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À la recherche de l’aménagement durable en forêt boréale : croissance, mortalité et régénération des pessières noires soumises à différents systèmes sylvicoles

Montoro Girona Francisco Miguel. (2017). À la recherche de l’aménagement durable en forêt boréale : croissance, mortalité et régénération des pessières noires soumises à différents systèmes sylvicoles. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Le Canada est le troisième pays du monde en termes de surface forestière avec 347 millions d'hectares. Jusqu’à aujourd’hui, le traitement sylvicole le plus utilisé a été la coupe totale représentant 93% de la surface récoltée dans la forêt boréale canadienne. Les impacts de cette méthode de coupe sur la simplification des structures du peuplement, la perte de biodiversité et la durabilité de cette forêt sont bien connus. De ce fait, l’aménagement forestier écosystémique propose les coupes partielles comme alternative afin d’intégrer les objectifs écologiques, économiques et sociaux dans la planification sylvicole de façon à atteindre l’aménagement durable de la forêt boréale. Pour la mise en oeuvre de l'aménagement écosystémique, les coupes partielles sont de plus en plus utilisées comme traitement sylvicole pour l'exploitation forestière. Pourtant, il y a encore des modalités de coupes partielles qui ne sont pas suffisamment connues et étudiées dans le contexte de la forêt boréale canadienne, comme les coupes progressives régulières (CPR). La CPR est un système sylvicole classique qui n’a pas de forme adaptée à la forêt boréale et son application est jusqu’à maintenant demeurée marginale. Celle-ci vise la régénération des peuplements équiennes par l’installation de semis sous couvert avant la coupe finale, grâce à l’ouverture progressive du couvert instaurée par les coupes partielles. Ce système sylvicole à une approche prometteuse pour favoriser la croissance des arbres résiduels, car il crée les conditions nécessaires à la maximisation de la production résineuse. En conséquence, le développement de projets de recherche qui visent à étudier les réponses des peuplements soumis aux CPR sont nécessaires afin de trouver des alternatives d’aménagement et d’aborder un des plus grands défis de la foresterie canadienne : le développement durable de la forêt boréale. L’objectif principal de cette thèse de doctorat consiste à «évaluer l'effet à moyen terme des différents traitements de CPR sur la croissance, la mortalité et la régénération comme alternative sylvicole dans le cadre de l’aménagement forestier écosystémique des pessières noires boréales». Pour y répondre, 3 axes d’étude ont été créés pour étudier les réponses des forêts 10 ans après coupe: 1) Croissance des arbres résiduels, 2) Mortalité après coupe et 3) Régénération et croissance des semis. Notre dispositif expérimental est, à plusieurs égards, unique au monde, notamment parce qu’il est le premier concernant la CPR sur les pessières noires, et le premier portant sur des modalités adaptées aux opérations mécanisées. Il a été établi en 2003-2004, dans des peuplements matures et équiennes d’épinette noire au nord du Saguenay et sur la Côte-Nord. Le dispositif a pris en compte deux types de structure de forêts : denses et ouvertes. Il est composé de six blocs d’étude comprenant chacun trois traitements expérimentaux de CPR, une coupe totale, une réserve de semencier et un témoin sans intervention sylvicole. Des parcelles permanentes d’échantillonnage ont été établies avant coupe, ainsi qu’un suivi des sujets d’étude pendant 10 ans suite à l’intervention. Après l'intervention sylvicole des trois traitements de CPR et la réserve de semencier, les arbres résiduels ont enregistré une augmentation de la croissance radiale. Cet accroissement a été encore plus prononcé dans les peuplements jeunes et denses ainsi que dans les arbres localisés en bordure du sentier de récolte. Grâce à cette étude, l’effet bordure sur la croissance a été déterminé pour la première fois dans des peuplements équiennes d’épinette noire. Notre étude dendrochronologique a confirmé que tous les traitements de CPR ont été efficaces en termes de croissance radiale et sont influencés par : l’âge, la position spatiale, le diamètre, le traitement et le temps. Cependant, moins de 50% de la variation de la croissance des arbres après coupe a été expliquée. En conséquence, une autre étude avec une nouvelle méthodologie a été développée pour mieux comprendre la variabilité de la croissance, en utilisant des modèles individuels non linéaires. Cette nouvelle approche a réussi à caractériser la grande hétérogénéité des réponses des arbres en quatre patrons de croissance, lesquels ont été interprétés et décrits selon la théorie écologique en identifiant les facteurs impliqués. Cette méthodologie a permis de mieux comprendre la croissance de l’épinette noire après coupe partielle en expliquant entre 61 et 80% de la variabilité des arbres. L’étude de mortalité de ce projet de recherche est l’une des seules qui possède un gradient de coupe en forêt boréale, variant de 0 à 75% d’intensité de coupe. Les résultats révèlent que, 10 ans après traitement, les CPR étudiées montrent un niveau de mortalité entre 15 et 20% plus élevée que celle du témoin. Ces valeurs sont proches de la mortalité naturelle dans la région d’étude. En conséquence, les CPR ont minimisé les pertes après traitement, en comparaison avec la réserve de semencier qui ont enregistré des valeurs de mortalité d’environ 60% des arbres résiduels. 80% de la mortalité après coupe a été causée par des chablis et l’intensité de coupe a été l’un des facteurs principaux dans ce phénomène écologique. L’une des grandes contributions de cette étude a été la considération des types de mortalité (arbres cassés, renversés et morts debout), car la majorité des études précédentes n’ont pas pris en compte cette différentiation. Cette étude a également mis en évidence que ces types de mortalité sont des processus écologiques différents à considérer lors de future recherches. Ce design expérimental est l'un des rares dispositifs qui permet l’étude de la régénération 10 ans après l’intervention sylvicole dans le cadre de la foresterie québécoise, surtout grâce à l’incorporation des variables lumière et substrat dans la méthodologie. Cette recherche a déterminé que les CPR et la réserve de semencier sont des traitements capables de promouvoir et d’établir des niveaux de densité de régénération adéquats pour garantir la persistance des pessières noires. Nos analyses ont montré que la régénération de l’épinette noire est dépendante en grande majorité du substrat mais pas de la lumière, car le scarifiage a été le lit de germination le plus efficace pour favoriser l’établissement de semis. Cette étude a permis de mieux comprendre le processus de régénération des pessières noires et les facteurs qui conditionnent la croissance et la densité des semis après coupe partielle. La présente thèse démontre que les CPR sont une alternative sylvicole pertinente lors de l’implantation des stratégies d’aménagement forestier écosystémique en pessière noire. Les traitements étudiés ont promu la croissance des arbres résiduels, minimisé les pertes par chablis après coupe, en plus d’avoir favorisé l’établissement de la régénération afin de maintenir les bénéfices écologiques et économiques en forêt boréale. Les contributions de ce doctorat représentent une avancée de la connaissance dans le domaine de la sylviculture boréale, et plus spécifiquement, sur l’évaluation des coupes partielles dans le contexte du développement durable des forêts.

Canada possesses the third largest forest cover in the world (347 MHA), and of the forest area that is harvested, 93% of logging is done by clear-cut methods. These cutting methods have serious impacts in terms of the simplification of stand structure, biodiversity, and the sustainability of forest ecosystems. Boreal forest ecosystem management proposes partial cutting as an alternative harvesting approach to better integrate the ecological, economical, and social objectives into silvicultural planning and to develop a sustainable forestry. Over the last 20 years, partial cutting treatments have been increasingly used for forest exploitation due to the implementation of ecosystem management strategies. However, for the Canadian boreal forest, the impacts of partial cutting treatments, for example shelterwoods, remain poorly known. Shelterwood is a traditional silvicultural system that has not yet been adapted to boreal forest conditions. Its application remains marginal, at present. Shelterwood aims is to regenerate even-aged stands, thanks to the gradual opening of the canopy created by the partial cuttings. This silvicultural system is a promising approach for promoting the growth of residual trees as it creates the necessary conditions for maximizing resinous production (more light, less competition, etc.). Thus, research into the response of stands subjected to shelterwood is vital for finding forest management alternatives that ensure the sustainable development of the boreal forest in Canada. The main objective of this PhD project is to determine the effect of different experimental shelterwood treatments on the growth, mortality, and regeneration of trees over the medium-term to evaluate shelterwood as a silvicultural alternative in the context of ecosystem management of black spruce forests". To answer this question, three study axes were created to assess forest responses 10 years after cutting: 1) growth of residual trees; 2) mortality after cutting; 3) regeneration and growth of seedlings. An experimental design was established in 2003–2004 in mature and even-aged black spruce stands in the northern portion of the Saguenay (Quebec) region and along Quebec’s north shore. This design analyzed six study blocks and two types of forest structure, dense and open stands. Each block had six experimental units: three experimental shelterwood treatments, a clear-cut, a seed-tree, and an untreated control. Permanent sampling plots were established prior to cutting and monitoring occurred for 10 years following the intervention. This experimental design is unique in many respects, especially as it is the first for assessing the shelterwood treatments in black spruce forests as well as being the first involving mechanized operations. After shelterwood and seed-tree treatments, the remaining trees showed increased radial growth. This increase was most pronounced in young and dense stands, as well as for trees located along the edge of skidding trails. This study also determined, for the first time, the edge effect on growth in even-aged black spruce stands. Dendrochronological analysis confirmed that all shelterwood treatments were effective promoting radial growth and that tree growth response after cutting was influenced by age, spatial position, diameter, treatment, and time. However, measured variables could only explain less than 50% of the variation in tree growth after cutting. As such, a new methodology using individual nonlinear models was used to better understand this variability. This new approach succeeded in summarizing the heterogeneity of tree response into four growth patterns. By identifying the factors involved, these patterns were then interpreted according to ecological theory. This methodology improved the understanding of the growth of black spruce after partial cutting, explaining between 61 and 80 % of the variability. The study of mortality of this research project is one of the few studies using a silvicultural gradient in the boreal forest, having a harvest intensity varying from 0 to 75 %. Trees in the shelterwood plots had a mortality level 15 to 20 % higher than that of the untreated control, 10 years after treatment. These values are similar to the natural mortality in the study area. Shelterwood techniques reduced post-treatment losses relative to seed-tree plots, which had mortality values of 60% for the residual trees. Most post-treatment mortality (80 %) was caused by windthrow and harvest intensity was one of the main factors related to this phenomenon. One of the major contributions of this study was the consideration of mortality types (broken, reversed, and standing dead) as most previous studies did not take this differentiation into account. This study showed that these types of mortality are affected by different ecological factors, making it necessary to include mortality type in similar future studies. This experimental design used in this thesis is one of a few, in the framework of Quebec forestry, that has studied regeneration 10 years following a silvicultural intervention, in particular incorporating light and substrate variables into the methodology. The study of forest regeneration has determined that shelterwood and seed-tree treatments can favour adequate regeneration density levels in black spruce forests. Black spruce regeneration was largely dependent on the substrate but not on the availability of light, as scarifying was the most effective germination bed for seedling establishment. This study provides a better understanding of the regeneration processes for black spruce stands and the factors that influence the growth and density of seedlings after partial cutting. This PhD thesis demonstrates that shelterwoods offer a silvicultural alternative that can be implemented into ecosystem forest management strategies for black spruce forests. The shelterwood approach promoted the growth of residual trees, minimized windthrow losses, and favoured regeneration thereby maintaining ecological and economic benefits for the boreal forest. The findings of this PhD advance our knowledge in the field, provide tools for forest managers involved in boreal silviculture and, more specifically, permit the evaluation of partial cutting in the context of sustainable forest development.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Septembre 2017
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en biologie
Nombre de pages:245
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie forestier
Sciences naturelles et génie > Sciences appliquées > Foresterie et sciences du bois
Sciences naturelles et génie > Sciences naturelles > Biologie et autres sciences connexes
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences fondamentales > Programmes d'études de cycles supérieurs en ressources renouvelables, environnement et biologie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Morin, Hubert
Lussier, Jean-Martin
Mots-clés:Black spruce, boreal forest, clear-cut, dendroecology, edge effect, forest ecology, forest ecosystem management, forestry yield, nonlinear models, mechanized operation, partial cuttings, seed-tree method, shelterwood system, sustainable development, silviculture, windthrow, aménagement forestier écosystémique, chablis, coupes partielles, coupes progressives régulières, coupe avec protection de la régénération et du sol, dendroécologie, développement durable, écologie forestière, épinette noire, effet bordure, forêt boréale, modèles non-linéaires, opération mécanisées, réserve de semencier, rendement forestier, sylviculture
Déposé le:07 nov. 2017 08:45
Dernière modification:08 nov. 2017 01:49
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