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.

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.

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 pessières noires à mousses de la forêt boréale du Québec représentent près de 27% du territoire total québécois et se sont historiquement renouvelées selon un régime naturel de feux. Plus récemment, les coupes forestières totales ont graduellement laissé la place aux coupes avec protection de la régénération et des sols, qui limitent la circulation de la machinerie à des sentiers de débardage régulièrement espacés. Suite à l'ouverture du couvert forestier par la coupe forestière, les éricacées du sous-étage peuvent compromettre la régénération et la croissance de l'épinette noire. Dans le contexte de la recherche de stratégies d'aménagement forestier qui s'inspirent du régime des perturbations naturelles, l'objectif de cette thèse était de comparer les patrons spatiaux et temporels des propriétés physico-chimiques et microbiologiques du sol organique, de la taille, de la densité et de la régénération de l'épinette noire, et du recouvrement et de la biomasse aérienne des éricacées après feu et après coupe, dans la pessière noire à mousses. Nos résultats démontrent que les feux et les coupes ne laissent pas la même empreinte spatiale. Le feu est à l'origine des patrons à plusieurs échelles qui reflètent l'existence de zones brûlées à différentes intensités. La coupe impose une structure répétitive où les propriétés du sol et de la végétation sont différentes selon la zone occupée sur le parterre de coupe (i.e., sentiers de débardage ou zones de protection). En modifiant les processus et les propriétés du sol, ainsi qu'en affectant la distribution spatiale et la croissance de l'épinette noire selon les différentes zones d'occupation, les éricacées contribuent à maintenir les différences existantes (a) entre les sentiers et les zones de protection, et (b) à l'intérieur des zones de protection, entre les agrégats (i.e., patches) que les éricacées occupaient avant la coupe et les zones où le couvert forestier était fermé. Ces différentes signatures spatiales après feu et après coupe ne convergent pas à long-terme (62-98 ans). Cette thèse constitue un travail de recherche multidisciplinaire qui a apporté des connaissances originales concernant l'adéquation des méthodes numériques aux problématiques écologiques, l'écologie spatiale de la régénération des éricacées et la compréhension des régimes des perturbations naturelles et anthropogéniques, qui est une étape fondamentale au développement raisonné de l'aménagement écosystémique.

L'augmentation des superficies forestières permet d'atténuer les changements climatiques en augmentant les puits de carbone en forêt et en assurant un apport soutenu en produits du bois sur les marchés. Le présent projet visait à quantifier le potentiel d'atténuation du boisement et du reboisement de territoires improductifs au Québec, considérant l'approche du bilan de carbone intégrée (forêt, produits du bois et substitution). Les analyses effectuées dans le cadre de l'étude nous ont permis d'évaluer le potentiel d'atténuation des changements climatiques du boisement et du reboisement des dénudés secs et des brûlis mal régénérés retrouvés dans le domaine bioclimatique de la pessière à mousses et des friches agricoles situées dans le domaine bioclimatique de la sapinière à bouleau jaune. Les résultats suggèrent que les plantations sans récolte ont généré, à l'âge de maturité, un plus grand potentiel de séquestration du carbone en forêt alors que les plantations récoltées prennent plusieurs décennies pour récupérer la perte de carbone engendrée par la récolte forestière. Cette dette peut être compensée que si une partie du bois récolté est convertie en produits du bois de longue durée et avec un effet de substitution élevé. Le besoin de données empiriques sur le taux d'accumulation du carbone par la succession végétale sur les friches agricoles en l'absence de boisement a été souligné afin de mieux quantifier le scénario de référence. L'intégration de l'impact des changements climatiques sur la croissance des plantations en fonction de trois projections de forçage radiatif (RCP 2.6, RCP 4.5 et RCP 8.5) montre que le potentiel d'atténuation des scénarios de boisement avec pin gris sur les dénudés secs et avec pin rouge sur les friches agricoles permettent une séquestration du carbone significative. Le choix des essences à planter et la stratégie d'aménagement forestier ont un impact plus important sur les stocks de carbone que l'impact des changements climatiques sur la croissance des arbres. Finalement, le climat a eu un impact sur la quantité et la qualité du panier de produits du bois en faisant varier le diamètre à hauteur de poitrine (DHP) des tiges récoltées en fonction des différents scénarios de forçage radiatif. L'augmentation de la proportion des produits du bois à longue durée retarde les émissions de GES dans le temps, mais produit davantage d'émissions de méthane (CH₄) en raison de la décomposition sous conditions anaérobies. Le recyclage des produits du bois en fin de vie à des fins de bioénergie a permis de réduire considérablement les émissions en évitant complètement la décomposition dans les dépotoirs. La présente étude a permis de mieux comprendre le rôle des plantations en tant que stratégie d'atténuation pour contribuer aux objectifs nationaux de réduction des émissions de GES en plus de préciser le rôle de l'intensification de la production ligneuse en matière d'atténuation des changements climatiques. / Increasing forest area can mitigate climate change by increasing forest carbon sinks and ensuring a sustained supply of wood products to markets. This project aimed to quantify the mitigation potential of afforestation and reforestation of unproductive territories in Quebec, considering the forest sector value chain (forests - products - markets). This study allowed us to evaluate the climate change mitigation potential of afforestation and reforestation of open woodlands and poorly regenerated burns in the spruce-moss bioclimatic domain and of abandoned farmlands in the balsam fir-yellow birch bioclimatic domain. The results showed that afforestation without harvesting generated a greater potential for forest carbon sequestration when plantations reached maturity, whereas harvested plantations take several decades to recover the carbon loss generated by forest harvesting. This debt can only be offset if some of the harvested wood is converted into long-lived wood products with a high substitution effect. The need for empirical data on the rate of carbon accumulation by natural succession on abandoned farmlands in the absence of afforestation was emphasized to better quantify the baseline scenario. Integrating the impact of climate change on forest growth under three radiative forcing projections (RCP 2.6, RCP 4.5, and RCP 8.5) showed that the mitigation potential of afforestation scenarios with jack pine on open woodlands and red pine on abandoned farmlands provided significant carbon sequestration. The choice of species to be planted and the forest management strategy had a greater impact on carbon stocks than the impact of climate change on tree growth. The quantity and quality of the basket of harvested wood product varied due to the impact of climate on the diameter at breast height (DBH) of harvested stems. Increasing the proportion of long-lived wood products delayed GHG emissions over time but produced more methane (CH₄) emissions due to decomposition under anaerobic conditions. Cascading use of wood products at their end of life into bioenergy conversion had significantly reduced emissions by avoiding decomposition in landfills. This study provided a better understanding of the role of afforestation and reforestation as mitigation strategies to contribute to national GHG emission reduction goals and to clarify the role intensification of wood production in climate change mitigation.