Identifier les processus écologiques (a)biotiques qui sous-tendent les patrons de distribution d’espèces et de dynamique de population est fondamental pour conserver efficacement les espèces menacées d’extinction. Cette thèse poursuit un double objectif: 1) comprendre les processus écologiques qui régissent la sélection des paysages du caribou forestier (Rangifer tarandus caribou) et 2) évaluer l’efficacité des politiques actuelles d’aménagement du territoire pour cet écotype. Le premier chapitre s’inscrit directement dans le premier objectif en présentant une nouvelle méthode numérique d’inférence statistique capable de modéliser l’autocorrélation spatiale présente dans les données de distribution d’espèces. Cette méthode utilise integrated nested Laplace approximations (INLA) au lieu des simulations Markov chain Monte Carlo. Je montre, qu’en plus de produire des résultats exacts et rapides, l’utilisation d’INLA permet de modéliser l’autocorrélation spatiale résiduelle tout en estimant adéquatement l’incertitude des paramètres et des prédictions du modèle. Dans le deuxième chapitre, la methode INLA est utilisée pour tester lequel des processus, parmi le climat et la distance aux routes, explique les gradients géographiques dans la sélection des paysages par le caribou forestier. Les résultats montrent une prépondérance de l’effet des routes par rapport au climat. De plus, les parterres de coupe étaient deux fois plus évités que les brulis récents. Ces résultats appuient une gestion de l’habitat du caribou forestier qui limite l’étalement du réseau routier et qui distingue l’effet des coupes forestières de celui des feux. Le dernier chapitre explore grâce à un modèle de simulation des paysages spatialement explicite les interactions spatiales entre un réseau d’aires protégées, la récolte forestière et les feux afin de quantifier leurs effets sur la dynamique de population du caribou forestier et sur les coûts économiques liés à l’aménagement forestier. Je montre la nécessité d’inclure les contarintes liées aux feux et aux aires protégées dans le calcul des niveaux de récolte, sans quoi ces niveaux ne sont durables ni pour le caribou forestier, ni pour l’industrie forestière. Les feux augmentent l’antagonisme existant entre exploitation forestière et conservation, avec ou sans coupes de récupération après feu. Cette étude illustre donc la nécessité de mieux comprendre les interactions spatiales entre dynamique des populations, aires protégées, aménagement forestier et régime de feux pour développer des stratégies de conservation qui soient plus efficaces. / Linking spatial patterns of species distribution and population dynamics with biotic and abiotic processes is central to inform effective conservation planning for endangered species. This thesis investigated how linking spatial patterns of boreal woodland caribou (Rangifer tarandus caribou), hereafter boreal caribou, to processes can 1) improve our understanding of landscape selection of this ecotype and 2) inform the efficiency of current land use policies in practice. I first present a new powerful numerical method that allows integrating properly spatial information present in species distribution data to make accurate statistical inference. This method uses integrated nested Laplace approximations (INLA) as an alternative to Markov chain Monte Carlo simulations. I show that, in addition of being accurate and rapid, the use of INLA with Bayesian hierarchical spatial models efficiently accounted for spatial autocorrelation in the residuals and fairly evaluated uncertainty in parameter estimates and predictions. I then used INLA to test which ecological processes, among climate and the distance to roads, drove the existence of geographical patterns in boreal caribou landscape selection. Data supported road-driven selection over a climate influence. Moreover, I show that boreal caribou avoidance of logged areas was two-fold stronger than burned areas. Together these results indicated that limiting the spread of road networks and accounting for the uneven impact of logging compared to wildfire should be integral parts of any habitat management plan and conservation measures within the range of this ecotype. Finally, I use a spatially explicit landscape simulation model to explore how spatial interactions among protected area networks, industrial forestry and fire regimes impacted the population dynamics of boreal caribou and the economic costs related to forest management. I show that the current policy of conservation planning and forest management in the Côte-Nord region in Québec is unlikely to be sustainable for either boreal caribou conservation or timber supply mainly because of current overestimated planned harvest levels. Fire increased antagonisms between current practices of forest management and habitat conservation, irrespective of the presence of salvage logging. This study illustrates that efficient conservation planning requires a better understanding of spatial interactions among population dynamics, protected area networks, forest management, and fire regimes.

Au Québec, les coupes de rétention variable (i.e. les coupes avec rétention de bouquets et les coupes avec rétention d'arbres dispersés) sont effectuées afin d'aménager la forêt de façon durable par le maintien de legs biologiques et de la biodiversité. La réalisation de ces coupes peut entraîner une augmentation du chablis chez les arbres résiduels. Cette augmentation engendre la perte d'arbres marchands laissés en place pour conserver un certain couvert vertical. La présente étude a pour but d'évaluer l'impact de la réalisation de coupes de rétention variable sur l'importance du chablis chez les arbres résiduels, deux à cinq ans après traitement. Les résultats ont montré des taux de chablis plus importants en Abitibi que pour la Côte-Nord. Les caractéristiques des arbres retenus, les conditions édaphiques et la structure des peuplements sont les facteurs expliquant le mieux le chablis.

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

Les changements climatiques actuels et ceux qui sont à venir auront des répercussions importantes sur le développement des arbres de nos forêts. Dans cette étude, nous avons examiné les impacts potentiels des changements climatiques sur la germination et le développement initial des plantules d'espèces d'arbres des forêts tempérées nordiques et boréales ayant une importance économique et écologique au Québec, soit le bouleau jaune, le chêne rouge, l'épinette blanche, l'épinette noire, le pin blanc, le pin gris, l'érable rouge et l'érable à sucre. Ces deux processus représentent des étapes importantes dans le cycle de vie des arbres. Deux principales thématiques ont été abordées : le rôle de la diminution du couvert de neige en hiver sur la germination au printemps ainsi que les effets de l'augmentation des températures et de la modification des conditions hydriques du sol sur la germination et le développement initial des plantules. Le premier chapitre avait pour objectif d'évaluer l'impact de la réduction du couvert de neige sur la germination des arbres des forêts tempérées et boréales. Une expérience a été effectuée sous couvert forestier à la Station touristique Duchesnay afin de tester l'effet de différentes épaisseurs de neige sur la germination au printemps. Quatre traitements d'épaisseur de neige ont été appliqués lors de l'hiver 2021-2022: témoin (aucune intervention pour modifier l'épaisseur de neige), 50 % de la hauteur de neige du témoin, 30 cm et moins de 10 cm. Les résultats ont montré que la réduction du couvert de neige n'a pas significativement affecté le contenu en eau du sol, mais les traitements avec moins de neige ont montré plus de cycles de gel-dégel au printemps, ce qui pourrait nuire à la germination de certaines espèces. La germination a été influencée par l'épaisseur de la neige pour certaines espèces, telles que le chêne rouge, l'érable à sucre et le pin blanc, qui ont montré une réduction significative des taux de germination sous un couvert de neige de moins de 10 cm. En revanche, l'épinette blanche et l'épinette noire n'ont pas été affectées de manière significative. Ces différences pourraient être dues à une meilleure tolérance au froid des espèces plus nordiques. Ces résultats indiquent que certaines espèces d'arbres sont plus sensibles à la réduction du couvert de neige, ce qui pourrait avoir des implications importantes pour la régénération forestière dans le contexte des changements climatiques futurs. Le second chapitre avait pour objectif de comprendre comment la germination et les premiers stades de développement de cinq espèces d'arbres des forêts tempérées et boréales seraient affectés par différents degrés de sécheresse. Des études antérieures avaient soulevé de potentiels problèmes au niveau de la germination de plusieurs espèces végétales face à l'augmentation de la température et/ou une diminution de la disponibilité en eau du substrat de germination. Une expérience factorielle en milieu contrôlé a donc été élaborée en combinant deux régimes de températures (présent et future [horizon de temps : 2071-2100 - RPC 8.5]) et quatre potentiels hydriques (0, -0,2, -0,4 et -0,6 MPa). L'augmentation d'environ 5 °C des températures durant une partie du printemps a semblé entraîner une accélération générale de la vitesse de germination pour les cinq espèces, une augmentation du pourcentage de germination pour le pin gris et le bouleau jaune et une biomasse plus élevée pour le pin gris et le pin blanc. Cependant, une diminution du pourcentage et de la vitesse de germination a été observée avec l'augmentation des stress hydriques pour la majorité des espèces, à l'exception du pin gris dont le pourcentage de germination n'a pas été affecté par ces niveaux de stress. L'allocation de la biomasse au sein des plantules semble avoir subi un effet similaire à celui observé pour la germination, indiquant que le stress hydrique nuit au développement de chaque partie des plantules (aérienne et souterraine). Les résultats indiquent également que l'augmentation de la température de 5 °C pourrait contrebalancer les effets des stress hydriques plus élevés, permettant ainsi d'augmenter la germination de l'épinette noire, de l'épinette blanche et du pin gris dans des conditions hydriques plus difficiles, mais sans favoriser une augmentation de la biomasse des composantes aériennes et souterraines des plantules. Les expériences en milieu naturel et contrôlé ont révélé certaines tendances quant à la germination et le développement initial des espèces étudiées. Néanmoins, de nombreux aspects restent à explorer pour mieux comprendre les impacts de la température et de la teneur en eau du sol sur ces caractéristiques. Les effets observés semblent généralement propres à chaque espèce, ce qui souligne l'importance de prendre en compte la variabilité intraspécifique (par exemple, la provenance) dans les études futures. De plus, cette asymétrie dans la réponse potentielle des différentes espèces face aux changements anticipés devrait également être intégrée dans les modèles de simulation de la régénération et de la croissance forestière. En bref, les résultats de cette étude peuvent servir de pistes de compréhension, puisque la complexité du sujet rend les conclusions définitives difficiles à atteindre. La persistance à long terme des espèces forestières dans un contexte de changements climatiques dépendra également de leur performance lors des stades de développement ultérieurs. / Current and forthcoming climate changes will have significant impacts on the development of trees that constitute our forests. In this study, we examined the potential impacts of climate change on the germination and initial development of seedlings from economically and ecologically important tree species in the temperate and boreal forests of Québec, including yellow birch, red oak, white spruce, black spruce, white pine, jack pine, red maple and sugar maple. These two processes represent crucial stages in the life cycle of trees. We addressed two main themes: the role of reduced winter snow cover on germination and the effects of increased temperatures and altered soil moisture conditions on germination and initial seedling development. By identifying these specific impacts, this study contributes to a better understanding of how trees respond to early developmental stages in the face of anticipated climate changes. The first chapter aimed to assess the impact of reduced snow cover on the germination of trees in temperate and boreal forests. With rising winter temperatures, precipitation patterns change, snow melts earlier, and snow cover thickness decreases, affecting the microclimatic conditions of the soil. This experiment was conducted under forest cover at the Duchesnay Tourist Station. Four snow thickness treatments were applied during the winter of 2021-22: control, 50% of the control, 30 cm, and less than 10 cm. The results showed that the reduction in snow cover did not significantly affect soil water content, but treatments with less snow experienced more freeze-thaw cycles in the spring, which could hinder seed germination. The germination was influenced by snow thickness for certain species, such as red oak, sugar maple, and white pine, which showed a significant reduction in germination rates under snow cover of less than 10 cm. In contrast, white spruce and black spruce were not significantly affected. These differences could be due to a better cold tolerance of more northern species. These results indicate that some tree species are more sensitive to reduced snow cover, which could have important implications for forest regeneration in the context of future climate change. The second chapter aimed to understand how the germination and early developmental stages of five temperate and boreal forest tree species would be affected by different degrees of drought. Previous studies had raised potential issues regarding the germination of various plant species in response to increased temperature and/or soil moisture conditions. A factorial experiment in a controlled environment was therefore designed, combining two temperature regimes (present and future: 2071-2100 - RCP 8.5) and four water potentials (0, -0.2, -0.4, and -0.6 MPa). The increase of approximately 5°C in temperatures during part of the spring seemed to lead to a general acceleration of germination speed for the five species, an increase in germination percentage for jack pine and yellow birch, and higher development for jack pine and white pine. However, a decrease in germination percentage and speed was observed with increased water stress for most species, except for jack pine, whose germination percentage was not affected by these stress levels. Biomass allocation within the seedlings appeared to be similarly affected by water stress, indicating that water stress hampers the development of each part of the seedlings. The results of the combined effects suggested that the 5°C temperature increase could offset the effects of higher water stress, thereby increasing the germination of black spruce, white spruce, and jack pine under more challenging water conditions, but without promoting higher development of seedling sections. Experiments in natural and controlled environments revealed certain trends regarding the germination and initial development of the studied species. However, many aspects remain to be explored to better understand the impacts of temperature and soil moisture content on these characteristics. The observed effects appear to be generally species-specific, highlighting the importance of considering intraspecific variability (e.g., provenance) in future studies. Furthermore, this asymmetry in the potential response of different species to anticipated changes should be incorporated into the modeling of forest regeneration and growth. In summary, the results of this study can provide fundamental insights, as the complexity of the subject makes definitive conclusions difficult to achieve. Germination is only the first step, and the long-term success of forest species will depend on their resilience at each developmental stage.

Cette étude visait à évaluer le potentiel de différentes stratégies d'aménagement forestier à réduire les émissions de CO₂ vers l'atmosphère. Une étude de cas a été réalisée au Québec, à la Forêt Montmorency, une sapinière boréale de l'est du Canada. Différents scénarios avec des variations dans les volumes récoltés ainsi que dans l'utilisation de la coupe partielle et de la plantation ont été modélisés afin d'évaluer les flux de carbone de l'écosystème forestier et des produits du bois récoltés (système Forêt-Produits). Nos résultats ont montré qu'à court (10 à 20 ans) et moyen terme (20 à 50 ans), une réduction des niveaux de récolte permet d'augmenter de manière importante le puits de carbone en forêt. La coupe partielle et la plantation sont des pratiques permettant d'augmenter la séquestration de carbone en forêt et réduire les émissions de CO₂ vers l'atmosphère. À long terme (plus de 50 ans), les stratégies de conservation de la forêt entrainent une séquestration moindre en forêt en raison d'une productivité forestière moindre. Les importantes émissions de gaz à effet de serre (GES) associées aux produits du bois suggèrent qu'une réduction des niveaux de récolte est souhaitable bien que cela peut réduire la séquestration à long terme en forêt. Les analyses de sensibilité ont montré qu'améliorer l'efficacité des scieries doit être une priorité; augmenter la proportion de produits du bois à longue durée de vie peut fortement réduire les émissions de GES. Ces analyses ont aussi révélé que les distances de transport entre la forêt et les usines de transformation ont un impact marginal sur les émissions totales du système Forêt-Produits. Notre étude souligne que les caractéristiques actuelles de la forêt ont un impact important sur les résultats. La poursuite de ce projet sur des forêts matures et avec l'inclusion des perturbations naturelles pourrait augmenter l'applicabilité des résultats à la forêt boréale du Québec. Les étapes suivantes devraient aussi inclure une analyse financière des différentes actions testées afin de fournir des estimations de coût d'atténuation par tonne de CO₂ évitée.

Les échanges de carbone sous forme de CO2 entre l’atmosphère et un parterre de coupe forestière situé en forêt boréale québécoise, le site HBS00 du réseau de recherche Fluxnet-Canada, ont été étudiés à l’aide de la technique de covariance de turbulences pendant une durée d’un an avant l’application d’un traitement de scarifiage et un an après le traitement. Les émissions de carbone ont augmenté suite au scarifiage, passant de 111 à 175 g m-2 an-1, en raison de la destruction d’une partie de la végétation vivante présente sur le site. Le taux de respiration de l’écosystème a peu varié. Les échanges de carbone étaient aussi influencés par les conditions environnementales. Une analyse des résidus des courbes de réponse à la lumière a démontré qu’avant le scarifiage le contenu en eau du sol était, après la lumière, le facteur ayant le plus d’influence sur les flux de carbone. Suite au scarifiage, le déficit de pression de vapeur était le deuxième plus important facteur. / CO2 fluxes between the atmosphere and a recently-harvested site located in Québec’s boreal forest, Fluxnet-Canada Research Network’s HBS00 site, were studied using the eddy covariance technique for one year before application of a scarification treatment and one year after treatment. Carbon emissions were greater after scarification, rising from 111 to 175 g m-2 year-1, because of the destruction of part of the living aboveground vegetation on the site. Ecosystem respiration rates showed little variation between years. Carbon fluxes were also influenced by environmental conditions. Analysis of the residuals of the light response curves indicated that before scarification soil water content was, after light, the factor having the most influence on carbon fluxes. Following scarification, water vapor pressure deficit was the second most important factor.

Au nord-est de l'Amérique du Nord, les épidémies de la tordeuse des bourgeons de l'épinette (TBE) constituent une perturbation naturelle majeure de la forêt boréale et jouent un rôle important dans la dynamique forestière(croissance et mortalité des arbres attaqués, structure d'âge et de composition, succession écologique, etc.). Bien qu'il soit reconnu que les épidémies d'insectes ont un impact considérable sur le bilan de carbone (C), peu d'études se sont intéressées aux effets de la TBE sur les stocks et la dynamique du C forestier. À notre connaissance, ce travail est le premier à se pencher sur le sujet en employant des données empiriques à long terme, soit celles des placettes-échantillons permanentes. Les trajectoires de C ligneux aérien pendant et après l'épidémie des années 1970-1980 ont été observées dans trois zones bioclimatiques et ont été largement influencées par la sévérité de l'épidémie. Dans les sites légèrement attaqués, le signal de la TBE a été très discret. Dans les sites sévèrement attaqués de la sapinière à bouleau jaune, de la sapinière à bouleau blanc et de la pessière à mousses, les changements de C vivant à court terme (0 à ~15 ans) ont été respectivement de -11,9 t C ha⁻¹, -16,8 t C ha⁻¹ et -17,2 t C ha⁻¹. À long terme (~15 à ~50 ans), la reconstitution du stock de C vivant a surtout été assurée par le recrutement de nouveaux individus. À la fin de la période d'étude, la majorité des sites sévèrement attaqués des sapinières avaient dépassé leur stock de C vivant pré-épidémique, ce qui n'était pas le cas dans la pessière. Cette étude présente les premiers résultats issus de données empiriques à long terme quant aux effets de la TBE sur le C forestier, ce qui permettra de raffiner les modèles de la dynamique du C forestier. / In northeastern North America, spruce budworm (SBW) outbreaks are a major natural disturbance of the boreal forest and play an important role in forest dynamics (growth and mortality of attacked trees, age and composition structure, ecological succession, etc.). Although it is recognized that insect outbreaks have a significant impact on the carbon (C) budget, few studies have examined the effects of SBW on forest C stocks and dynamics. To our knowledge, this is the first study to address this issue using long-term empirical data, namely permanent sample plots data collected since the early 1970s. Trajectories of aboveground woody C during and after the1970s-1980s outbreak were observed in three bioclimatic zones and were largely influenced by outbreak severity. In lightly affected sites, the SBW signal was very subtle. In severely affected sites of the balsam fir-yellow birch, balsam fir-white birch, and black spruce-feathermoss zones, short-term (0 to ~15 years) changes in live C were -11.9 t C ha⁻¹, -16.8 t C ha⁻¹, and -17.2 t C ha⁻¹, respectively. In the long term (~15 to ~50 years), recovery of the live C stock was achieved primarily through the recruitment of new stems. By the end of the study period (~50 years), most high-severity sites in the two balsam fir zones had exceeded their pre-outbreak live C stock, which was not the case in the black spruce-feathermoss zone. This study provides the first long-term empirical data on the effects of SBW on forest C, which will help refine models of forest C dynamics.

La forêt boréale est le deuxième plus grand biome sur Terre, représentant 30 % de la surface forestière mondiale. Au Canada, bien que la forêt boréale couvre 55 % de la superficie du pays, elle contient 80 % des eaux intérieures dont dépendent des millions de personnes. La forêt boréale s'étendant de 45°N à 70°N, l'eau y est stockée en surface sous forme de neige pendant une grande partie de l'année. Ce manteau neigeux saisonnier s'accumule et fond en hiver, sous l'effet des échanges d'énergie et de masse avec l'atmosphère, le sol et la végétation. Comme la structure de la canopée est complexe, les dynamiques d'accumulation et d'ablation du manteau neigeux sont très variables à une fine échelle spatiale. Cela fait en sorte que la structure et les propriétés physiques du manteau neigeux peuvent également présenter une grande variabilité spatiale en milieu boréal. Dans un monde qui se réchauffe rapidement, il est essentiel de mieux comprendre comment les interactions entre la neige et la forêt influencent les propriétés du manteau neigeux et, conséquemment, les processus hydrologiques qui en dépendent. L'objectif de cette thèse est d'évaluer le rôle des propriétés physiques du manteau neigeux sur l'hydrologie nivale dans la forêt boréale de l'est du Canada et ce, dans un contexte d'hivers plus chauds. Cet objectif général est abordé dans les trois principaux chapitres de la thèse. Dans le premier chapitre, nous montrons que le manteau neigeux sous la canopée a une structure et des propriétés physiques différentes de ce que l'on retrouve dans les trouées forestières. Grâce à une campagne de terrain intensive d'octobre 2018 à juin 2019 à la Forêt Montmorency (47,29°N; 71,17°O), nous constatons que ces différences sont principalement dues à un manteau neigeux moins épais et un gradient de température vertical plus important sous la canopée. Il en résulte de plus gros grains facettés et un manteau neigeux perméable. En revanche, le manteau neigeux dans les trouées, plus épais et exposé à un gradient de température plus faible, est composé de grains fins et arrondis et présente une perméabilité plus faible. Cela, combiné à des couches de glace continues, implique que le manteau neigeux des trouées ralentirait l'écoulement de l'eau vers le bas par rapport au manteau neigeux sous les arbres. Les résultats du premier chapitre mettent la table pour la deuxième partie de la thèse où nous étudions comment un hiver chaud avec une faible précipitation solide affecte les propriétés physiques du manteau neigeux, le gel dans le sol et la dynamique de la fonte de la neige en forêt boréale. Cette analyse est réalisée grâce à deux campagnes de mesures supportées par des simulations avec le modèle SNOWPACK au cours d'hivers présentant des conditions météorologiques contrastées à la Forêt Montmorency. Le premier hiver à l'étude (W20-21) a été exceptionnellement chaud avec de faibles chutes de neige, alors que le deuxième hiver (W21-22) a été plus proche de la normale climatique pour le site. Nous avons observé que la fonte était plus précoce et plus lente au cours de l'année chaude, en particulier sous la canopée où le rayonnement solaire était limité. La température du sol était plus basse l'année chaude, bien que le gel n'ait été observé que sous le couvert forestier au cours des deux années. Enfin, le métamorphisme de gradient et la perméabilité de la neige ont été les supérieurs sous les arbres au cours de l'hiver W20-21. Cette année-là, le débit printanier du bassin versant expérimental a été significativement plus faible que lors de l'année de référence. Nos observations suggèrent qu'une faible accumulation de neige, une fonte lente et de faibles précipitations printanières déterminent le débit printanier alors qu'un sol gelé et une perméabilité élevée de la neige affectent de façon négligeable la dynamique d'écoulement sur une grande échelle temporelle. Dans le troisième chapitre, nous abordons l'impact des événements de pluie-sur-neige en forêt sur la structure du manteau neigeux et l'écoulement d'eau grâce aux observations collectées de 2018 à 2023 à la Forêt Montmorency et à un autre site boréal, la vallée de la rivière Bernard (50,91°N; 63,38°O), et grâce à des simulations du modèle SNOWPACK. D'abord, nos observations montrent que l'écoulement préférentiel est un mode de transport de l'eau qui prévaut dans le manteau neigeux sous la canopée. Nos résultats montrent également que SNOWPACK simule bien le manteau neigeux sous la canopée en général, mais qu'il ne parvient pas à reproduire la plupart des couches de regel observées. Ce problème a été résolu en paramétrant de façon simplifiée le métamorphisme et la densification de la neige interceptée, ce qui permet de reproduire presque toutes les couches de regel observées. La décharge de neige dense à grains fins a aussi pour effet de retarder et réduire l'écoulement d'eau du manteau neigeux modélisé. Le message principal de ce chapitre est que les épisodes de pluie-sur-neige sont susceptibles de percoler à travers le manteau neigeux par écoulement préférentiel et que ce mécanisme peut être influencé par le métamorphisme de la neige interceptée. Dans l'ensemble, cette thèse permet de mieux comprendre les processus nivologiques en forêt boréale en considérant la structure complexe de la canopée. Ce travail met en lumière la façon dont les conséquences du changement climatique, c'est-à-dire des hivers plus chauds et moins enneigés et les épisodes de pluie-sur-neige plus fréquents, peuvent influencer les propriétés physiques du manteau neigeux et d'autres processus hydrologiques connexes. Plus important encore, cette thèse fournit un ensemble de données uniques et détaillées pour de futures études de modélisation et d'observation. / The boreal forest is the second largest biome on Earth, representing 30% of the world's forested area. In Canada, although the boreal forest covers 55% of the country's land area, it contains 80% of the inland water on which millions of people depend. Because the boreal forest ranges from 45°N to 70°N, water is stored on the land as snow for much of the year. The seasonal snowpack accumulates and melts in winter, driven by energy and mass exchanges with the atmosphere, soil, and vegetation. Due to the complex and discontinuous structure of the boreal canopy, snow dynamics are highly variable at small spatial scales in the boreal forest. In other words, snowpack accumulation and ablation patterns under the canopy differ from those within forest gaps. The structure and physical properties of the snowpack may also exhibit high spatial variability in the boreal forest. In a rapidly warming world, a deeper understanding of how snow-forest interactions influence snowpack properties and the depending hydrological processes is critical. The objective of this thesis is to assess the role of snowpack physical properties on snow hydrology in discontinuous boreal forests of eastern Canada in the context of warmer winters. This general objective is addressed in the three main chapters of the thesis. In the first chapter, we show that the canopy snowpack has a structure and physical properties that are different from those in forest gaps. Thanks to an intensive field campaign from October 2018 to June 2019 in the Montmorency Forest (47.29°N; 71.17°W), we find that these differences are mainly due to a larger vertical temperature gradient under the canopy, where the snowpack is thinner. This results in large grains with developed facets and snow of large pores highly permeable. In contrast, the gap snowpack, which is thicker and thus exposed to a weaker temperature gradient, is composed of small rounded grains, and presents a low permeability. This, combined with continuous ice layers, means that the gap snowpack would impede the downward water flow compared to the canopy snowpack. The results of Chapter 1 set the stage for the second part of the thesis in which we study how a warm winter with low snowfall affects the physical properties of snow, ground freezing and snowmelt dynamics in the discontinuous boreal forest. This analysis was carried out from field observations, and supported by SNOWPACK simulations, during winters with contrasting weather conditions at Montmorency Forest. The first winter (W20-21) was exceptionally warm with low snowfall, and the second year (W21-22) was closer to the climate normal for the site. We observed that snowmelt was earlier and slower in the warm year, especially under the canopy where solar radiation was limited. Ground temperature was lower in the warm year and freezing was observed only under the canopy in both years. Finally, gradient metamorphism and snow permeability were the greatest under the canopy in W20-21. That year, the spring runoff was significantly lower than in the reference year, suggesting that low snow accumulation, slow snowmelt, and low spring precipitation drive spring runoff, whereas frozen ground and high snowpack permeability are of secondary influence as theireffects on runoff dynamics are negligible on large temporal scales. In the third chapter, we address the impact of rain-on-snow events on the canopy snowpack structure and runoffthanks to field observations collected from 2018 to 2023 at the Montmorency Forest and at another boreal site,the Bernard River Valley (50.91°N; 63.38°W), and thanks to SNOWPACK simulations. First, we demonstratefrom observations that preferential flow is an important water transport mode in the snowpack under the trees.Our results also show that SNOWPACK is suitable for simulating canopy snow in boreal environments but failsto reproduce most melt-freeze formations. This problem was addressed by reproducing, albeit simply, canopysnow metamorphism and densification that allows to simulate almost all of the observed melt-freeze layers. Unloading of denser small-grained snow also delays and reduces the simulated runoff from rain-on-snow events. The take home message from this chapter is that rain-on-snow events are likely to percolate through thesnowpack from preferential flow and that this mechanism can be influenced by canopy snow processes. Overall, this dissertation provides a better understanding of snow processes in the boreal forest with respect tothe complex and discontinuous structure of the canopy. This work sheds light on how the consequences ofclimate change (i.e. warmer, less snowy winters and more frequent rain-on-snow events) may influence thephysical properties of the snowpack and other related hydrological processes. Most importantly, this thesisprovides a unique and detailed dataset for future modeling and observational studies.

L’aménagement forestier perturbe le cycle du carbone des écosystèmes de la forêt boréale. Les deux principales composantes de ce cycle, soit la photosynthèse et la respiration, déterminent l’état de puits ou de source de carbone d’un écosystème. Cet état varie en fonction des conditions édapho-climatiques mais est principalement influencé par le stade de développement d’un écosystème. En Amérique du Nord, l’aménagement forestier influe sur la superficie relative de parterres de coupe, de peuplements juvéniles et de peuplements matures. La quantification de la perturbation du cycle du carbone des écosystèmes forestiers boréaux induite par l’aménagement forestier est nécessaire à l’estimation du bilan en carbone de la forêt boréale et à l’établissement de prédictions concernant les variations de ce bilan en carbone dans un contexte de changement climatique. C’est pourquoi les flux de dioxyde de carbone (CO2) d’une chronoséquence de récolte d’écosystèmes d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) de la forêt boréale de l’Est de l’Amérique du Nord ont été mesurés sur une période d’un an à l’aide de la technique par covariance de turbulences à l’échelle de l’écosystème et l’efflux de CO2 des sols a été mesuré à l’aide d’un analyseur de gaz à infrarouges portable. L’objectif de l’étude était de quantifier les composantes du bilan annuel en carbone des sites afin d’identifier les processus physiologiques majeurs contribuant au passage d’une source à un puits de carbone suivant la récolte. Sur une base annuelle, le site pré-récolte (105 ans) était un faible puits de carbone (6 ± 4 g C m-2 an-1), le site récemment récolté (8 ans) était une source (-87 ± 3 g C m-2 an-1) et le site juvénile (33 ans) était un puits moyen à fort (143 ± 35 g C m-2 an-1). La production primaire brute (GEP) annuelle au site pré-récolte était seulement 28% plus élevée qu’au site récemment récolté (646 ± 6 contre 504 ± 5 g C m-2 an-1). La GEP annuelle au site juvénile (1107 ± 32 g C m-2 an-1) était 71% plus élevée que la GEP annuelle au site pré-récolte, ce qui suggère une limitation physiologique de la photosynthèse au site pré-récolte. La respiration de l’écosystème (Re) annuelle a suivi la même tendance mais les différences entre sites étaient moindres (640 ± 8 à 591 ± 6 à 964 ± 50 g C m-2 an-1). Le facteur de sensibilité aux variations de la température du sol de la respiration du sol (Q10) et le taux moyen de respiration du sol de base (R10) pour la période sans neige étaient différents entre les sites et étaient les plus bas au site récemment récolté. Le Q10 et le R10 de la respiration du sol (Rs) semblaient reliés à la GEP annuelle. La Rs annuelle a diminué suivant la récolte et a augmenté avec le temps depuis la récolte (593 à 500 à 644 g C m-2 an-1). Le rapport annuel de la Rs à la Re était plus bas au site post-récolte qu’aux deux autres sites (67% contre 93% et 85%). Ces résultats caractérisent l’évolution des processus physiologiques majeurs influençant le cycle du carbone des écosystèmes boréaux d’épinette noire suite à la récolte et devraient être utiles à l’incorporation des effets de l’âge des écosystèmes dans les modèles régionaux et globaux. / Forest harvest and subsequent stand development can have major effects on the carbon cycle of boreal stands. Carbon dioxide (CO2) fluxes of a three-point black spruce harvest chronosequence located in the boreal forest of eastern North America were measured over a one-year period at the ecosystem scale with the eddy covariance technique and CO2 efflux from soils was measured with a portable infrared gas analyzer. The three sites (pre-harvest, recently-harvested, and juvenile) were 105-, 8- and 33-years old, respectively. On an annual basis, the pre-harvest site (EOBS) was a weak carbon sink (6 ± 4 g C m-2 yr-1), the recently-harvested site (HBS00) a source (-87 ± 3 g C m-2 yr-1) and the juvenile site a moderate to strong sink (143 ± 35 g C m-2 yr-1). Annual gross ecosystem production (GEP) at the pre-harvest site was only 28% greater than at the recently-harvested site (646 ± 6 versus 504 ± 5 g C m-2 yr-1) while GEP at the juvenile site (1107 ± 32 g C m-2 yr-1) was 71% greater than at the pre-harvest site, suggesting significant physiological constraints to photosynthesis at the pre-harvest site. Annual ecosystem respiration (Re) followed the same pattern, but intersite differences were somewhat less (640 ± 8 to 591 ± 6 to 964 ± 50 g C m-2 yr-1). Annual soil respiration (Rs) decreased following harvest from 593 to 500 g C m-2 yr-1 and increased with further stand development to 644 g C m-2 yr-1, although the changes were less than for GEP and Re. Q10 and R10 of Rs for the snow-free period varied between sites, were lowest for the recently-harvested site and appeared to be related to GEP via substrate supply. The annual ratio of Rs to Re was lower for the juvenile site (67%) than for the pre-harvest and recently-harvested sites (93 and 85%, respectively). These results quantify how some of the major physiological processes that influence the carbon cycle of boreal black spruce stands evolve following harvest and should be useful for better incorporating stand-age effects into regional and global scale models. Keywords: boreal forest; CO2 fluxes; harvest; chronosequence; disturbance; soil respiration; eddy covariance

Le changement climatique modifie rapidement la composition, la structure et le fonctionnement de la forêt boréale. Des simulations robustes de la productivité primaire brute (PPB) de la forêt boréale avec des modèles de biosphère terrestre (MBT) sont essentielles pour prédire la force des sources de puits de carbone dans les régions arctiques-boréales. Les mesures de covariance des turbulences fournissent des données précieuses pour l’analyse et l'affinement des MBT. Dans cette thèse, j'ai organisé un ensemble de données d'analyse de modèles pour les forêts boréales d'Amérique du Nord en compilant et harmonisant les données de flux de covariance des turbulences (les flux de dioxyde de carbone, d'eau et d'énergie) et les mesures environnementales (données météorologiques) sur huit peuplements forestiers matures (> 70 ans) représentatifs des différentes caractéristiques de peuplements, de climat et de conditions de pergélisol du biome boréal. L’ensemble de données a été utilisée dans une étude de cas pour paramétrer, forcer et évaluer le schéma canadien de surface terrestre incluant les cycles biogéochimiques (CLASSIC, version 1.3), le MBT de la suite canadienne de modèles du climat et de système terrestre. L'étude de cas a démontré l'utilité de l'ensemble de données et a fourni des lignes directrices pour l’amélioration du modèle CLASSIC. Ensuite, j'ai affiné le taux de carboxylation maximal (Vcmax), l'un des paramètres les plus importants du modèle de photosynthèse, pour les principaux types fonctionnels des plantes boréales (TFP) en utilisant une approche d'optimisation bayésienne. L'optimisation a amélioré les performances de la modélisation du PPB et de l'évapotranspiration. Enfin, avec la nouvelle paramétrisation de CLASSIC, j'ai simulé la PBB de la forêt boréale dans des peuplements forestiers de 1901 à 2100 à partir de données de forçage météorologique soigneusement ajustées en fonction des biais. Les changements dans la PBB annuelle simulée ont été quantifiés et étudiés en lien avec plusieurs contrôles environnementaux biotiques et abiotiques importants. Les simulations long terme ont révélé une augmentation du PBB annuel simulé dans tous les peuplements forestiers au cours des 200 ans. La PPB annuelle simulée dans les peuplements forestiers démontre une variation temporelle considérable des taux de changement du passé, au présent, jusqu'au futur. Les changements du début de la saison de croissance constituaient un contrôle environnemental central de la PPB annuelle simulée dans tous les peuplements forestiers du passé au présent. Il a été identifié que la température de l’air devenait plus importante pour la simulation des PBB annuelles que la durée de la saison de croissance dans le futur. Au cours du 21e siècle, l’augmentation du réchauffement, le dégel du pergélisol associé et les changements dans l’humidité du sol et la dynamique thermique étaient des mécanismes sous-jacents importants pour expliquer ces changements. Ma thèse de doctorat a permis d’identifier les opportunités d’analyses et d’affinement des modèles de biosphère terrestre en lien avec une base de données unique construite dans le cadre de cette thèse. Cette base de données a permis de fournir une nouvelle paramétrisation Vcmax au niveau de différentes TFP dans les modèles et fournir un aperçu de la productivité à long terme de la forêt boréale dans le biome boréal d’Amérique du Nord. / Climate change is rapidly altering boreal forest composition, structure, and functioning. Robust simulations of boreal forest gross primary productivity (GPP) with terrestrial biosphere models (TBMs) are critical for predicting carbon sink-source strength in Arctic-boreal regions. Eddy covariance measurements provide valuable data for benchmarking and refining TBMs. In this thesis, I curated a model benchmarking dataset for North America’s boreal forests by compiling and harmonizing eddy covariance flux (i.e., carbon dioxide, water, and energy fluxes) and supporting environmental measurements (i.e., meteorology) over eight mature forest stands (>70 years old) representative of different stand characteristics, climate, and permafrost conditions in the boreal biome. The dataset was used in a case study to parameterize, force, and evaluate the Canadian Land Surface Scheme Including biogeochemical Cycles (CLASSIC, version 1.3), the TBM of the Canadian suite of climate and Earth system models. The case study demonstrated the utility of the dataset and provided guidelines for further model refinement in CLASSIC. Next, I refined the maximum carboxylation rate at 25 °C (Vcmax25), one of the most important parameters in the photosynthesis model in CLASSIC, for representative boreal plant functional types (PFTs) using a Bayesian optimization approach. The refined PFT-level Vcmax25 yielded improved model performance for GPP and evapotranspiration. Last, I simulated boreal forest GPP in forest stands from 1901 to 2100 with CLASSIC, parameterized using the refined PFT-level Vcmax25. To reduce the uncertainty, daily meteorological forcing data from global historical reanalyses and regional climate projections were downscaled and bias-adjusted for forest stands using a multivariate bias correction algorithm. Changes in simulated annual GPP were quantified in trends and investigated with respect to several important biotic and abiotic environmental controls using a random forest approach. Long-term simulations revealed an increase in simulated annual GPP in all forest stands over the 200 years. However, simulated annual GPP in forest stands was characterized by considerable temporal variation in rates of changes from the past, over the present, to the future. Significant reductions in annual GPP were simulated in forest stands below the southern limit of permafrost during the mid-20th century. During the 21st century, all forest stands were simulated with significant increases in annual GPP. Further analyses show that the start of the growing season was a critical environmental control of simulated annual GPP in all forest stands from the past to the present. However, air temperature would become an important environmental control of simulated annual GPP in the future, showing an importance comparable to or even greater than that of the start of the growing season by the end of the 21st century. Enhanced warming, permafrost thaw, and changes in soil moisture and temperature were important for explaining the changes in simulated annual GPP over the 200 years. My PhD study provides a model benchmarking dataset for benchmarking and refining TBMs, and provides important suggestions for PFT-level Vcmax parameterizations in boreal forests. My long-term simulations reveal that boreal forest GPP in response to climate change had differential changes in different climate and permafrost zones during the 20th and 21st centuries, closely associated with differential changes in soil environment (e.g., soil thermal dynamics).