F[indice CO2]. La hauteur des arbres et la température de l'air furent les deux facteurs les plus importants pour prédire la valeur du F[indice CO2]. La méthodologie proposée permettrait de simuler le F[indice CO2] à partir de facteurs externes qui peuvent être obtenus à grande échelle à partir de relevés LiDAR et des données climatiques. / In the boreal forest, total soil CO₂ efflux (F[indice CO2]) is the second most important carbon flux after photosynthesis and can account for 48-71% of total ecosystem respiration. F[indice CO2]depends on the small-scale condition of the soil, i.e., its temperature, water content, quantity and quality of organic matter and root and microbial activity. Other factors, called "external factors", such as topography, weather events and vegetation height influence the soil condition and thus indirectly F[indice CO2]. Predicting F[indice CO2] is complex due to the large number of factors to be considered and the different patterns of temporal variation to be modeled. The objective of the study was to quantify the effect of external factors that may influence the seasonal, intra-seasonal and spatial variability of F[indice CO2] in the boreal forest. F[indice CO2] measurements were taken in the Montmorency Forest (Quebec, Canada) between June and October 2020. A random forest regression model was used to predict F[indice CO2] as a function of external factors such as topography, vegetation and recent weather. The developed model was able to explain 79% of the variation in F[indice CO2] measurements. Our results demonstrated the importance of spatial and intra-seasonal variation (44%) in F[indice CO2] measurements compared to seasonal variation (35%), which has implications for F[indice CO2] measurement and modeling. Tree height and air temperature were the two most important factors in predicting F[indice CO2] value. The proposed methodology would allow F[indice CO2] to be predicted from external factors that can be obtained on a large scale from LiDAR surveys and climate data.

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.

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.

Pour bien évaluer les tendances populationnelles des oiseaux forestiers, ainsi que les effets des pratiques forestières sur ceux-ci, il est essentiel d’estimer leur succès de nidification. Les méthodes indirectes d’estimation basées sur l’activité parentale permettent d’analyser la productivité des oiseaux sur des territoires plus vastes que les approches traditionnelles de suivi de nids. Cependant, certains facteurs influencent l’activité parentale et son observation, ce qui peut donner un portrait incomplet ou faussé du succès de nidification. J’ai étudié les facteurs influençant la fréquence de nourrissage et la probabilité d’observer le transport de nourriture chez neuf espèces d’oiseaux chanteurs (17 nids) de la Forêt Montmorency (Québec), à l’été 2010. La fréquence des visites au nid augmentait avec l’âge des oisillons et diminuait avec les précipitations. Le transport de nourriture se manifestait de moins en moins avec l’avancement de la matinée et avec la distance au nid. La température ambiante n’avait pas d’effet observable sur la fréquence de nourrissage ou la probabilité d’observer le transport de nourriture. Il n’existait pas de corrélation entre la fréquence de nourrissage et la probabilité d’observer le transport de nourriture. Les résultats obtenus indiquent que les facteurs influençant ces deux phénomènes diffèrent, suggérant entre eux des liens d’une complexité plus grande qu’attendue. Mots clés : nourrissage des oisillons, transport de nourriture, activité parentale, comportements parentaux, succès de nidification, succès reproducteur, indices de reproduction, facteurs influençant le nourrissage. / Estimating the nesting success of forest birds is essential to understand their population dynamics and their response to forestry practices. Indirect methods based on parental activity allow estimation on a larger scale than traditional nest monitoring. However, a number of factors can influence parental activity and its observation. Here, we studied factors influencing nestling feeding frequency and the probability of observing food transport by parents at Forêt Montmorency, a boreal forest located in southern Québec. Seventeen nests of nine different species were monitored during summer of 2010. Feeding frequency increased with nestling age and decreased with precipitation. Probability of observing food transport decreased throughout the morning and with distance to nest. Frequency of visits to the nest and probability of observing food transport were not influenced by ambient temperature, and were not correlated. Our results indicate that biotic and abiotic factors can influence feeding frequency and observation of food transport. However, the same factors have a different effect on each phenomenon, which suggests a complexity greater than expected in the relationship between feeding frequency and observation of food transport. Keywords : nestling provisioning, food transport, parental activity, nesting success, reproductive success, reproductive index, factors influencing provisioning.

La mise en place d’un aménagement forestier écosystémique passe par une meilleure connaissance des régimes de perturbations naturelles. En forêt boréale canadienne, le feu est la perturbation naturelle la plus été étudiée. Cependant, dans les régions où le cycle de feu est long, d’autres perturbations, comme le chablis, sont importantes. La description du régime de chablis dans la forêt boréale de l’est du Québec a été effectuée en tenant compte de ses caractéristiques intrinsèques, temporelles et spatiales, ainsi que ses conséquences sur l’écosystème forestier. D’abord, les caractéristiques de station et géoclimatiques influençant la susceptibilité d’un peuplement au chablis à l’échelle du paysage ont été étudiées. La base de données SIFORT a été utilisée, permettant une profondeur temporelle d’environ 30 ans. Deuxièmement, les caractéristiques spatiales du chablis et des coupes ont été analysées à l’échelle du paysage et de la perturbation, dans trois zones de la pessière de 5000 ha. Finalement, à l’échelle du peuplement, les principaux attributs clés présents en pessière suite au chablis ont été recensés et comparés à ceux retrouvés après coupe de récupération. Ces trois approches complémentaires ont permis de dresser un portrait du chablis en forêt boréale irrégulière. Les variables ayant le meilleur pouvoir prédictif de la susceptibilité au chablis sont le topex, l’épaisseur du dépôt et la pente. Les chablis sont surtout partiels et couvrent 0.23% du territoire annuellement. Les chablis partiels présentent une variété de tailles plus importante que les chablis totaux, qui eux, sont plus petits. Les chablis partiels possèdent, en moyenne, plus de 60% de leur superficie couverte par des arbres vivants. Les coupes de récupération modifient les attributs post-chablis. La quantité de bois mort est réduite et les stades de dégradation ne sont pas tous représentés. Les lits de germination et la présence de bryophytes sont aussi affectés par les opérations de récolte. Dans un contexte d’aménagement écosystémique, ces résultats démontrent l’importance de la mise en place de traitements sylvicoles inéquiennes afin de mieux reproduire les caractéristiques après chablis. De plus, il en découle des recommandations de saines pratiques d’aménagement pour que les coupes de récupération assurent le maintien d’attributs clés. / The implementation of ecosystem management involves a better understanding of natural disturbance regimes. In the boreal forest of Canada, fire is the most studied natural disturbance. However, in areas where the fire cycle is long, other natural disturbances, such as windthrow, are important. Thus, the description of windthrow regime of the eastern boreal forest of Quebec was performed considering its intrinsic, temporal and spatial characteristics, and also its consequences on the forest ecosystem. Firstly, site and stand characteristics affecting windthrow susceptibility were studied. The SIFORT database was used, allowing a 30 year temporal coverage. Secondly, windthrows and cutblocks spatial characteristics were analysed at landscape and polygons (or disturbance) levels, in three areas of 5 000 ha. Finally, at the stand level, the main key attributes or biological legacies in the black-spruce forest after windthrow episodes were measured and compared to salvaged windthrows. These three complementary approaches provided a global picture of the windthrow regime in the irregular boreal forest. Results showed that the variables having the best predictive capacity of a stand susceptibility to windthrow are topex, surface deposit thickness and slope. Windthrows, mainly partial, annually affects 0.23% of the study area with a return interval of approximately 450 years at a given location. At the landscape level, partial windthrows have a higher variability in their size than total windthrows, which are smaller. Partial windthrow polygons have a mean of 60% of their area in residual living trees, and total windthrow polygons have 15% of their cover in residual trees. Salvage logging changes many post-windthrow key stand structure, microsite and vegetation attributes. Salvage logging causes a reduction in the quantity of downed coarse woody debris and snags and all the decay classes are not present in salvaged windthrows. Furthermore, forest floor heterogeneity and bryophytes cover are affected by salvage logging operations. These results highlight the importance of uneven-age silvicultural treatments in the irregular boreal forest. Furthermore, salvage logging operations should be designed to ensure the maintenance of key attribute.

Ce projet visait à mieux comprendre la répartition de la végétation riveraine en forêt boréale québécoise. La végétation adjacente à cinq types de plans d’eau ou cours d’eau a été inventoriée dans quatre provinces naturelles recoupant d’est en ouest tout le Nord de la forêt boréale commerciale québécoise en paysage forestier vierge. Certaines caractéristiques physiques du milieu ont été évaluées. La végétation riveraine variait selon la province naturelle principalement en fonction de la topographie. Les profils d’élévation particuliers à certains types de lacs et cours d’eau ont généré des communautés végétales distinctes dont les patrons de répartition ont été résumés en toposéquences. Celles-ci révèlent la présence récurrente de trois différentes sous-zones au milieu riverain : le dénudé humide, la forêt riveraine humide et la forêt riveraine sèche. Ces trois sous-zones, qui couvraient en général environ 40 m à partir de la rive, s’étendaient davantage dans les régions au relief plat. / The aim of this project was to improve the knowledge of riparian plant distribution in the boreal forest of Quebec. Vegetation adjacent to five types of water bodies or watercourses was sampled in the four ecoregions covering from East to West all the northern part of Quebec’s commercial boreal forests restricted to natural landscapes. Some physical factors of the riparian area were also evaluated. Mainly, riparian vegetation varied among ecoregions in relation with topography. Particular elevation profiles for some types of water bodies and watercourses supported distinct plant communities. Patterns of plant communities were summarized in toposequences that consistently reveal the existence of three different sub-areas in the riparian area: untreed wetland, riparian wet forest, and riparian dry forest. Those three sub-areas generally covered about 40 m from the shore and extended even more in flat regions.

Dans un contexte de réduction de la possibilité forestière, les bois morts secs et sains (BMSS) (arbres récemment morts par mortalité isolée ou par trouées) peuvent représenter une occasion intéressante d’augmenter les volumes d’attribution aux industries forestières québécoises. En contrepartie, il importe de tenir compte de la présence de caries du bois dans les approvisionnements, puisqu’elles peuvent engendrer d’importantes pertes à l’usine de sciage. L’objectif principal de ce projet de doctorat était de quantifier et de mesurer l’impact des phénomènes de mortalité et de dégradation des arbres pour le territoire boréal de l’est du Québec. Les volumes de bois carié et de BMSS en fonction du temps écoulé depuis le dernier feu ont été mesurés dans deux chronoséquences après feu. Afin d’identifier les BMSS en forêt, deux systèmes de classification visuelle exprimant l’état de dégradation des tiges ont été utilisés (Hunter 1990 et MRNFQ 2005). Nos résultats ont démontré que le volume de carie à l’échelle du peuplement augmente durant les premiers 150 ans suivant le passage du feu et tend ensuite à se stabiliser. À l’opposé, le volume des BMSS diminue rapidement après le passage du feu pour ensuite augmenter de façon graduelle à partir de 200 ans après feu. L’abattage de 162 épinettes noires (Picea mariana (Mill.) BSP) nous a permis de comparer différentes caractéristiques des sciages de BMSS à ceux provenant d’arbres vivants. Nos résultats indiquent que la valeur monétaire des arbres diminue avec l’avancement de la dégradation des arbres sur pied. Les résultats des tests en flexion longitudinale statique pratiqués sur 343 pièces de bois ont démontré que les sciages issus des BMSS étaient moins résistants à la rupture que ceux provenant d’arbres vivants. La teneur en humidité des copeaux des BMSS était significativement inférieure à celle des copeaux d’arbres vivants, alors que la distribution des dimensions de copeaux était similaire entre les deux types d’arbre. La perte de fibre à l’écorçage était significativement plus élevée chez les arbres dont l’état de dégradation était plus avancé. De manière générale, nos résultats indiquent que les vieilles forêts boréales de l’Est du Québec contiennent une large proportion de BMSS qui peuvent représenter une source adéquate d’approvisionnement en autant qu’elles demeurent à un stade de dégradation peu avancée. / In a context of decreasing annual allowable cut, the use of dead and sound wood (DSW) trees (trees that have recently died through isolated mortality or group mortality) may represent an interesting opportunity to increase the volumes supplied to the Quebec forest industries. Conversely, it is important to account for the presence of wood decay in wood supplies, as it may cause significant losses at the sawmill. The main objective of this project was to quantify and measure the impact of the processes of tree mortality and degradation in the Eastern boreal area of Quebec. Decay and DSW volumes were measured in two chronosequences of time since fire. In order to identify DSW trees in the forest, two systems of visual classification based on tree degradation were used (Hunter 1990 et MRNFQ 2005). Our results showed that wood decay volume measured at the stand level increased during the first 150 years following fire and then stabilized. The volume of DSW showed the opposite trend, with a rapid decrease after fire and followed by a gradual increase from 200 years after fire. The felling of 162 black spruce trees (Picea mariana (Mill.) BSP) allowed us to compare different characteristics of DSW with those of live trees according to a sawmill study. Our results indicated that the monetary value of trees decreased with increasing state of tree degradation. Results from bending tests performed on 343 pieces showed that lumber pieces from DSW trees are less resistant to rupture than live trees. The moisture contents of wood chips from DSW were significantly lower than those of live trees, while chips size distributions were similar between the two types of wood. The loss of wood fiber at the debarking stage was significantly higher in trees with a more advanced state of tree degradation. In general, our results showed that the old-growth forests of the Eastern boreal forest of Quebec contain a significant proportion of DSW trees, which may represent an adequate source of wood supply if they remain at an early stage of degradation.