Bringing together field-based empirical studies, a simulation modelling experiment, and a critical analysis of the natural disturbance emulation paradigm, this thesis evaluates partial harvesting in the black spruce boreal forest. Forest management in Ontario is required to emulate natural disturbances, but in regions of the boreal forest where fire cycles are long, regulated even-aged management by clearcutting has truncated forest age-class distributions. Partial harvesting has been proposed as a means to maintain the structural complexity and biodiversity associated with old forests while allowing continued timber production. Despite the potentially important role of partial harvesting in a strategy for sustainable boreal forest management, little research has examined post-harvest stand development, a critical determinant both of habitat and timber supplies.I used a chronosequence approach in combination with dendroecological techniques, a neighbourhood modelling framework, and maximum likelihood statistical methods to quantify stand dynamics over the first decade after partial harvest in the black spruce (Picea mariana) boreal forest of northeastern Ontario, Canada. Residual trees displayed large but time-lagged growth responses to partial harvest. The largest responses were found in young trees, while old trees were largely unable to react to improved post-harvest resource availability. Growth responses were offset by elevated rates of residual-tree mortality, which peaked in the first year after harvest at nearly 13 times the pre-harvest level. Proximity to harvest machinery trails severely escalated the risk of mortality for residual trees. Considering growth and mortality responses together in a forest simulator model, I found that stand development proceeded most rapidly where skidding intensity was reduced and retention areas were aggregated. Given appropriate prescriptions, my results indicate that partial harvesting can be a viable silvicultural option for black spruce boreal forests. However, the ability of partially harvested stands to emulate natural disturbance is questionable, particularly given the strong influence of harvest machinery impacts on post-harvest stand development. I argue that the natural disturbance emulation framework has important flaws and falls short of a justifiable approach for forest management in Ontario.

Bringing together field-based empirical studies, a simulation modelling experiment, and a critical analysis of the natural disturbance emulation paradigm, this thesis evaluates partial harvesting in the black spruce boreal forest. Forest management in Ontario is required to emulate natural disturbances, but in regions of the boreal forest where fire cycles are long, regulated even-aged management by clearcutting has truncated forest age-class distributions. Partial harvesting has been proposed as a means to maintain the structural complexity and biodiversity associated with old forests while allowing continued timber production. Despite the potentially important role of partial harvesting in a strategy for sustainable boreal forest management, little research has examined post-harvest stand development, a critical determinant both of habitat and timber supplies.I used a chronosequence approach in combination with dendroecological techniques, a neighbourhood modelling framework, and maximum likelihood statistical methods to quantify stand dynamics over the first decade after partial harvest in the black spruce (Picea mariana) boreal forest of northeastern Ontario, Canada. Residual trees displayed large but time-lagged growth responses to partial harvest. The largest responses were found in young trees, while old trees were largely unable to react to improved post-harvest resource availability. Growth responses were offset by elevated rates of residual-tree mortality, which peaked in the first year after harvest at nearly 13 times the pre-harvest level. Proximity to harvest machinery trails severely escalated the risk of mortality for residual trees. Considering growth and mortality responses together in a forest simulator model, I found that stand development proceeded most rapidly where skidding intensity was reduced and retention areas were aggregated. Given appropriate prescriptions, my results indicate that partial harvesting can be a viable silvicultural option for black spruce boreal forests. However, the ability of partially harvested stands to emulate natural disturbance is questionable, particularly given the strong influence of harvest machinery impacts on post-harvest stand development. I argue that the natural disturbance emulation framework has important flaws and falls short of a justifiable approach for forest management in Ontario.

La maîtrise du procédé séchage, étape essentielle dans la transformation du bois, est devenue incontournable pour la filière bois. Cette thèse propose l'utilisation de conduites de séchage oscillantes pour réduire les contraintes de séchage liées au retrait par l'activation du fluage mécanosorptif. A ce jour, la meilleure façon d'appliquer les conduites oscillantes représente un défi pour la communauté scientifique. Dans ce travail, nous avons choisi comme matériel d'étude une essence feuillue fortement utilisée dans la filière et très susceptible aux déformations lors du séchage : le hêtre (Fagus sylvatica). L'effet des conduites oscillantes sur les contraintes de séchage est étudié par une approche expérimentale et par une approche théorique, articulées en trois parties : - Un premier volet expérimental sur un séchoir semi - industriel pour saisir l'effet global des conduites oscillantes à l'échelle d'une pile de planches. L'amélioration de la qualité du bois séché s'est avérée par : une meilleure homogénéité de la teneur en eau finale inter et intra-planche, la diminution des déformations globales et la diminution des contraintes résiduelles exprimées par le gap du " slicing test ". - Ensuite, nous avons développé un volet théorique sur la base de modélisations analytique et numérique pour étudier l'évolution des champs de teneur en eau et de contraintes mécaniques au sein d'une planche lorsque les conditions climatiques oscillent. Une formulation analytique simple, adaptée aux conduites oscillantes, est proposée pour les utilisateurs de séchoirs n'ayant pas accès à un outil numérique sophistiqué. L'approche numérique effectuée avec l'outil de simulation TransPore permet une étude plus réaliste du séchage oscillant. Ainsi, le module mécanique de TransPore a été utilisé pour dégager des configurations pertinentes de séchage permettant d'étudier l'effet des conduites oscillantes sur la relaxation des contraintes. - Enfin, un second volet expérimental a été réalisé sur un séchoir de laboratoire, à l'échelle d'une planche, pour tester les informations issues du volet théorique. Un dispositif de séchage dissymétrique (flying wood) et deux dispositifs de séchage sous charge (poutre cantilever et flexion trois points) ont été utilisés pour étudier l'effet des oscillations. Toutefois, ces essais ne permettent pas de montrer clairement l'effet des oscillations sur la relaxation des contraintes. La confrontation entre les résultats expérimentaux à l'échelle d'une planche et la simulation numérique a mis en évidence l'effet conséquent des oscillations parasites de faibles période et amplitude sur les résultats expérimentaux, provoquées par la régulation du séchoir. Des modifications du modèle de comportement mécanique différé ont été proposées en perspectives de ce travail afin de mieux saisir le comportement observé expérimentalement.

Le changement climatique est connu pour entraîner une redistribution spatiale des conditions climatiques et avec elle une migration des espèces vers les pôles et les sommets. De tels changements impliquent une réorganisation des communautés végétales dont la nature, l'intensité et le déterminisme sont encore peu connus. L'objectif de cette thèse est d'évaluer, à large échelle spatiale et sur de longs pas de temps, les changements de composition des communautés végétales forestières induits par le réchauffement climatique, ainsi qu'analyser les facteurs écologiques et géographiques contribuant à ces changements à l'échelle de l'espèce et des communautés. La réponse de la flore forestière vis-à-vis du réchauffement climatique a été étudiée à l'échelle du territoire français (~546000 km²) à partir de larges bases de données d'observations floristiques, de données environnementales mesurées et modélisées, et d'une approche modélisatrice basée sur le concept de niche écologique et sur le caractère bio-indicateur des espèces. Dans un premier temps, nous avons montré que le remaniement des communautés végétales a permis la compensation de 0.54°C du réchauffement climatique ayant touché les forêts de montagne entre les périodes 1965-1986 et 1987-2008 (i.e. +1.07°C) contre seulement 0.02°C pour les forêts de plaine (réchauffement = 1.11°C). Cette compensation partielle démontre l'existence d'une dette climatique de la flore induite par le réchauffement climatique. L'importance de cette dette en plaine par rapport aux montagnes provient probablement de l'effet combiné d'un déficit d'extinction et de migration des espèces en plaine conduit respectivement par une plus large tolérance thermique des plantes forestières sur cette zone et par une migration des plantes a priori (i) limitée par l'importante fragmentation des forêts de plaine et (ii) inférieure au déplacement des conditions thermiques en plaine. Les particularités écologiques et géographiques des forêts de plaine et de montagne nous ont amené à considérer deux types de menaces induites par le changement climatique : (i) l'attrition biotique en plaine, et (ii) la perte d'une biodiversité historique et spécifique en montagne (réduction de l'habitat des espèces alpines aboutissant à leur disparition) remplacée probablement par des espèces plus communes. Dans un second temps, les effets de facteurs abiotiques, biotiques et géographiques pouvant amplifier ou réduire les changements de distribution des espèces et de composition des communautés induits par le réchauffement climatique ont été caractérisés. [...] Suite et fin du résumé dans la thèse.

Une approche a plusieurs echelles a été développé afin de vérifier si les différences de Δ13C entre les genotypes de peuplier représentaient les différences d'efficience de transpiration à l'échelle des feuilles et la plante entière. Nous avons également vérifié la stabilité des différences génotypiques pour Δ13C dans le temps. Nous avons constaté que les différences génotypiques pour Δ13C pouvaient etre traduites comme la difference d efficience de transpiration a l echelle des feuilles ainsi qu au niveau de la plante entière. L amplitude de la variabilité de l efficience de transpiration a l echelle du plant etait plus grand par rapport à la variabilite a l echelle de la feuille, demontrant le rôle de la perte du carbone lors de la respiration diurne et nocturne (Φc) ainsi que l'eau perdue pendant la transpiration nocturne (Φw). La productivité génotypique augmentait avec l efficience de transpiration chez Populus deltoides × nigra, mais restait stable chez Populus nigra. Les valeurs absolues de l efficience de transpiration observees lors de cette etude etaient plus elevees que chez les autres especes. L enrichissement en 18O de la matiere organique (Δ18Olb) et de l eau (Δ18Olw) des feuilles correlait avec la variation de la conductance stomatique (gs) soit au niveau de l individu ou au niveau génotypique. Lors d une premiere experience nous avons montre que les valeurs de Δ13C restaient stables pour les genotypes Populus deltoides × nigra ages de 5 a 15 ans, avec un classement génotypique particulierement conservé pendant l etude. Toutefois, une seconde experience nous a permis de demontre que des arbres ages de 4 a 7 ans presentaient des valeurs de Δ13C significativement plus faibles que celles observees lors de la premiere experimentation, avec une augmentation progressive de ces valeurs avec l age. Nous concluons que, chez le peuplier, le Δ13C peut etre considere comme un estimateur fiable de l efficience de transpiration a l echelle du plant entier, et le classement genotypique établi chez de jeunes arbres pour Δ13C reste stable avec l'âge.

Le contexte global de réchauffement climatique et de fin programmée des carburants d'origine fossile a conduit depuis quelques décennies au développement des biocarburants. Les nombreux inconvénients liés à la première génération de biocarburants ont peu à peu donné naissance aux biocarburants de seconde génération dont l'avantage notable est d'utiliser la partie ligno-cellulosique des plantes. La principale voie de conversion envisagée consiste en une gazeification suivie d'une synthèse Fisher-Tropsch. Mais la dispersion énergétique et géographique de la biomasse ainsi que les nombreuses contraintes liées au processus de fabrication nécessitent la mise au point d'un préconditionnement adéquat. Le matériau utilisé devra en effet être homogène, concentré énergétiquement, stockable et facilement transportable. Il devra aussi être facilement broyable en vue de son injection sous pression dans les gazéifieurs. Une voie de prétraitement possible consiste à torréfier la biomasse. Le présent travail s'inscrit dans cette thématique puisqu'il a permis une caractérisation chimique, énergétique et mécanique du bois (Pinus pinaster et Quercus robur) traité thermiquement (T°C<300°C). Dans une première partie du travail, des analyses chimiques et énergétiques de bois traités thermiquement à différentes intensités ont été réalisées. Les résultats ont permis de quantifier la dégradation chimique et la densification énergétique lorsque l'intensité du traitement augmente. Il s'avère que la perte de masse est un excellent indicateur de ces modifications : des relations de prédiction de l'évolution de ces propriétés ont été établies. Un dispositif d'impact original a été développé dans la seconde partie du travail. Les résultats obtenus montrent une augmentation de la broyabilité du bois lorsque l'intensité de son traitement thermique augmente. Avec l'intensité du traitement, le bois perd d'abord sa résilience, puis son comportement fibreux.Cela permet la formation de fines particules particulièrement adaptées aux processus de fabrication des biocarburants de seconde génération.

De nombreux sols forestiers français sont acides et pauvres en éléments nutritifs et les forêts françaises font face aujourd'hui à des pressions extérieures croissantes. Ces nouvelles contraintes sont d'ordre nutritionnel et/ou sylvicole et/ou climatique et risquent d'impacter la durabilité des écosystèmes forestiers à faible fertilité minérale. Il est donc très important de comprendre et quantifier les processus qui régissent les cycles des éléments nutritifs dans ces écosystèmes afin de prédire au mieux leurs évolutions possibles face à de telles contraintes et ainsi aider les gestionnaires forestiers à prendre des décisions réfléchies pour assurer leur durabilité. L'objectif principal de cette thèse était de comprendre le cycle du calcium et du magnésium dans un écosystème forestier productif bien que croissant sur un sol très faiblement pourvu en Ca et Mg. Pour cela, nous avons établi dans un peuplement de hêtre âgé de 35 ans des bilans de flux " entrées-sorties " basés sur des mesures classiques de pools et flux entre 2003 et 2008. Puis une expérience de multi-traçage isotopique (2H, 15N, 26Mg et 44Ca) a ensuite été conduite: les traceurs ont été apportés à la surface du sol en avril 2010 sous forme soluble et leur progression a été suivie dans l'écosystème jusqu'en mars 2012. Les résultats ont mis en évidence le rôle primordial que joue la matière organique dans les cycles du Mg et du Ca, en leur conférant notamment un caractère très conservatif. Le 26Mg et le 44Ca apportés ont été captés dans la fine couche de litière au sol puis lentement libérés. Dans les horizons minéraux, la matière organique du sol, qui semble contribuer à la plus grande part de CEC du sol, a fortement contribué à ralentir la migration du Mg et du Ca à travers le sol. Par rapport au Mg, le calcium apporté a été plus intensément retenu dans la litière, et moins intensément lixivié à travers le sol en raison de sa plus grande affinité pour la matière organique. Malgré les flux préférentiels d'eau mis en évidence par le traçage au 2H, aucune perte par drainage de 26Mg ou 44Ca n'a été mesurée. Deux années après l'apport, il restait dans la litière 8% du 26Mg et 33% du 44Ca apportés tandis que, respectivement, 52% et 46% ont été retrouvés dans les 10 premiers cm du sol. Les traceurs, rapidement absorbés par les racines fines ont migré dans l'arbre à des vitesses très différentes: les feuilles étaient enrichies en 15N dès le mois suivant l'apport des traceurs, tandis que seuls de très faibles enrichissements en 26Mg (mais pas de 44Ca) ont été mesurés dans la canopée en 2012. Le bilan en 2012 montre les arbres ont absorbé 27% de 26Mg et 20% de 44Ca et qu'ils sont majoritairement concentrés dans les tissus de la base du tronc. L'utilisation de traceurs isotopiques a permis de mettre en évidence la lenteur de la redistribution de Mg et encore plus de Ca dans l'écosystème, d'une part de la litière vers les sols et d'autre part des racines vers les canopées. Ce comportement est attribué à l'affinité de ces ions pour les charges carboxyliques portées par la matière organique. Enfin, la dilution isotopique mesurée dans les différents compartiments de l'écosystème à l'issue de deux années a permis de calculer des bilans et ainsi de valider les pertes de Mg calculées par l'approche classique de " bilan de fertilité minérale ". En revanche, les pertes de Ca calculées par cette même approche ont été mises en défaut, démontrant la contribution d'une source externe (absorption par les feuilles, altération...) ou interne (mobilisation du stock des tissus ligneux), non prise en compte dans l'approche classique. L'ensemble de ces travaux souligne l'intérêt de l'approche " traçage isotopique " en complément des approches conventionnelles afin d'étudier la fertilité minérale des écosystèmes forestiers.

Du point de vue écologique, les efforts de tension ou de compression développés par la maturation du bois au cours de la croissance permettent à l'arbre de maintenir sa posture verticale face à la gravité. Ces efforts, appelés autocontraintes de maturation, résultent de la mise en place d'un bois particulier, le bois de réaction. Sur le plan mécanique, c'est la dissymétrie des autocontraintes entre les deux faces du tronc de l'arbre qui joue un rôle moteur dans le redressement, qui s'exprime par une courbure. Ce travail vise à développer de nouveaux outils théoriques et métrologiques pour étudier le lien entre morphologie de l'arbre et autocontraintes dans un cadre biomécanique et écologique. Une première approche vise à mettre en relation la dynamique de croissance et la compétition du peuplement avec la morphologie et la réaction de contrôle de la posture des arbres. Elle utilise des données issues d'un essai sylvicole de long terme (plantations de hêtres de différentes densités initiales laissées en croissance pendant 26 ans). L'analyse rétrospective de la production du bois de réaction sur des rondelles prélevées sur ces arbres a permis d'évaluer les différentes composantes du mouvement gravitropique au cours du temps. Une loi d'échelle, établie entre la vitesse de courbure et la circonférence des tiges, montre (i) l'effet prépondérant du diamètre de la tige dans sa capacité de réaction, et (ii) l'absence d'effet additionnel de la compétition. En fin d'expérience, l'évaluation de la morphologie des arbres a permis de confirmer le lien entre l'inclinaison et l'élancement de la tige avec les indicateurs de contraintes de croissance. D'un point de vue mécanique, la morphologie de l'arbre s'interprète (i) par la forme de sa tige (inclinaison et courbures), et (ii) par la distribution spatiale de sa biomasse, qui peuvent fournir des variables biomécaniques candidates pour élaborer des modèles de stimulus-réponse. Ainsi, un important travail méthodologique couplant la technologie LiDAR terrestre (un instrument de numérisation laser 3D très prometteur pour les mesures forestières) à des techniques de modélisation géométrique a permis d'obtenir des maquettes 3D précises de la structure ligneuse d'arbres de différentes espèces. Les maquettes ont permis de modéliser la contrainte de flexion exercée par la biomasse aérienne des arbres en vue d'une mise en relation avec les indicateurs de contraintes de croissance mesurées sur leur grume. Les résultats montrent que la contrainte de flexion est une variable très prometteuse pour évaluer le degré de réaction des arbres. La méthodologie ouvre également des perspectives originales pour le suivi temporel de la morphologie de l'arbre en lien avec son interprétation biomécanique.

This thesis presents an evaluation of the effectiveness of an agroforestry extension program to smallholder farmers on Leyte Island, the Philippines. The imperative for reforestation is well recognised in the Philippines and was the impetus for this program which provided farmers with assistance to establish and silviculturally manage timber trees on their land. Because the cost-effectiveness of agroforestry extension is increased if farmers develop self-efficacy without extensive training, the extension program was offered in two regimes to test the necessity for extended assistance. In the extended assistance regime, farmers were offered on-site assistance to collect seed, grow seedlings, prepare sites and establish trees, whereas in the limited assistance regime, farmers were only offered assistance to collect seed and grow seedlings. Descriptive statistics were collected of farmers’ acceptance of technology and the manner in which technology was adapted to suit their personal circumstances. Translated conversations between farmers and extension staff also provided a rich source of data which provided insights into farmers’ motivation. Extension activities were reviewed at a mid-program workshop, a final on-site inspection and an end-of-program workshop. Farmers responded positively to the extended assistance program which helped them to grow and out-plant seedlings. The limited assistance program was relatively unsuccessful. Overall, the extension program was successful in shifting the initiative for further planting from extension staff to participating farmers. However, farmers showed little interest in applying silvicultural thinning or pruning to existing plantations of trees because extension advice was not congruent with their existing mental models of these procedures. Systems modelling of socio-economic variables which had been found to affect program outcomes was used to predict critical success factors. A key constraint to program recruitment was found to be farmers’ perception of harvest security, even when their needs for technology and planting materials are met. Modelling also cast doubt on the usefulness of written extension materials and emphasised the necessity for extended face-to-face technical assistance. Although conducted in Leyte, the findings of this research provide guidance for issues which affect the adoption of agroforestry both in the Philippines and in other countries. The research found that it was possible to recruit and motivate farmers without providing material incentives. If farmers experienced unexpected problems, providing extended face-to-face contact and assistance was critical if catastrophic losses of participating farmers were to be avoided. The failure of attempts to introduce advanced-age silviculture also indicated a need to elicit farmers’ mental models as a precursor or parallel enquiry to extension activities. In a situation where little was initially known about farmers’ understanding of agroforestry technology or the variables which affect their acceptance or rejection of extension assistance, the results of this research have shown that it is possible to build the capacity of farmers to establish timber trees. This result is in contrast to the acknowledged failure of the logging concession system in the Philippines and the difficulties faced by some industrial plantations and community-based programs. This investigation has shown that an opportunity exists to lift the level of tree planting in Leyte, provided that system variables which are either critical success factors or impediments are addressed.

This thesis presents an evaluation of the effectiveness of an agroforestry extension program to smallholder farmers on Leyte Island, the Philippines. The imperative for reforestation is well recognised in the Philippines and was the impetus for this program which provided farmers with assistance to establish and silviculturally manage timber trees on their land. Because the cost-effectiveness of agroforestry extension is increased if farmers develop self-efficacy without extensive training, the extension program was offered in two regimes to test the necessity for extended assistance. In the extended assistance regime, farmers were offered on-site assistance to collect seed, grow seedlings, prepare sites and establish trees, whereas in the limited assistance regime, farmers were only offered assistance to collect seed and grow seedlings. Descriptive statistics were collected of farmers’ acceptance of technology and the manner in which technology was adapted to suit their personal circumstances. Translated conversations between farmers and extension staff also provided a rich source of data which provided insights into farmers’ motivation. Extension activities were reviewed at a mid-program workshop, a final on-site inspection and an end-of-program workshop. Farmers responded positively to the extended assistance program which helped them to grow and out-plant seedlings. The limited assistance program was relatively unsuccessful. Overall, the extension program was successful in shifting the initiative for further planting from extension staff to participating farmers. However, farmers showed little interest in applying silvicultural thinning or pruning to existing plantations of trees because extension advice was not congruent with their existing mental models of these procedures. Systems modelling of socio-economic variables which had been found to affect program outcomes was used to predict critical success factors. A key constraint to program recruitment was found to be farmers’ perception of harvest security, even when their needs for technology and planting materials are met. Modelling also cast doubt on the usefulness of written extension materials and emphasised the necessity for extended face-to-face technical assistance. Although conducted in Leyte, the findings of this research provide guidance for issues which affect the adoption of agroforestry both in the Philippines and in other countries. The research found that it was possible to recruit and motivate farmers without providing material incentives. If farmers experienced unexpected problems, providing extended face-to-face contact and assistance was critical if catastrophic losses of participating farmers were to be avoided. The failure of attempts to introduce advanced-age silviculture also indicated a need to elicit farmers’ mental models as a precursor or parallel enquiry to extension activities. In a situation where little was initially known about farmers’ understanding of agroforestry technology or the variables which affect their acceptance or rejection of extension assistance, the results of this research have shown that it is possible to build the capacity of farmers to establish timber trees. This result is in contrast to the acknowledged failure of the logging concession system in the Philippines and the difficulties faced by some industrial plantations and community-based programs. This investigation has shown that an opportunity exists to lift the level of tree planting in Leyte, provided that system variables which are either critical success factors or impediments are addressed.