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.

La coupe mosaïque est l’une des approches utilisées dans l’aménagement des forêts du Québec afin de diminuer l’impact des coupes à blanc et d’augmenter la rétention de forêts matures. Or, l’impact de cette méthode sur les dommages causés par le vent est méconnu. Cette étude cherche donc à définir l’effet du patron de dispersion des coupes et des variables du milieu sur l’incidence du chablis dans les lisières. Le territoire soumis à l’étude est situé environ à 150 kilomètres au nord du lac Saint-Jean (Québec, Canada) à l’intérieur du sous domaine de la pessière à mousse de l’est. Le chablis a donc été inventorié dans les lisières boisées d’un secteur de coupe conventionnel et dans un secteur en mosaïque, à l’aide de parcelles échantillons de 10 mètres par 50 mètres. L’inventaire de terrain a été appuyé par un inventaire cartographique afin d’évaluer le chablis à l’échelle du patron de coupe. Ainsi, la photo interprétation du chablis en bordure de coupe a été réalisée à partir de photographies aériennes 1 : 10 000. Suite aux analyses, les variables explicatives à l’échelle de la lisière sont l’espacement, la hauteur, le type de lisière, la composition forestière et le diamètre. Les données de la photo interpétation permettent ensuite d’estimer les pertes de volume associées à chaque patron de coupe. Sur une profondeur de 30 mètres dans les lisières, la coupe conventionnelle subit une perte supérieure de 10%. Les conséquences pour l’aménagement sont finalement discutées. / Mosaic cut is one of the patterns used in Québec forest management to reduce the impacts of clearcutting and to increase the retention of mature forest. However, the global effect of mosaic cut pattern on windthrow losses has yet to be gauged. The aim of this research is to define the impact of the dispersion cut pattern on winthrow losses and to identify the variables that have an incidence on winthrow within forest edges. The study area was 150 km north of lac Saint-Jean (Québec, Canada) in even aged black spruce forest. Windthrow was inventoried in edges of conventionnal cut and in edges of mosaic cut with experimental plots of 10 meters large and 50 meters long. A cartographic survey was also conducted. Thus, windthrow photo interpretation in edges was done using 1: 10 000 scaled photos. After the analyses, spacing, height, edge type, species composition and diameter turned out to explain significantly windthrow at the edge scale. Photo interpretation data allowed the estimation of windthrow losses for each cut pattern. Within 30 meters inside the edges, losses are 10% more important on the conventional cut pattern. Consequences for management are then discussed.

Comme ailleurs en Amérique du Nord, le Québec a pris le virage de l’aménagement forestier écosystémique, basé sur l’émulation des perturbations naturelles afin de diminuer l’impact de la récolte forestière sur les écosystèmes. En imitant les perturbations naturelles en sévérité, fréquence et répartition spatiale, l’aménagement écosystémique vise à garder l’écosystème forestier à l’intérieur de ses limites de variabilité naturelle. Dans la pessière noire à mousses, la principale perturbation naturelle étant le feu, l’aménagement écosystémique pour cet écosystème implique la réalisation de très grandes coupes de type totale. Toutefois, cette forme particulière d’aménagement écosystémique pourrait rencontrer des défis d’acceptabilité sociale en raison de la taille et du type des coupes en résultant puisque les grandes coupes à blanc sont très mal perçues par la population. Afin d’assurer la réussite de l’aménagement écosystémique pour cet écosystème et de répondre aux exigences de l’aménagement forestier durable, il importe d’en documenter l’acceptabilité sociale et au besoin, de le moduler afin de répondre aux valeurs de la population. Ce projet de recherche investigue la perception de l’aménagement écosystémique de la pessière noire qu’ont les utilisateurs du milieu forestier, les parties prenantes impliquées dans un processus de participation à la planification forestière et de gens non affiliés, de type grand public. Dans un premier temps, pour chacun de ces groupes, l’acceptabilité des paysages résultant de possibles traitements sylvicoles écosystémiques est documentée, sur le plan visuel à l’aide d’un sondage. Il en ressort que certains traitements de rétention variable atténuent efficacement les impacts visuels des agglomérations de coupes dans le moyen plan. Dans un deuxième temps, l’acceptabilité de la stratégie est explorée auprès des parties prenantes au processus de participation via des entretiens individuels. La stratégie s’est révélée assez accepta le, surtout en comparaison des options actuelles, quoique des modulations semblent nécessaires pour les territoires fauniques structurés. Finalement, la perception de la stratégie par des répondants de type grand public est investiguée au moyen de groupes de discussion. Les résultats démontrent que les répondants se sont appropriés les bases de l’aménagement écosystémique et ont identifié des balises afin de construire l’acceptabilité sociale de la stratégie en pessière. / Quebec has recently embarked on the transition toward ecosystem management, which is la type of forest management that is based on the emulation of natural disturbances in order to decrease the impacts of timber harvesting on the ecosystem. By mimicking natural disturbances in severity, frequency and intensity, ecosystem management aims at keeping the ecosystem within the limits of its natural variability. In the black spruce forest, where the main natural disturbance is wildfire, ecosystem management is implemented in the form of extensive harvests in which all mature trees are cut. While this form of management has a strong environmental component, it faces social acceptability challenges given that people generally dislike large-scale clearcutting. Therefore, the long-term success of ecosystem management in the boreal black spruce forest will depend on the degree to which it can respond to and adapt to the population’s values where required. The population maintains a wide range of relationships with this ecosystem and can be divided into three main groups: forest users, stakeholders involved in a participative planning process, and unaffiliated and uninformed members of the general public. This research project investigates the diverse perceptions of ecosystem management held by each of these three groups. Conducted as a survey, the first part of the study examined the visual acceptability of ecosystemic sylvicultural treatments, and found that certain variable retention treatments were considered to be able to mitigate the agglomerations’ visual impacts in the middle ground. Then, the acceptability of ecosystem management strategy, as already implemented as a pilot project, is explored for the stakeholders by means of individual interviews. Here, ecosystem management, as a strategy for the black spruce forest, was well received, especially in comparison to the available alternatives and despite a high demand for adjustments in the case of controlled wildlife territories. Finally, the social perception of the ecosystem management strategy for unaffiliated and uninformed general public type people is explored through focus groups. Results show that participants were able to fully understand the theoretical basis of ecosystem management and to identify milestones enabling to build the strategy’s social acceptability for the black spruce forest.

Ce projet de doctorat concerne deux enjeux de biodiversité majeurs identifiés ces dernières années en forêt boréale : la raréfaction des vieilles forêts et la raréfaction du bois mort. Le maintien des vieilles forêts et des arbres morts est incompatible avec le système d'aménagement actuel, dominé par la pratique de la coupe avec protection de la régénération et des sols (CPRS). Le rajeunissement des forêts boréales selon une rotation des coupes de l'ordre de 80 à 100 ans empêche le vieillissement des forêts et des arbres qui les composent au-delà de la maturité. Cette normalisation de l'âge des forêts compte pour une grande part de la perte de biodiversité associée à l'exploitation des forêts. Plusieurs taxons spécialisés s'en retrouvent directement menacés. C'est le cas des lichens et bryophytes et plus particulièrement des espèces associées aux arbres morts, dites épixyliques. Ce projet vise à fournir les informations pertinentes à l'élaboration d'une stratégie d'aménagement qui intégrerait le maintien des vieilles forêts et de la biodiversité associée pour le domaine bioclimatique de la pessière noire à mousses. Dans un premier temps, les exigences d'habitat des épixyliques sont utilisées pour identifier les conditions écologiques critiques des vieilles forêts pour la biodiversité. L'étude de leur répartition dans un secteur dominé par les pessières noires, au nord du Lac-Saint-Jean, a permis d'identifier les types de pessières à plus haute valeur de conservation. Les vieilles pessières noires à sapins de structure bi-étagée et irrégulière s'avèrent être des refuges uniques pour les épixyliques. Ces deux types de pessières offrent des conditions d'habitats que l'on attribut généralement aux forêts anciennes : la présence d'arbres de différentes tailles, d'âges divers et se présentant sous une diversité d'états de vitalité et de décomposition. Cette comparaison des types de pessières noires a permis de distinguer les « vieilles » pessières des pessières « anciennes » sur la base de leur structure et de leur contribution différente à la biodiversité. L'ancienneté structurale des vieilles pessières noires à sapins a été validée à l'échelle régionale par l'analyse des données sur la stratification verticale de la végétation provenant des placettes de l'inventaire écologique du ministère. Leur répartition selon le contexte biophysique a également été analysée. La présence de vieilles pessières noires à sapins mise en relation avec des variables biophysiques du paysage régional montre l'influence du contexte topographique sur leur répartition. Les reliefs de collines et de hautes collines concentrent une plus grande proportion de ces forêts que les reliefs de plaines ou de coteaux. Ces informations permettent de guider l'implantation de stratégies sylvicoles adaptées aux vieilles forêts dans les zones qui en valent la peine, soit, en pessière noire à mousses, dans les zones plus propices au développement de pessières qui tiennent le rôle de forêts anciennes pour la biodiversité. Finalement, une stratégie de rétention variable adaptée aux forêts anciennes est proposée. Elle combine à la fois la rétention d'îlots de forêts anciennes intactes et la rétention de structures dispersées dans le parterre aménagé au pourtour des îlots. Les premiers agissent comme habitats sources de propagules, les seconds assurent la connectivité et le retour plus rapide des conditions d'ancienneté dans la forêt aménagée. / This project deals with two main issues at stake for biodiversity as identified these last years in boreal forest: the rarefaction of old forests and the rarefaction of dead trees. Maintaining old forests and dead wood is compromised in managed forests with the actual system dominated by the practice of clearcutting. Cutting cycle between 80 and 100 years do not allow forests and trees to get older than the age of maturity. This regularisation of forests age explain a large part of the lost of biodiversity in commercial forests. Many specialised taxa are directly threatened. This is the case for lichens and bryophytes, particularly species associated with dead trees (epixylics species). This project aims to provide practical information for working-out a management strategy that would include old forests and associated biodiversity and this, for the boreal black spruce domain. First of ail, habitat requirements of epixylics served at identifying critical ecological conditions of old forests for biodiversity. The study of their distribution in a sector dominated by black spruce forests, located North of Lac Saint-Jean, allowed the identification of black-spruce forests types with high conservation value. Black spruce-fir mixed forests types with two-story and irregular structures constitute unique refuges for these species because they provide ecological conditions that are generally credited to old-growth forest type: various size trees and different ages existing under various stages of vitality or decomposition. This comparison allowed the distinction between "old" and "old-growth" black-spruce types based on their different contribution to biodiversity. Old-growthness of black spruce-fir mixed forests have been validated at a regional scale by analysing vegetation vertical stratification data, taken from ecological inventory of the Ministry. Their distribution in regard of the biophysical context have also been analysed. The occurrence of these forests in relation with biophysical variables shows the influence of the topographic context on their distribution. Small and high hills districts concentrate a bigger proportion of old-growth forests than the plains or hillsides. This situation should drive the implementation of strategies suited to the old forest in zones witch are worth considering, i.e. zones more favourable for the development of old-growth forest types that have a higher conservation value. Finally, a variable retention strategy adapted to old-growth black spruce forests is proposed. It combines integral retention of small islands of old-growth forests and dispersal retention of critical structures in the managed space around these islands. First ones will act as propagules sources and the seconds will guarantee connectivity and the faster return of the old-growth conditions in the second-growth forests.

La forêt boréale d'Amérique du Nord est divisée en trois zones selon un gradient sud-nord : la forêt fermée (pessière à mousses), la forêt ouverte (pessière à lichens) et la toundra forestière. Par leur influence sur la régénération des arbres, le climat et le feu sont les principales forces directrices influençant ces trois zones distinctes. Nos connaissances et notre compréhension de l'évolution à long terme de la pessière à mousses sont limitées et incomplètes. De plus, les conditions favorables au maintien de la forêt fermée restent à connaître. Des données récentes suggèrent que les perturbations, incluant le feu et les épidémies d'insectes, peuvent mener à des transformations de la pessière à mousses en pessière à lichens. Au cours des 50 dernières années, un changement d'importance est survenu dans plusieurs parties de la zone boréale où la forêt fermée a été remplacée par la forêt ouverte. Cette étude a pour but de caractériser la structure de la pessière à mousses et de déterminer les conditions nécessaires à sa régénération et à son renouvellement. De plus, nous avons abordé la question de la stabilité de la pessière à mousses en zone nordique en fonction du temps et des types de perturbation. La recherche s'est déroulée dans le centre du Québec (Canada), entre 47°30' au 56°00' N et du 70°00' et 72°00' O. L'aire d'étude comprend les trois zones de la forêt boréale. La limite nordique des pessières à mousses se trouve vers 55° N au contact de la zone de la pessière à lichens et de la toundra forestière. Des photos aériennes ont été utilisées afin de cartographier la répartition et l'étendue de la pessière à mousses dans l'aire d'étude. Dix-neuf sites ont été sélectionnés aux fins d'échantillonnage le long du gradient latitudinal. Dans chaque site, tous les arbres ont été mesurés et les 10 plus grosses épinettes noires (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) ont été prélevées en vue d'une analyse des cernes de croissance et d'une analyse de tige. Les mêmes analyses ont été faites également chez les plus gros sapins baumier (Abies balsamea (L.) Mill.) de chaque site. L'effet du climat sur la croissance de l'épinette noire et du sapin baumier a aussi été évalué. Les traces laissées par les épidémies de la tordeuse du bourgeon de l'épinette ont été analysées à l'aide du programme OUTBREAK. Onze échantillons de profil de sol ont été décrits dans chaque site et la présence et la position des charbons de bois à la surface du sol ont permis d'évaluer le type de feux. Cinquante quatre échantillons de charbons de bois ont été datés à l'aide du C selon la technique AMS dans le but de déterminer le temps écoulé depuis le dernier feu (TDDF) dans chaque site. La végétation a été décrite et analysée à Laide de techniques d'ordination. Le TDDF des 19 sites varie de 118 à 4870 années calendaires et il est corrélé avec la latitude et l'altitude. Les charbons de bois analysés sont tous situés au contact du sol minéral, une indication que le dernier feu était suffisamment sévère pour consumer toute la matière organique. On a dénombré 62 espèces dans les 19 sites étudiés et leur présence était surtout influencée par la latitude. Contrairement à d'autres études, aucun changement n'a été observé chez les bryophytes en fonction du TDDF. Lorsque Ton tient compte de la distribution du diamètre des épinettes, les peuplements où le dernier feu remonte à plus de 325 ans montrent une structure de taille qui se rapproche d'une distribution polynomiale de troisième ordre, tandis que les peuplements de moins de 325 ans présentent une structure de taille simulant une distribution en J-inversé. La hauteur et la croissance radiale moyenne des épinettes sont associées par la latitude, le temps écoulé depuis le dernier feu et l'épaisseur de l'horizon organique. Le taux de croissance des arbre la première cohorte suivant un feu diminue avant d'atteindre le niveau de forêt mature. Deux chutes de croissance radiale, le premier en 1950 et l'autre à la fin des années 1970 et le début des années 1980, ont été observées chez l'épinette noire et le sapin baumier, lesquelles correspondent à des périodes d'infestation de la tordeuse du bourgeon de l'épinette. Aucune preuve de l'incidence d'épidémies de la tordeuse du bourgeon de l'épinette n'a été trouvée au nord du 51° N. La régénération continue et le ré-établissement de la pessière à mousses dépendent du passage de feux sévères qui brûlent complètement la matière organique à la surface du sol. La régénération initiale après un feu est cruciale pour le développement futur de la pessière à mousses. Nos données montrent que les pessières à mousse sont des écosystèmes fragiles qui font partie d'états alternatifs stables où les perturbations en rafale et/ou les feux qui ne consument pas complètement la matière organique au sol peuvent provoquer un changement d'état de la forêt, notamment le remplacement de la pessière à mousses par la pessière à lichens. Il est important de poursuivre les recherches afin de déterminer l'évolution dans le temps et l'espace des zones de végétation de la forêt boréale, notamment en considérant la nature, l'ampleur, la sévérité et la succession des divers types en considérant la nature, l'ampleur, la sévérité et la succession des divers types de perturbation qui les affectent.

La structure d'une pessière à lichens ancienne située à la limite des arbres dans la région de la rivière Boniface (570 45' N; 760 20' 0), au Québec nordique, a été caractérisée afin de mieux comprendre la dynamique spatio-temporelle de cet écosystème rare. Les arbres et les caractéristiques pédogénétiques des sols ont été étudiés pour décrire la forêt, reconstituer son historique au-delà du dernier feu et vérifier que ce peuplement est en équilibre avec le climat actuel en l'absence de perturbation (feu). La forêt s'est établie après un feu survenu il y a 950 ans et la radiodatation des charbons de bois du sol indique qu'il y aurait eu plusieurs épisodes de feux entre 2700 et 950 ans étal. BP. La fréquence des feux était d'environ 300 ans pendant cette période, alors qu'elle est nulle depuis le dernier feu. Les courbes de structure de taille (hauteur et diamètre) en J inversé indiquent que la forêt est ancienne et qu'elle est en équilibre avec le climat actuel en l'absence de feu. L'étude dendrochronologique a permis de dater l'époque de vie des arbres. Depuis le dernier feu, les épinettes se sont établies à toutes les époques. La longévité des individus, variant généralement entre 150 et 350 ans, indique que les individus vivant présentement dans le site ne sont pas issus de la première cohorte après feu. Par contre, peu de reproduction par des graines, permettant l'établissement de nouveaux individus à une grande distance des parents, a été observée. La forêt se maintient plutôt grâce au marcottage en l'absence de feu et les épinettes issues de marcottes se trouvent toujours à proximité de l'individu-mère. La distribution du couvert végétal est donc relativement stable depuis 950 ans. On a observé que la stabilité du couvert en un endroit donné favorise la différentiation des sols qui sont davantage podzolisés sous les épinettes (podzol humoferrique) que sous les lichens (brunisol dystrique éluvié). Toutefois, depuis l'installation de la forêt, il y a plutôt eu une uniformisation du degré de podzolisation des sols causée par le déplacement des épinettes et des lichens suite à chacun des feux qui se sont produits entre 2700 et 950 ans étal. BP.