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

Un système basé sur le concept de naturalité, qui évalue la similarité par rapport à la forêt naturelle, a été élaboré dans le but d'évaluer les impacts de la foresterie. Ce système repose sur l'identification d'indicateurs de naturalité sensibles aux enjeux d'aménagement forestier reconnus et utilise des mesures disponibles à partir des cartes écoforestières, des études sur la modélisation des écosystèmes et des données historiques. Ce système fournit une valeur unique permettant de représenter l'effet conjugué de diverses pratiques, incluant la protection, sur les principales caractéristiques de l'écosystème forestier. D'abord développé pour la pessière, puis adapté pour la sapinière, ce système fonctionne de manière bidirectionnelle, permettant d'évaluer aussi bien la dégradation, que l'amélioration de la qualité des écosystèmes résultant d'objectifs de restauration et de mesures de mitigation. Ce système a été utilisé pour comparer l'impact sur la qualité des écosystèmes à l'échelle du paysage de divers scénarios sylvicoles considérés simultanément, comme dans la sapinière, où l'effet combiné de coupes progressives irrégulières et d'une réduction de la révolution de 70 à 50 ans pour les scénarios équiennes (coupe avec protection de la régénération et des sols et plantation) a été examiné. Son utilisation permet également d'éclairer la réflexion pour la détermination d'objectifs de protection aptes à limiter les pertes de biodiversité, tout en tenant compte de l'intensité de l'aménagement pour la production de bois. Ainsi, pour trois unités d'aménagement forestier de la pessière, considérant la combinaison de scénarios sylvicoles actuellement utilisés pour régénérer les forêts productives, le niveau de protection devrait être doublé et atteindre 35% de la superficie forestière afin de limiter d'éventuelles pertes d'espèces. Aussi, les résultats montrent qu'il serait plus avantageux au plan environnemental d'intensifier la production de bois d'espèces indigènes sur une petite proportion du territoire forestier tout en assurant une protection stricte sur la portion non productive, plutôt qu'un aménagement extensif sur la vaste majorité du territoire forestier. Dans le cadre du développement de l'analyse de cycle de vie (ACV) chapeauté par le Programme des Nations Unies pour l'environnement et la Société de toxicologie et de chimie de l'environnement (UNEP-SETAC), les impacts de produits ou services sur la qualité des écosystèmes sont évalués par le biais des impacts de l'utilisation des terres sur la biodiversité. Pour l'intégration à l'ACV, une courbe provisoire reliant l'indice de naturalité à la perte potentielle de biodiversité exprimée sur la base de la richesse en espèces provenant de la base de données PREDICTS est proposée. L'application de cette courbe a permis l'obtention de scores d'impact cohérents avec la proportion d'espèces disparues (PDF) estimée à partir de la naturalité et conformes aux connaissances relatives aux impacts de l'aménagement forestier. Toutefois, les résultats s'avèrent sensibles au paramétrage de la courbe et l'analyse de sensibilité a montré qu'il existait des risques de distorsion, voire d'obtention de résultats erronés. L'évaluation des scores d'impact de l'ACV résultant de l'application de trois scénarios sylvicoles distincts évalués concomitamment à l'application d'un gradient de la proportion du territoire forestier en protection stricte, apporte un éclairage sur le comportement du modèle utilisé pour l'évaluation de la qualité des écosystèmes en ACV si l'on tient compte de l'intensité de l'aménagement. Le modèle ACV multiplie deux paramètres aux effets opposés et non-linéaires : le PDF qui augmente avec l'intensité de l'aménagement, alors que la superficie requise pour produire 1m3 de bois diminue. Étant donné les risques associés à la présence d'effets non-linéaires non contrôlés, le modèle ACV peut fournir des résultats erratiques ne reflétant pas toujours l'effet sur l'aspect à protéger qui correspond ici à la qualité des écosystèmes. Conséquemment, dans l'état actuel des choses, le modèle ACV ne devrait pas être utilisé pour la prise de décision en matière d'utilisation des terres. De plus amples recherches relatives aux propriétés mathématiques des relations en cause sont nécessaires afin de vérifier la possibilité de contrôler ces effets de manière à assurer l'obtention de résultats reflétant la qualité des écosystèmes plutôt que celui de la superficie requise, déterminée par la productivité, et ainsi respecter la hiérarchisation des impacts associés à la qualité des écosystèmes évaluée à l'échelle d'un territoire et éviter des recommandations qui conduiraient à occasionner davantage de dommages. / An evaluation system based on the concept of naturalness, which measures the similarity against natural forests, has been developed to assess the impacts of forestry. This assessment system relies on naturalness indicators sensitive to recognized forest management issues, and uses measures from eco-forest maps, results from ecosystem modeling and historical data. The naturalness assessment model provides a unique index allowing to assess the combined effect of different forest management practices including protection, on the main characteristics of forest ecosystems. Initially developed for black spruce forests, then adapted for balsam fir forests, the naturalness assessment model performs bi-directional evaluations allowing the assessment not only of ecosystem degradation but also of its improvement with restoration or mitigation measures. Among potential applications of the naturalness assessment model, its usefulness has been demonstrated for comparing the impact at the landscape level of different silvicultural scenarios combinations. In the balsam fir forest, we examined the combined effect of irregular shelterwood cutting along with the rotation reduction form 70 to 50 years for the even-aged scenarios of careful logging and plantation. The naturalness assessment model can also be used to shed light on protection levels needed to limit biodiversity losses. In three forest management units of the black spruce forest, considering the current mix of silvicultural scenarios for wood production, the protection level should be doubled to attain 35% of the forest area, to limit species losses. Results indicate that it would be better for the environment to intensify forest management using indigenous species over a small proportion of the forest territory while insuring strict protection over the remaining portion, compared with an extensive forest management applied over most of the forested area. Life cycle analysis (LCA) development under the guidance of the United Nations Environment Program and Society of Environmental Toxicology and Chemistry (UNEP-SETAC), provides impact evaluation of products or services on ecosystem quality through impact of land use on biodiversity. In order to include naturalness results in LCA, a provisional curve relating naturalness index to potentially disappeared fraction of species (PDF) has been developed using species richness data from the PREDICTS database. The provisional curve application lead to LCA impact scores consistent with the PDF estimated from naturalness and the existing knowledge about the effects of forest management. However, the sensitivity analysis showed that results are sensitive to the curve parametrization and there are risks of distortion and even contradictory results. LCA impact scores related to the application of three different silvicultural scenarios each combined with a gradient of the proportion of forest area in strict protection shed a light on the LCA model behaviour when considering management intensity. The LCA model multiplies two parameters having opposite non-linear effects: the PDF, which is rising with the intensification of the management, while the area required to produce 1m3 of wood, is diminishing. Considering the risks related to the uncontrolled non-linear effects involved in the LCA model, this could lead to erratic results that do not reflect the effect on the safeguard subject corresponding here to the quality of ecosystems. Therefore, the LCA model should not be used for decision making related to land use decision. More research is required to investigate the mathematical relationships involved to verify if and how issues related to non-linear effects in LCA model could be properly addressed and insure that impact scores results reflect ecosystem quality instead of the area required for wood production, conserve the hierarchical structure of impacts and avoid recommendations that could produce more damage.

Un système basé sur le concept de naturalité, qui évalue la similarité par rapport à la forêt naturelle, a été élaboré dans le but d'évaluer les impacts de la foresterie. Ce système repose sur l'identification d'indicateurs de naturalité sensibles aux enjeux d'aménagement forestier reconnus et utilise des mesures disponibles à partir des cartes écoforestières, des études sur la modélisation des écosystèmes et des données historiques. Ce système fournit une valeur unique permettant de représenter l'effet conjugué de diverses pratiques, incluant la protection, sur les principales caractéristiques de l'écosystème forestier. D'abord développé pour la pessière, puis adapté pour la sapinière, ce système fonctionne de manière bidirectionnelle, permettant d'évaluer aussi bien la dégradation, que l'amélioration de la qualité des écosystèmes résultant d'objectifs de restauration et de mesures de mitigation. Ce système a été utilisé pour comparer l'impact sur la qualité des écosystèmes à l'échelle du paysage de divers scénarios sylvicoles considérés simultanément, comme dans la sapinière, où l'effet combiné de coupes progressives irrégulières et d'une réduction de la révolution de 70 à 50 ans pour les scénarios équiennes (coupe avec protection de la régénération et des sols et plantation) a été examiné. Son utilisation permet également d'éclairer la réflexion pour la détermination d'objectifs de protection aptes à limiter les pertes de biodiversité, tout en tenant compte de l'intensité de l'aménagement pour la production de bois. Ainsi, pour trois unités d'aménagement forestier de la pessière, considérant la combinaison de scénarios sylvicoles actuellement utilisés pour régénérer les forêts productives, le niveau de protection devrait être doublé et atteindre 35% de la superficie forestière afin de limiter d'éventuelles pertes d'espèces. Aussi, les résultats montrent qu'il serait plus avantageux au plan environnemental d'intensifier la production de bois d'espèces indigènes sur une petite proportion du territoire forestier tout en assurant une protection stricte sur la portion non productive, plutôt qu'un aménagement extensif sur la vaste majorité du territoire forestier. Dans le cadre du développement de l'analyse de cycle de vie (ACV) chapeauté par le Programme des Nations Unies pour l'environnement et la Société de toxicologie et de chimie de l'environnement (UNEP-SETAC), les impacts de produits ou services sur la qualité des écosystèmes sont évalués par le biais des impacts de l'utilisation des terres sur la biodiversité. Pour l'intégration à l'ACV, une courbe provisoire reliant l'indice de naturalité à la perte potentielle de biodiversité exprimée sur la base de la richesse en espèces provenant de la base de données PREDICTS est proposée. L'application de cette courbe a permis l'obtention de scores d'impact cohérents avec la proportion d'espèces disparues (PDF) estimée à partir de la naturalité et conformes aux connaissances relatives aux impacts de l'aménagement forestier. Toutefois, les résultats s'avèrent sensibles au paramétrage de la courbe et l'analyse de sensibilité a montré qu'il existait des risques de distorsion, voire d'obtention de résultats erronés. L'évaluation des scores d'impact de l'ACV résultant de l'application de trois scénarios sylvicoles distincts évalués concomitamment à l'application d'un gradient de la proportion du territoire forestier en protection stricte, apporte un éclairage sur le comportement du modèle utilisé pour l'évaluation de la qualité des écosystèmes en ACV si l'on tient compte de l'intensité de l'aménagement. Le modèle ACV multiplie deux paramètres aux effets opposés et non-linéaires : le PDF qui augmente avec l'intensité de l'aménagement, alors que la superficie requise pour produire 1m3 de bois diminue. Étant donné les risques associés à la présence d'effets non-linéaires non contrôlés, le modèle ACV peut fournir des résultats erratiques ne reflétant pas toujours l'effet sur l'aspect à protéger qui correspond ici à la qualité des écosystèmes. Conséquemment, dans l'état actuel des choses, le modèle ACV ne devrait pas être utilisé pour la prise de décision en matière d'utilisation des terres. De plus amples recherches relatives aux propriétés mathématiques des relations en cause sont nécessaires afin de vérifier la possibilité de contrôler ces effets de manière à assurer l'obtention de résultats reflétant la qualité des écosystèmes plutôt que celui de la superficie requise, déterminée par la productivité, et ainsi respecter la hiérarchisation des impacts associés à la qualité des écosystèmes évaluée à l'échelle d'un territoire et éviter des recommandations qui conduiraient à occasionner davantage de dommages. / An evaluation system based on the concept of naturalness, which measures the similarity against natural forests, has been developed to assess the impacts of forestry. This assessment system relies on naturalness indicators sensitive to recognized forest management issues, and uses measures from eco-forest maps, results from ecosystem modeling and historical data. The naturalness assessment model provides a unique index allowing to assess the combined effect of different forest management practices including protection, on the main characteristics of forest ecosystems. Initially developed for black spruce forests, then adapted for balsam fir forests, the naturalness assessment model performs bi-directional evaluations allowing the assessment not only of ecosystem degradation but also of its improvement with restoration or mitigation measures. Among potential applications of the naturalness assessment model, its usefulness has been demonstrated for comparing the impact at the landscape level of different silvicultural scenarios combinations. In the balsam fir forest, we examined the combined effect of irregular shelterwood cutting along with the rotation reduction form 70 to 50 years for the even-aged scenarios of careful logging and plantation. The naturalness assessment model can also be used to shed light on protection levels needed to limit biodiversity losses. In three forest management units of the black spruce forest, considering the current mix of silvicultural scenarios for wood production, the protection level should be doubled to attain 35% of the forest area, to limit species losses. Results indicate that it would be better for the environment to intensify forest management using indigenous species over a small proportion of the forest territory while insuring strict protection over the remaining portion, compared with an extensive forest management applied over most of the forested area. Life cycle analysis (LCA) development under the guidance of the United Nations Environment Program and Society of Environmental Toxicology and Chemistry (UNEP-SETAC), provides impact evaluation of products or services on ecosystem quality through impact of land use on biodiversity. In order to include naturalness results in LCA, a provisional curve relating naturalness index to potentially disappeared fraction of species (PDF) has been developed using species richness data from the PREDICTS database. The provisional curve application lead to LCA impact scores consistent with the PDF estimated from naturalness and the existing knowledge about the effects of forest management. However, the sensitivity analysis showed that results are sensitive to the curve parametrization and there are risks of distortion and even contradictory results. LCA impact scores related to the application of three different silvicultural scenarios each combined with a gradient of the proportion of forest area in strict protection shed a light on the LCA model behaviour when considering management intensity. The LCA model multiplies two parameters having opposite non-linear effects: the PDF, which is rising with the intensification of the management, while the area required to produce 1m3 of wood, is diminishing. Considering the risks related to the uncontrolled non-linear effects involved in the LCA model, this could lead to erratic results that do not reflect the effect on the safeguard subject corresponding here to the quality of ecosystems. Therefore, the LCA model should not be used for decision making related to land use decision. More research is required to investigate the mathematical relationships involved to verify if and how issues related to non-linear effects in LCA model could be properly addressed and insure that impact scores results reflect ecosystem quality instead of the area required for wood production, conserve the hierarchical structure of impacts and avoid recommendations that could produce more damage.

Cette étude vise à décrire l’état naturel des communautés de huit familles de coléoptères saproxyliques, reconnues pour être associées aux brûlis, à partir d’un échantillonnage fait au niveau des souches et à l’intérieur de peuplements commerciaux d’épinettes noires (Picea mariana (Mill)) résiduels à la coupe de récupération (état naturel) provenant de brûlis de 1995, 2003, 2005, 2007, 2009 et 2010. L’étude vise également à comparer ces communautés à celles retrouvées dans des peuplements d’épinettes noires récupérés et répartis dans les brûlis de 1995, 2003, 2005 et 2007. Les coléoptères ont été inventoriés durant l’été 2010 et plus de 6 000 spécimens répartis dans les huit familles étudiées ont été capturés. À l’état naturel, quatre phases de colonisation se sont succédées pendant les cinq premières années après feu. Les assemblages des communautés de coléoptères saproxyliques sont quant à eux altérés par la récupération et ce, pour une période d’au moins sept ans. / This study aims to describe the natural state of communities of eight saproxylic beetle families known to be associated with burned forest from a sample done at stump level and in commercial black spruce (Picea mariana (Mill)) stands residual to salvage logging (natural state) from burns of 1995, 2003, 2005, 2007, 2009 and 2010. The study also aims to compare these communities to those found in salvaged black spruce stands distributed in burns of 1995, 2003, 2005 and 2007. Beetles were sampled during summer 2010 and over 6 000 specimens among the eight studied families were captured. In its natural state, four colonization phases have succeeded along the first five postfire years. Saproxylic beetle assemblages were affected by salvage logging for a period of seven years.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / L’objectif de comprendre la dynamique forestière des peuplements de la pessière à mousses au nord du lac Saint-Jean (Québec). L’intervalle des feux moyen a été mesuré dans des stations représentatives d’une chronoséquence forestière à l’aide de la datation 14C de charbons de bois des sols forestiers. La structure, la date d’établissement des peuplements et la composition botanique des charbons montrent que les forêts étudiées évoluent sous une dynamique de récurrence. Les espèces bien adaptées au feu colonisent les régions ou les feux sont fréquents, tandis que les espèces peu adaptées au feu sont confinées aux stations où les feux sont rares. L’analyse des datations et de la composition des charbons de bois à l’échelle régionale indique que les feux sont présents dans la région depuis au moins 8000 ans et que le régime des feux et la composition des peuplements est demeurée stable au cours des 5000 dernières années.

La dynamique du carbone en forêt boréale est contrôlée par celle des incendies qui consument partiellement la biomasse et la matière organique du sol, libérant du carbone dans l’atmosphère. À long terme, une perte de résilience peut conduire les forêts brûlées à évoluer vers des écosystèmes présentant différentes compositions, structures et cycles biogéochimiques. Les modèles prédictifs de la dynamique du carbone en forêt boréale simulent rarement ces différentes trajectoires successionnelles, ce qui biaise les prévisions à long terme. Nous avons étudié la résilience aux incendies et la dynamique du carbone des pessières à mousses du Québec. La régénération de l’épinette noire, du pin gris et du sous-bois a été inventoriée suite à trois années d’importante activité des feux dans la province. Trois à cinq ans après feu, une épaisse couche de matière organique résiduelle avait compromis l’établissement de l’épinette noire, provoquant une ouverture du couvert et un changement de dominance vers le pin gris. Les éricacées s’étaient régénérées en abondance dans la plupart des parcelles. La composition du sous-bois après feu était principalement déterminée par les caractéristiques du site et du peuplement. Elle reflétait les assemblages d’origine, les legs biologiques ayant été préservés par la faible sévérité des incendies. Nous avons ensuite modélisé les feux, la succession et la dynamique du carbone à l’échelle du paysage pour quantifier l’impact de la sévérité du feu et de la régénération des arbres sur le cycle du carbone. Une diminution de 13 % du carbone stocké dans le paysage était prédite au bout de 500 ans lorsqu’on simulait la sévérité du feu et son impact sur la régénération. Cette diminution était plus fortement liée à la faible régénération de l’épinette noire qu’à la combustion de la matière organique en elle-même. Les émissions liées au feu étaient déterminées par les variations de la surface annuelle brûlée. Ainsi, la perte de résilience des pessières à mousses suite aux feux légers affecte fortement le stockage du carbone à long terme. Le modèle utilisé pourrait encore être amélioré en incorporant la dynamique du sous-bois. / Wildfire is a major driver of carbon dynamics in boreal forests. Immediate effects of wildfires include partial consumption of aboveground biomass and the forest floor, and carbon emissions to the atmosphere. Wildfires can also have long-term effect on carbon cycling. Indeed, when resilience of burned forests is exceeded, regenerating ecosystems differ from that of the pre-fire stands in composition, structure and biogeochemical cycles. Predictive models of carbon dynamics in boreal forests rarely take into account such multiple post-fire successional trajectories, which could bias long-term predictions of carbon storage and emissions. This study examined post-fire ecosystem resilience and carbon dynamics of black spruce-feathermoss forests of Quebec. Regeneration of black spruce, jack pine and understory plant communities were inventoried three to five years after the occurrence of a three-year episode of major fire activity in the province. In the studied plots, low burn severity had left intact a thick residual organic layer that impeded black spruce establishment. As a result, stem density of the burned stand decreased, while jack pine became dominant. Ericales resprouted abundantly. Understory regeneration was mainly driven by pre-fire site and stand characteristics. Post-fire understory composition reflected pre-fire species assemblages, because biological legacies were preserved by the low-severity fires. A model was used to simulate wildfires, succession and carbon dynamics at the landscape level, in order to assess the influence of forest floor combustion and post-fire tree regeneration on carbon cycling. After 500 years of simulation, modelling of burn severity and its influence on post-fire tree establishment caused a 13% decrease in predicted landscape carbon stocks. Simulation of the forest floor combustion alone caused a lower decrease in predicted carbon stocks than simulation of low spruce regeneration rates. Modelled fire emissions were mainly driven by variations in annual area burned. Loss of resilience of black spruce-feathermoss forests can have long-term consequences on carbon stocks. The model used in the present study could be further improved by incorporating explicit simulation of understory species dynamics.

Dans le contexte d'études visant à établir des liens entre les paysages forestiers naturels actuels et la façon dont ils se sont transformés au cours de l'Holocène (variabilité naturelle), il est important de définir des stratégies sylvicoles qui répondent aux critères de la mise en place de l'aménagement écosystémique. Au sein du domaine bioclimatique de la pessière à mousses de l'Ouest du Québec, certains paysages forestiers sont aujourd'hui caractérisés par de vastes peuplements de début de succession dominés par le peuplier faux-tremble et le pin gris. Les objectifs de cette étude étaient 1) de reconstituer l'histoire postglaciaire de la végétation et des feux d'un secteur dominé par de tels peuplements, et 2) de préciser leur variabilité naturelle plurimillénaire. À cette fin, les paysages forestiers d'un territoire couvrant une superficie de 4000 km2 dans la région de la plaine du lac Matagami ont d'abord été caractérisés. Dans un deuxième temps, l'histoire de la végétation et des feux a été reconstituée à l'aide de l'analyse pollinique et anthracologique de deux tourbières. Les lieux de prélèvement des sédiments ont été choisis en fonction d'obtenir un enregistrement local et extra-local de l'histoire des forêts jouxtant chacune des tourbières. Les résultats montrent que la majeure partie de l'Holocène (7000 à 1000 ans A.A.) a été caractérisée des feux peu fréquents qui ont permis le maintien de paysages dominés par la pessière noire à sapin baumier. Au cours des 1000 dernières années, des feux plus fréquents et sans doute plus sévères et de plus grandes étendues ont provoqué une diminution de l'abondance du sapin et une augmentation des espèces de début de succession. Les feux du dernier millénaire seraient ainsi à l'origine des actuels peuplements de début de succession qui se maintiendraient selon une dynamique de récurrence.

Dans le but de mieux comprendre la dynamique forestière après feu du peuplier faux-tremble (Populus tremuloides) et de l'épinette noire (Picea mariana) sur argiles de la région de Matagami (Nord-du-Québec), nous avons procédé (1) à l'échelle du paysage, à une analyse d'ordination et de groupement de la composition de 609 placettes d'inventaires existantes et (2) à l'échelle du site, à l'inventaire et à l'échantillonnage de la composition, de la structure (arbres matures vs. régénération) et de la croissance (reconstitution dendrochronologique) de 30 peuplements de 100 ans : 10 peupleraies pures, 10 pessières pures et 10 peuplements à composition mélangée. La composition forestière du paysage était dominée par un gradient de peupleraies pures vers des pessières pures et, secondairement, par l'abondance de sapin baumier (Abies balsamea). Les 30 sites échantillonnés montrent que le peuplier et l'épinette noire peuvent s'installer sur les mêmes sites : leur abondance relative dépend d'autres facteurs, probablement historiques. Pour la prochaine génération, les peuplements à composition mélangée échantillonnés évolueront probablement vers des peuplements à dominance résineuse (dynamique successionnelle), tandis que certaines pessières pures maintiendront leur dominance (dynamique cyclique) et d'autres pourraient se paludifier (dynamique successionnelle). La dynamique forestière des peupleraies pures est incertaine et varie selon la régénération présente et l'état des tiges matures : certains peuplements pourraient conserver leur dominance feuillues (dynamique cyclique), d'autres pourraient évoluer vers des peuplements à composition mélangée (dynamique successionnelle) et dans le cas d'une absence de régénération, quelques sites pourraient se dégrader et devenir improductifs (dynamique de dégénérescence).

Les forêts d'épinettes noires (Picea mariana (Mill.) BSP) contiennent de grandes quantités de carbone stockées dans la biomasse vivante et dans le sol. Les feux de forêt et leur régime (ex. l’intervalle de retour de feu, l’intensité, la saisonnalité et la sévérité) jouent un rôle central dans le stockage et le flux du carbone, en modifiant la distribution et le transfert de carbone. Il y a peu de doute dans la communauté scientifique que le changement climatique provoquera des modifications dans les variables temporelles et spatiales qui contrôlent la fréquence et la sévérité des feux. Un modèle démographique structuré par classes de diamètre a été développé pour simuler le stockage du carbone sous divers régimes de feu. Cette approche intègre l’effet de l’intensité du feu et les mesures de la structure du peuplement sur la sévérité mesurée par la proportion de la mortalité des arbres. Le modèle permet aussi de quantifier et de cartographier les estimations régionales du carbone actuelles et futures pour le domaine bioclimatique de la pessière à mousses du nord du Québec. Les résultats de simulations suggèrent que la sévérité du feu augmente avec l’intensité initiale du feu. La variation de la structure du peuplement est l'un des facteurs qui explique la variation observée dans la sévérité du feu des régions boréales. Nous avons simulé les stocks et fluctuations de carbone sous sept niveaux d’intervalle de retour de feu et deux saisons de feu. Nous avons testé pour un effet de ces paramètres sur la moyenne des stocks de carbone. Les stocks de carbone étaient sensibles aux intervalles entre 60 et 300 ans. Le stock de carbone dans le sol fut plus faible pour les incendies d'été qui se produisaient durant de plus courts IRF. Finalement, les impacts à court terme du changement climatique ont été investigués au cours de quatre périodes climatiques : 1980-2010, 2010-2040, 2040-2070 et 2070-2100. Des cartes d’intervalle de retour du feu historique et futur et des données météorologiques projetées par CanESM2 RCP8.5 ont été utilisées pour simuler la croissance des forêts, le taux de décomposition, le régime du feu et la dynamique du C. Dans nos expériences de simulation, l’accumulation de carbone dans l’écosystème était réduite de 11% d’ici à la fin de 2100. Les forêts d'épinette noire du Québec seraient possiblement en train de perdre leur capacité à séquestrer et à stocker le carbone organique durant les prochaines décennies, à cause des effets du changement climatique sur le régime de feu et la croissance des forêts. / Boreal black spruce forests (Picea mariana (Mill.) BSP) store great amounts of carbon in the living biomass and in the soil. Fire regime characteristics (e.g. fire return interval, fire intensity, fire season and severity) play a central role in the storage and flow of carbon, by modifying the distribution and transfer of material among pools. There is little doubt in the scientific community that climate change will cause changes in the temporal and spatial variables that control the frequency and severity of fires. A demographic diameter-class structured model was developed to simulate boreal carbon storage under different fire regimes. This approach incorporates the effect of fire intensity and stand structure measures to simulate fire severity, measured as the proportion of overstory tree mortality. The model allows quantifying and mapping average regional estimates of current and future carbon stocks for the black spruce-feathermoss bioclimatic domain of northern Québec. Simulation results suggest that fire severity increases with fire the intensity. Stand structure is one of the factors that explains the observed variation in boreal fire severity. We simulated carbon stocks and fluxes under seven levels of fire return interval (FRI) and two fire seasons. We tested for an effect of these parameters on average carbon stocks. Carbon stocks were sensitive to IRF's between 60 and 300 years. Soil C stocks were lower for summer fires that occurred during shorter IRF. Finally, we investigated the short-term impacts of climate change under four climatic periods: 1980-2010, 2010-2040, 2040-2070 and 2070-2100. Historical and future FRI maps and historical and forecasted weather data estimated by CanESM2 RCP8.5 were used to drive the growth of forests, decomposition rates, fire regime and C dynamics. In our simulation experiments, the accumulation of carbon in the ecosystem was reduced by 11% by the end of 2100. The results of this study suggest that black spruce forest could be losing their capacity to sequester and store organic C over the next coming decades due to climate change effects on the fire regime and on forest growth.

Les émissions anthropogéniques de dioxyde de carbone ont changé le climat de la Terre. Les forêts boréales contiennent de vastes quantités de carbone (C) et peuvent donc jouer un rôle crucial dans le cycle du C global. Les pessières noires dominent la forêt boréale nord-américaine, il est donc nécessaire de comprendre leurs réponses à la variabilité du climat et aux perturbations écologiques telle la récolte forestière afin d’identifier les facteurs influençant les échanges de C entre la biosphère terrestre et l’atmosphère. Le premier chapitre de recherche (Chap. 3) présente une comparaison des échanges de C de trois pessières noires matures de différentes régions du Canada. Cette étude a montré que le sol plus chaud sous un couvert de neige plus épais en hiver et de faibles niveaux de lumière en juin au site de l’est du Canada, des conditions communes dans cette région, ont réduit la séquestration de C relativement aux sites du Canada central. Une paramétrisation générale à une échelle de temps mensuelle a suffit à caractériser la réponse des pessières noires matures aux conditions environnementales. Dans le deuxième chapitre de recherche (Chap. 4), le bilan de C et la réponse des échanges de C aux conditions environnementales de pessières noires mature et récemment récolté de l’est du Canada ont été quantifiés. Le bilan de C de ces pessières noires était davantage affecté par leur stade de développement que les variations interannuelles du climat. La réponse des échanges de C aux facteurs environnementaux a montré une plus forte variabilité entre et à l’intérieur des années au site récolté due à la structure dynamique de la végétation. Le troisième chapitre de recherche (Chap. 5) concerne les échanges de C du parterre forestier d’une pessière noire mature de l’est du Canada mesurés sur différents microsites. La respiration du sol et la photosynthèse du parterre forestier ont respectivement contribuées à 76-88% et 16-17% de la respiration et de la photosynthèse totales de l’écosystème. Les différences observées de réponse de la respiration du sol aux facteurs environnementaux suggèrent que le type de microsite peut refléter la variabilité spatiale de la respiration du sol. Ces trois études procurent de l’information utile pour paramétrer et modéliser la réponse de la forêt boréale aux variations du climat et aux perturbations écologiques. / Carbon dioxide emissions from human activities are changing the Earth’s climate. The boreal forest contains enormous carbon (C) stocks and hence it plays a critical role in the global C cycle. Black spruce ecosystems are the dominant cover type in the North American boreal forest, thus it is necessary to understand their response to both climate variability and to ecological disturbances such as forest harvest so as to identify the factors influencing C exchange between the biosphere and the atmosphere. The first research chapter (Chap. 3) of this thesis presents a comparison of C exchange for three old black spruce ecosystems located in different regions of Canada. This study showed that warmer soil under deeper snowpack in winter and low light levels in June at the eastern Canada site, which are common conditions in that region, reduced C sequestration relative to that of similar ecosystems in central Canada. Furthermore, a general parameterization at a monthly time resolution was sufficient for characterizing the physiological response of all three black spruce ecosystems to environmental conditions. In the second research chapter (Chap. 4), the C balance and the response of C exchange to environmental conditions of a mature and a recently harvested black spruce site in eastern Canada were quantified. The C balance of these black spruce ecosystems was more affected by their respective developmental stage than by inter-annual climate variability. The response of C exchange to environmental factors showed a greater between- and within-year variability at the harvested site due to the dynamic structure of the vegetation. The third research chapter (Chap. 5) examined forest floor C exchange for a mature black spruce site in eastern Canada measured on different microsites. Soil respiration and forest floor photosynthesis accounted for 76-88% and 16-17% of total ecosystem respiration photosynthesis, respectively. The observed differences of the response of soil respiration to environmental factors suggest that microsite can reflect the spatial variability of soil respiration. All three of these studies provide valuable information for parameterizing and modeling the response of boreal forests to climate variability and to ecological disturbance.