La tordeuse des bourgeons de l’épinette (Choristoneura fumiferana, TBE) est l’insecte ravageur le plus important de la forêt boréale de l’est de l’Amérique du Nord. Depuis 2006, la région de la Côte-Nord est affectée par une épidémie de TBE et les superficies forestières infestées doublent annuellement. Des images satellitaires Landsat ont été utilisées pour cartographier la sévérité de l’épidémie avec une approche de détection de changements, en utilisant une image pré-épidémie (2004) et une image prise pendant l’épidémie (2013). Des relevés terrains de la défoliation par la TBE ont été utilisés pour développer (R2 = 0,50) une cartographie fiable (R2 de validation = 0,64) et non biaisée de la sévérité des infestations de la TBE sur une échelle continue de sévérité (0-100%) pour la région d’étude. Une analyse des facteurs environnementaux affectant la sévérité des infestations (extraite de la carte de défoliation) a démontré l’importance de la composition forestière en sapin baumier tant à l’échelle locale qu’à l’échelle du paysage. De plus, une analyse de contexte spatial montre que dans les sites peu défoliés (défoliation cumulée < 50%), le meilleur prédicteur est plutôt son abondance à l’échelle du paysage (distance > 500 m). Ces résultats suggèrent une interaction entre les échelles spatiales et temporelles lors des épidémies de TBE.

Depuis plus de 20 ans, l'insecticide microbien Bacillus thuringiensis var. kurstaki (Btk) est appliqué au Québec afin de réduire les impacts négatifs de la tordeuse des bourgeons de l'épinette (TBE) (Choristoneura fumiferana (Clem.)) sur la ressource ligneuse. Mais, qu'en est-il de sa rentabilité ? En période épidémique, le territoire forestier québécois ne peut être protégé en totalité en raison de sa grande superficie et de la récurrence annuelle des attaques de l'insecte ce qui impliquerait des coûts de protection cumulatifs très élevés. Dans le contexte forestier actuel et devant l'éventuel retour d'une épidémie de la tordeuse des bourgeons de l'épinette, il devient primordial d'identifier les aires à traiter sur la base des pertes anticipées en incluant les effets de l'insecte et des traitements sur la croissance. Ce questionnement est abordé dans ce projet de recherche, plus spécifiquement sur le sapin baumier, l'essence de prédilection de la tordeuse des bourgeons de l'épinette. Dans le sud-ouest du Québec, l'accroissement annuel de trois catégories (traités, non-traités et sans TBE) de peuplements mélangés de sapin baumier (Abies balsamea (L.) Mill) a été mesuré pendant une période de neuf années consécutives (1994-2002), alors qu'à différents intervalles de temps, des traitements au Btk ont été appliqués afin de réduire la défoliation causée par la tordeuse des bourgeons de l'épinette. Cette recherche démontre que les opérations de pulvérisations aériennes d'insecticide biologique s'avèrent rentables en protégeant 66% de la capacité photosynthétique. Également, grâce à ces opérations aériennes, les peuplements traités ont conservé des niveaux de croissance et de mortalité d'arbres similaires à ceux sans TBE.

Une augmentation considérable de l’abondance des grands herbivores a des répercussions majeures sur la composition, la structure et le fonctionnement des écosystèmes forestiers ce qui peut entraîner des échecs de régénération chez de nombreuses espèces d'arbres. Cependant, la réduction de l’abondance des herbivores ne garantit pas le rétablissement d'espèces sensibles au broutement. Dans un tel contexte, la plantation d’arbres peut être utilisée afin de restaurer le couvert forestier. Le succès des plantations avec des espèces d’origines vulnérables au broutement est potentiellement contraint à la fois par le broutement résiduel et la compétition pour les ressources par la régénération naturelle d’autres espèces. Notre objectif principal était d'évaluer les relations directes et indirectes entre le broutement par le cerf de Virginie (Odocoileus virginianus; Zimm.) et les changements dans la compétition sur la performance du sapin baumier en plantation dans un contexte de réduction de la densité des grands herbivores. À l'aide d'une expérience contrôlée, nous avons démontré que le cerf de Virginie induit simultanément un effet direct négatif par le broutement des flèches apicales et un effet indirect positif sur les plants en diminuant la compétition pour la lumière induite par les espèces compagnes. Les effets directs négatifs, cependant, l'emportent sur les avantages d'une disponibilité accrue en lumière. Contrairement à nos prédictions, la préparation de terrain et le dégagement mécanique n’ont pas eu d’effets positifs sur la performance et la survie des plants et n’ont pas diminué de manière significative la compétition pour les ressources à moyen terme. Nous proposons de poursuivre les recherches afin de cibler une densité de cerfs qui maximise les effets positifs du broutement tout en minimisant les effets négatifs et que, dans ce contexte, la prescription pour la préparation du terrain et le dégagement mécanique devrait reposer sur d'autres considérations que la promotion de la croissance des plants. / High abundance of large herbivores has major impacts on the composition, structure and functioning of forest ecosystems, which can result in regeneration failures of many tree species. Reduction of the large herbivore, however, does not warrant successful recovery of species sensitive to browsing. In such contexts, planting in combination with silvicultural treatments can be used to restore forest cover over large areas. Our main objective was to evaluate the direct and indirect relationships between white-tailed deer browsing, changes in biotic and abiotic factors induced by site preparation and mechanical release at the tree level on survival and performance of planted balsam fir under reduced deer density. Using a controlled experiment, we demonstrated that white-tailed deer induces both a direct negative effect by browsing on apical shoots of fir, and a positive indirect effect on planted seedlings by decreasing competition for light from palatable species. The magnitude of direct negative effects, however, outweighs the benefits of increased light availability. Contrary to predictions, site preparation as well as mechanical release did not have a positive effect on seedling performance and survival and did not significantly reduce competition for resources. We propose to continue research to find a target deer density that maximizes positive effects of browsing and minimize its negative effects. In this context, prescription for site preparation and mechanical release should be based on considerations other than promoting seedlings growth.

La régénération artificielle peut être complexifiée par la persistence de la perturbation à l’origine de la régénération naturelle comme l’herbivorisme chronique. Dans ce cas, la stratégie doit intégrer le contrôle par les herbivores (top-down) sur les arbres de plantations au contrôle par la compétition pour les resources (bottom-up). Nous tentons de déterminer si la sélection de tailles de plants de sapin baumier (Abies balsamea, 110 cm³, 200 cm³ ou 350 cm³) et la préparation de terrain peuvent être combinées à l’aménagement des populations cerf de Virginie (Odocoileus virginianus) pour minimiser la compétition locale, de même que le broutement sur les plants. Bien qu’il soit trop tôt pour statuer sur l’effet de la préparation de terrain sur la disponibilité des ressources, nous concluons que le choix d’un type de plant adapté peut minimiser le coût du processus de restoration suivant la reduction de la population d’herbivores. / Using planted trees for regeneration can be challenging when the stand replacing disturbance –for example chronic herbivorism- is still effective. In such cases, plantation strategies must integrate management of the top-down pressure by consumers to the bottom-up control related to competition for resources. We explore whether selection of competition-adapted balsam fir (Abies balsamea) seedling stock types (110 cm³, 200 cm³ or 350 cm³) and field preparation could be used together with the management of white-tailed deer (Odocoileus virginianus) populations in order to lower the effect of local competition as well as minimizing browsing on seedlings. Even though it is too early to conclude on the effect of field preparation on the competition for ressources, we conclude that choosing a size-adapted stock can optimize the cost of the restoration scheme following herbivore population reduction.

La plantation d'arbres est un outil d'aménagement permettant de restaurer les écosystèmes forestiers dont la résilience est compromise par l'intensité et la répétition d'une perturbation, mais peut être insuffisante si le régime de perturbation est maintenu. Les plantations de sapins baumiers sont utilisées sur l'île d'Anticosti pour restaurer l'habitat du cerf de Virginie. Pour favoriser la régénération naturelle ainsi que la croissance des sapins plantés, des enclos ont été érigés et les densités de cerf y ont été réduites afin de diminuer la pression de broutement. Notre objectif était d'identifier les facteurs qui influencent l'herbivorie à l'échelle du paysage et à l'échelle locale et d'identifier les facteurs influençant la croissance du sapin, notamment l'herbivorie, les caractéristiques du sol et la végétation avoisinante. Nous avons mesuré la croissance de 114 sapins baumiers situés dans deux enclos de gestion après 8 ans. Après le démantèlement des enclos, nous avons évalué l'intensité du broutement et l'occurrence d'écorçage des sapins. À l'échelle du paysage, l'intensité du broutement augmente en se rapprochant des peuplements de conifères matures, mais pas l'écorçage. L'intensité du broutement sur le sapin augmente également avec la densité d'épinettes blanches environnantes. L'abondance en sapin baumier et bouleau blanc augmente le risque des sapins d'être écorcés. Enfin, l'addition des effets négatifs du broutement et de la densité de végétation sur la croissance des sapins ont permis de mieux prédire la croissance des sapins une meilleure prédiction que les effets individuels de ces deux facteurs. En revanche nous n'avons pas observé d'effet de la composition chimique du sol sur la croissance. Nos résultats montrent que le succès de la restauration des écosystèmes forestiers par la plantation dépend de la végétation avoisinante qui influence indirectement la croissance via le broutement ainsi que directement par la compétition pour les ressources. / Tree planting is a management tool to restore forest ecosystems whose resilience is compromised by the intensity and repetition of a disturbance, but may be insufficient if the disturbance regime is maintained. Balsam fir plantations are used on Anticosti Island to restore white-tailed deer habitat. To promote natural regeneration and growth of planted fir trees, enclosures were erected and deer densities were reduced to decrease browsing pressure. Our objective was to identify factors influencing herbivory at the landscape and local scales and to identify factors influencing fir growth, such as herbivory, soil characteristics, and surrounding vegetation. We measured growth of 114 balsam fir trees located in two management enclosures after 8 years. After dismantling the enclosures, we assessed browsing intensity and the occurrence of fir bark. At the landscape scale, browsing intensity increased as we approached mature conifer stands, but bark stripping did not. Browsing intensity on fir increases with surrounding white spruce density. Abundance of balsam fir and white birch increases the risk of fir being bark stripped. Finally, the addition of the negative effects of browsing and vegetation density on fir growth resulted in a better prediction of fir growth than the individual effects of these two factors. In contrast we did not observe an effect of soil chemistry on growth. Our results show that the success of forest ecosystem restoration through planting depends on the surrounding vegetation, which influences growth indirectly via browsing as well as directly by the competition for resources.

Les objectifs de ce projet étaient d'évaluer les effets de différents traitements sylvicoles sur l'établissement de la régénération naturelle en sapin baumier {Abies balsamea (L.) Mill.) qui est la cible d'un broutement intense de la part du cerf de Virginie (Odocoileus virginianus Zimmermann). Nos résultats montrent que l'utilisation de la coupe progressive d'ensemencement, de la coupe à blanc par bandes avec scarifiage et de la coupe avec réserve d'îlots semenciers avec scarifiage n'a pas permis l'établissement d'une banque suffisante de semis de sapin non broutés capable de succéder aux peuplements actuels. Toutefois, la coupe par bandes et la coupe avec réserve d'îlots semenciers, chacune jumelée avec une préparation de terrain, ont stimulé l'établissement du bouleau à papier (Betala papyrifera Marsh.), mais le broutement du cerf a prohibé sa croissance en hauteur, tout comme celle du sapin. Aucun de ces traitements sylvicoles n'apparaît donc approprié pour reconstituer les sapinières de l'île d'Anticosti en présence de densités de cerf aussi élevées.

Combiner des approches basées sur la composition en espèces et sur les traits fonctionnels a permis d’évaluer la réaction de l’écosystème forestier boréal à la suite de réductions de densités de cerfs, dans un contexte de surabondance. Un dispositif de broutement contrôlé a été instauré en 2001 à l’île d’Anticosti et a été suivi pendant 8 ans. Dans ce dispositif, la densité de cerfs était maintenue à 4 niveaux : 0, 7,5, 15 cerfs/km2 ainsi qu’à densité in situ (26-56 cerfs/km2). Avec l’approche taxonomique, 12 plantes, 11 papillons et 1 oiseau ont été identifiés comme indicateurs de 12 densités de cerfs. L’utilisation de combinaisons de deux ou trois espèces de plantes a ajouté des indicateurs pour 17 patrons de densités de cerfs augmentant ainsi la capacité d’estimation des densités. Ensuite, des syndromes fonctionnels à hautes densités et densités réduites de cerfs ont été identifiés grâce à l’analyse des traits fonctionnels des communautés. À haute densité de cerfs (> 15 cerfs/km²), les traits dominants chez les plantes, tels qu’une reproduction végétative et une pollinisation et dispersion abiotique, impliquaient peu d’interactions avec les animaux, ce qui pourrait nuire au maintien de la biodiversité. De plus, bien que les méthodes de réduction de cerfs ne permettent pas, en 8 ans, un retour de la composition en espèces d’une sapinière de référence, elles permettent une succession menant à une composition fonctionnelle similaire à cet écosystème de référence. Finalement, les indices fonctionnels (ex : Rao), sont plus révélateurs de la réaction de la végétation à différentes densités de cerfs que les indices spécifiques (ex : Shannon), notamment lorsqu’on considère la variance de certains traits, comme la reproduction végétative qui diminue à haute densité de cerfs. Une faible variance d’un trait peut affecter la résilience d’un écosystème à de nouvelles perturbations. Ces résultats permettent d’entrevoir le retour d’une sapinière fonctionnelle sur l’île d’Anticosti avec une réduction des densités de cerfs. / We combined specific and functional approaches of biodiversity to capture the impact of deer densities on communities of Anticosti Island. With the specific approach, 12 plants, 11 moths and one bird have been identified as indicator of 12 specific patterns of deer densities. The use of plant combinations in comparison with single plant species added indicators for 17 deer density patterns and increased our capacity to estimate deer density. Then, functional syndromes at high and reduced deer densities were identified through analysis of functional traits of communities. For example, plants at high densities (> 15cerfs/km²) had a vegetative reproduction and abiotic pollination and dispersal. They are traits involving few interactions with animals, which could affect the maintenance of biodiversity. In addition, after eight years of succession, reduction of deer density on Anticosti did not allow the return of species composition similar to the one found in a reference stand of balsam fir forest. However, communities at reduced deer densities had similar composition of functional traits to the reference. Finally, the indices of species diversity (e.g. Shannon) did not change according to deer density but the indices of functional diversity (e.g. Rao) did. For example, the variance of some traits, such as vegetative reproduction, was reduced at high deer density. Low variance of a trait can affect the resilience of ecosystems to new disturbances. These results provide a glimpse for the return of afunctional Balsam fir forest on Anticosti Island when deer densities are controlled.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Devant l'urgence climatique, l'aménagement forestier peut contribuer à la lutte contre les changements climatiques, notamment par la production de produits du bois qui stockent du carbone hors de l'atmosphère pendant de longues périodes en substituant par le fait même des matériaux plus polluants. La coupe partielle, un procédé sylvicole qui tarde à être utilisé plus largement au Québec, fait tranquillement ses preuves en forêt boréale quant à son potentiel pour l'adaptation et l'atténuation des changements climatiques. Le but de ce mémoire était d'évaluer la capacité à créer des produits du bois de haute valeur et de longue durée de vie de deux types de coupe partielle en forêt boréale. Plus spécifiquement, le but était de comparer l'effet de la coupe progressive irrégulière à couvert permanent et de l'éclaircie commerciale sur le potentiel de croissance des arbres résiduels et leur rendement en produits du sciage et ce, par rapport au scénario de référence de la coupe totale. En utilisant la Forêt Montmorency comme étude de cas, le modèle 3-PG a été utilisé pour simuler la croissance et la coupe de peuplements monospécifiques de sapin baumier (Abies balsamea (L.) Mill) et d'épinette blanche (Picea glauca (Moench) Voss). Grâce à StatSAW, l'assortiment de produits du bois issu des récoltes a été établi selon les différents traitements de récolte. Les résultats les plus marquants ont été observés sur le diamètre quadratique des tiges résiduelles. Pour le sapin baumier, des gains de 1,9, 2,5 et 3,3 cm ont été observés lors de la coupe finale à 70 ans pour les peuplements ayant subi à 30 ans des éclaircies commerciales de 25%, 33% et 40% de la surface terrière respectivement, par rapport à des peuplements non traités. Pour des peuplements soumis à la coupe progressive irrégulière à couvert permanent, un gain de 5,6 et 3,3 cm a été observé comparativement au contrôle à 70 et 90 ans. Pour l'épinette blanche, des gains de 1,8, 2,5 et 3,2 cm ont été observés pour l'éclaircie commerciale à 25%, 33% et 40% respectivement. Pour la coupe progressive irrégulière à couvert permanent, un gain de 5,1 et 3,6 cm a été observé comparativement au contrôle à 70 et 90 ans. Malgré les gains significatifs en diamètre chez les deux essences, l'assortiment de produits du bois cumulatif des scénarios avec éclaircie commerciale à la suite de la coupe finale à 70 ans ne s'est pas distingué du scénario de référence de la coupe totale (sans éclaircie). Cependant, dans une perspective de récolte à perpétuité, la coupe progressive irrégulière à couvert permanent a démontré le meilleur potentiel de génération de produits du bois de grandes dimensions pouvant stocker du carbone sur de longues périodes. En effet, la transition vers une structure de peuplement irrégulière, complétée à 90 ans, devrait permettre des coupes subséquentes qui affichent les meilleures proportions de sciage, avec les dimensions de produits les plus grandes ayant un fort potentiel d'utilisation en construction, où les meilleurs temps de demi-vie sont observés. Dans l'optique de mieux établir le potentiel des coupes partielles à lutter contre les changements climatiques, un bilan carbone complet serait nécessaire, en incluant l'ensemble de la dynamique du carbone de l'écosystème et des produits du bois. Également, il serait nécessaire d'évaluer l'impact de perturbations naturelles, comme la tordeuse des bourgeons d'épinettes, sur les peuplements issus de ce type de coupe. Somme toute, les résultats suggèrent que les coupes partielles, notamment celles faisant partie d'un système de récolte à couvert permanent, ont un fort potentiel de lutte contre les changements climatiques. / In the face of the climate emergency, forest management can contribute to the fight against climate change, notably through the production of wood products that sequester carbon out of the atmosphere for long periods of time, thereby substituting more polluting materials. Partial cutting, a silvicultural process that has been slow to be used more widely in Quebec, is gradually proving its potential in the boreal forest for adaptation and mitigation of climate change. The purpose of this thesis was to evaluate the performance of two types of partial cutting to create high quality wood products with long half-life cycle in the boreal forest. More specifically, the goal was to compare the effect of continuous cover irregular shelterwood and commercial thinning on growth potential of residual stems and wood product yield compared to the control scenario of clearcutting only. Using the Montmorency Forest as a case study, the 3-PG model was used to simulate the growth and harvesting of monospecific stands of balsam fir (Abies balsamea (L.) Mill) and white spruce (Picea glauca (Moench) Voss). Using StatSAW, the assortment of wood products from harvests was estimated for the different treatments. The most striking results were observed on the quadratic diameter of residual stems. For balsam fir, a gain of 1.9, 2.5 and 3.3 cm was observed following commercial thinning of 25%, 33% and 40% of the basal area respectively. For stands submitted to the continuous cover system, a gain of 5.6 and 3.3 cm was observed compared to the control at 70 and 90 years. For white spruce, a gain of 1.8, 2.5 and 3.2 cm was observed for the commercial thinning at 25%, 33% and 40% respectively. For the continuous cover, a gain of 5.1 and 3.6 cm was observed compared to the control (clearcut only) at 70 and 90 years. Despite the significant gains in diameter in both species, the cumulative assortment of products of the commercial thinning at the final cut of 70 years did not differ from the reference of clearcutting (without thinning). However, from a perpetual harvesting perspective, continuous cover irregular shelterwood showed the best potential for generating larger-sized wood products that can store carbon over long periods. The last harvest, which would be repeated in subsequent cuts, shows the highest sawnwood proportions, with the largest product sizes having high potential for construction use, where the longest half-life times are observed. To better establish the potential of partial cuts to address climate change, a full carbon budget would be required, including the carbon dynamics in ecosystems and wood products. Also, it would be necessary to evaluate the impact of natural disturbances, such as the spruce budworm, on stands treated by this type of harvesting. In conclusion, the results suggest that partial cuts, particularly when included in a continuous cover harvest system, have a strong potential to contribute to climate change mitigation.