Dynamique passée de la forêt boréale coniférienne

Dynamique passée de la forêt boréale coniférienne

L’étude de la dynamique holocène (depuis 11 700 ans) du climat, des incendies de forêts et de la végétation peut nous permettre d’anticiper les trajectoires écologiques amorcées par les changements climatiques en cours. Différentes configurations climatiques ont prévalu dans le passé nous permettant, à partir de données simulées et reconstruites, d’étudier un large panel d’interactions entre le climat, les feux et la végétation au cours du temps.
La genèse de la plupart des lacs du nord-est de l’Amérique du Nord remonte à la dernière déglaciation et, selon le cas, au retrait des lacs et des mers proglaciaires, il y a environ 7000 à 8000 ans (Figure 1.2; Dyke, 2004). L’accumulation continue de sédiments depuis leur création a permis la séquestration et la conservation de nombreux bio-indicateurs dont, entre autres, les charbons de bois et les grains de pollen. Ceux-ci ont été utilisés pour reconstruire 1′ histoire des feux et de la végétation autour des lacs. Pour chaque séquence lacustre, des datations au 14C ont été effectuées sur des macrorestes végétaux ou de la gyttja. Ces datations ont été étalonnées pour produire un modèle âge-profondeur ‘classique’ (Blaauw, 2010a) ou bayésien (Parnell et al., 2008)
afin d’inférer un âge probable aux différents niveaux sédimentaires analysés (Figure 1.2).

 Reconstitutions des paléo-incendies à partir des charbons de bois

Le régime de feux passé a été caractérisé à travers la fréquence des feux (occurrence), la quantité de biomasse et la surface qu’ils ont brûlées. Pour cela, les charbons de bois de taille macroscopique (> 160 ).lm) ont été mesurés en superficie (mm2.cm-3) ou en nombre (#.cm-3) à partir de sous-échantillons de 1 cm3 de volume extraits en continu le long des séquences sédimentaires. Ces données ont été transformées en taux d’accumulation de charbons (CHAR: mm2.cm2.an-1) en multipliant la concentration en charbons de bois de chaque niveau (mm2.cm-3) par le taux d’accumulation sédimentaire ( cm.an-1) déduit des modèles d’âge. L’histoire de la biomasse brûlée totale des sites est reconstruite à partir des valeurs de CHARs (Blarquez et al., 2014). La détection des évènements de feux passés de chaque lac utilisé pour reconstruire leur histoire en terme de fréquence de feux s’effectue grâce au programme CharAnalysis développé par
Higuera et al. (2009), disponible en libre accès (https://sites.google.com/site/charanalysis/).
Pour chaque région étudiée (ouest, centre et est), les données portant sur l’histoire de chacun des sites ont été compilées afin d’obtenir l’histoire régionale de la biomasse brûlée (Ali et al., 2012a; Blarquez et al., 2014) et de la fréquence des feux (RegFF; Blarquez et al., 2013; 2014). La taille des feux à l’échelle régionale (FS index) est une approche semi-quantitative obtenue par le ratio RegBB!RegFF (Ali et al., 2012a).
Notre démarche visant à reconstituer les activités de feux à une échelle spatiale régionale, et non locale, repose sur le fait que les particules de charbons de bois dans les sédiments peuvent provenir de feux qui ont eu lieu au-delà du bassin versant du lac étudié. En effet, même si les charbons de bois séquestrés dans les dépôts lacustres proviennent majoritairement de feux qui se sont produits jusqu’à 10 km des abords du lac (Clark et Royall, 1996; Higuera et al., 2007a, 2009 ; R. Kelly et al., 2013), plusieurs études ont montré que des particules de charbon peuvent être transportées sur de longues distances, et ce, même au-delà de 30 km (Clark et al., 1998 ; Pisaric, 2002; Tinner et al., 2006; Oris et al., 2014). De ce fait, les sédiments lacustres peuvent renfermer des charbons 1ssus de feux locaux et régionaux qm sont difficiles à discriminer.
Réussir à détecter uniquement les feux locaux pourrait pourtant nous aider à mieux comprendre l’importance de certains facteurs sur l’activité de feux. En effet, plusieurs études montrent que des facteurs locaux comme la météorologie, le relief, le type de sol ou encore le type de végétation peuvent significativement impacter le régime de feux à l’échelle locale (Colombaroli et Gavin, 2010; Dunnette et al., 2014; Gavin et al., 2006a; Gemies et al., 2012a; Senici et al., 2013a). Des efforts ont donc été déployés au cours des dernières années pour améliorer la détection des ‘vrais feux
locaux’ (Asse lin et Payette, 2005; Finsinger et al., 2014; Gavin et al., 2006a; Higuera Gavin et al., 2010a). Parmi ceux-ci, la méthode de distribution des tailles de charbons (CSD) développée par Asselin et Payette (2005) a été élaborée pour discriminer les feux régionaux des feux locaux. Cette méthode se base sur l’hypothèse que les événements de feux locaux, contrairement aux feux régionaux, engendrent un dépôt plus important de gros charbons que de petits charbons dans le lac avoisinant (Clark et al., 1998; Gardner et Whitlock, 2001; Whitlock et Larsen, 2002; Lynch et al., 2004).
Ainsi, un événement de feu local est détecté à partir de la pente de la régression linéaire de la distribution de taille de particules de charbons dans le ‘pic’ de charbons détecté comme étant un évènement de feu passé (Clark et al., 1998). Cette pente doit se situer au-dessus d’une valeur seuil calculée à partir de ‘pics’ de charbons reconnus comme étant des événements de feux locaux récents enregistrés, par exemple, par les cicatrices de feux sur des arbres à proximité du lac (Brossier et al., 2014; Oris et al., 2014).
Cependant, cette valeur seuil unique entre -1.5 et -2.2, déduite de l’étude de quelques feux récents, peut être problématique car elle ne prend pas en compte l’impact des processus taphonomiques (fragmentation et dispersion de gros charbons dans les niveaux sédimentaires adjacents) qui ont pu varier et moduler l’enregistrement des gros charbons de bois dans les sédiments. Ainsi, il suffit qu’un pic soit formé d’un seul gros charbon ou d’une plus grosse proportion de charbons de tailles moyennes plutôt que de petites tailles pour que la pente soit supérieure à la valeur seuil requise. Deux verrous méthodologiques doivent donc être levés dans l’objectif de créer une méthode
améliorée de détection des feux locaux. Le premier nécessite de parvenir à introduire un seuil non pas unique comme c’était le cas pour la méthode CSD, mais fluctuant selon les variations temporelles de production et de séquestration des gros charbons dans les dépôts lacustres. Le deuxième verrou, reprenant 1 ‘hypothèse de base de la méthode CSD, consiste à conserver un nombre minimum de charbons totaux et de gros charbons dans le ‘pic’ pour que celui-ci puisse être considéré comme un événement de feu local. Oris et al. (2014) ont montré que les feux locaux produisent une proportion de gros charbons de bois (> 0.1 mm2) plus importante que les feux régionaux. Cette métrique servira de point d’ancrage pour développer les améliorationsméthodologiques attendues.

Reconstitutions des paléovégétations à partir des grains de pollen

Pour reconstruire les paléovégétations, les grains de pollen séquestrés dans les sédiments lacustres ont été extraits suivant une version modifiée du protocole de (Faegri et Iversen, 1989a). Un minimum de 300 grains de plantes vasculaires terricoles (somme pollinique) a été compté et identifié à différents niveaux de la carotte sédimentaire afin de reconstruire 1 ‘histoire de la végétation au cours de 1 ‘Holocène à une résolution temporelle inférieure à 150 ans. Les changements rapides ayant eu lieu au sein du couvert végétal au cours du temps ont été caractérisés par la technique du taux de changement pollinique (Jacobson et Grimm, 1986). Les périodes de relative stabilité, quant à elles, ont été déterminées sur la base de « périodes polliniques » identifiées par des analyses de groupements stratigraphiquement contraints à partir du programme CONISS (Grimm, 1987a).
La fréquence et la taille des feux peuvent chacune influencer les dynamiques de végétation. De nombreux travaux ont caractérisé leurs conséquences sur les derniers siècles (Bergeron et al., 2004; Harper et al., 2002; Johnson, 1996) mais très peu l’ont fait à une échelle de temps plurimillénaire (Carcaillet et al., 2010; Kelly et al., 2013).
Comprendre l’influence de la taille et de la fréquence des feux sur les trajectoires de végétation au cours de 1 ‘Holocène, et ce, dans différentes régions, permettrait de renforcer les conclusions faites à l’échelle pluricentenaire et de mieux caractériser les dynamiques futures de la végétation en réponse à des changements dans le régime des feux.

Simulations du climat passé

Les modèles de circulation générale (MCGs ), basés sur des équations permettant de simuler les processus et circulations océaniques et atmosphériques, sont utilisés pour étudier les climats passés et futurs. Le modèle climatique anglais du H ad ley Centre (HadCM3 ; Singarayer et V aides, 201 0) fait partie des modèles utilisés dans les rapports d’évaluation du Groupe d’experts intergouvernemental sur les changements climatiques (GIEC-IPCC; éditions 2001 et 2007). De plus, les données issues des simulations paléoclimatiques fournies par le Programme de modélisation atmosphérique mondial des universités britanniques (UGAMP) à partir de ce MCG ont
déjà été utilisées dans plusieurs zones de la forêt boréale canadienne (Ali et al., 2012; Blarquez et al., 2015; Girardin et al., 2013; Hély et al., 2010). Ces études ont permis de tester la cohérence des données de sorties et de mettre en évidence les limites de ce modèle dans cette zone.

Table des matières

AVANT-PROPOS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES AB RÉ VIA TI ONS
RÉSUMÉ
CHAPITRE I INTRODUCTION GÉNÉRALE
1.1 Régions d’étude
1.2 Dynamique passée de la forêt boréale coniférienne
1.2.1 Reconstitutions des paléo-incendies à partir des charbons de bois
1.2.2 Reconstitutions des paléovégétations à partir des grains de pollen
1.2.3 Simulations du climat passé
1.3 Objectif de la thèse
CHAPITRE II WILDFIRE SIZE ALTERS LONG-TERM VEGETATION TRAJECTORIES
IN BOREAL FORESTS OF EASTERN NORTH AMERICA
2.1 Abstract
2.2 Résumé
2.3 Introduction
2.4 Material and methods
2.4.1 Study area
2.4.2 Sediment sampling and chronologies
2.4.3 Fire history reconstructions
2.4.4 Reconstructions of vegetation dynamics
2. 4. 5 Statistical analyses
2.5 Results
2. 5.1 Fire histories
2.5.2 Vegetation dynamics
2.5.3 Statistical relationships between fire activity and vegetation
2.6 Discussion
2.6.1 Fire activity
2.6.2 Vegetation trajectories
2. 7 Conclusion
2.8 Acknowledgments
2.9 References
CHAPITRE IIIDIFFERENT REGIONAL CLIMATIC DRIVERS OF HOLOCENE LARGE
WILDFIRES IN BOREAL FORESTS OF NORTHEASTERN AMERICA
3.1 Abstract
3.2 Résumé
3.3 Introduction
3.4 Materials and methods
3.4.1 Study are a
3.4.2 Fire-history reconstructions
3.4.3 Climate data
3.5 Results
3.5.1 Fire historie
3.5.2 Past climate
3.5.3 Fire-climate relationships
3.6 Discussion
3.6.1 7000-3000 BP
3.6.2 3000-1000 BP
3.6.3 1000 BP to present-day
3. 7 Conclusion
3.8 Acknowledgments
3. 9 References
CHAPITRE IV IMPROVING DETECTION OF LOCAL FIRE EVENTS IN LACUSTRINE
DEPOSITS WITH ANALYSIS OF LARGE CHARCOAL COUNTS
4.1 Abstract
4.2 Résumé
4.3 Introduction
4.4 Material and methods
4.4.1 Study area
4.4.2 Sampling design and charcoal quantification
4.4.3 Chronological setting and fire event reconstructions
4.4.4 Identifying true local fire events
4.5 Results and Discussion
4.5.1 Insights from the LCC method for identifying local fire events
4.5.2 Which is the accurate method to detect local fire events?
4.5.3 Recommendations and limitations of the LCC method
4.6 Acknowledgments
4. 7 References
CHAPITRE V CONCLUSION
5.1 Les origines complexes des grands feux
5.2 Trajectoires de végétations futures
5.3 Une nouvelle façon d’appréhender les recherches sur les paléofeux et les
paléovégétations …………..

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