Impact ofpre-hatvest conditions on disturbance severity

Impact ofpre-hatvest conditions on disturbance severity

En Amérique du nord, la gestion des forêts publiques a progressivement évolué de la production de bois vers un aménagement basé sur la dynamique des écosystèmes. Le concept d’aménagement forestier écosystémique (AFE) a été développé dans le but de maintenir la santé et la capacité de résilience des écosystèmes en réduisant les différences entre les forêts naturelles et les forêts aménagées (Landres et al 1999; Gauthier et al. 2009). Selon Attiwill (1994) et Landres et al. (1999), l’intégrité des écosystèmes pourrait être maintenue à l’échelle du paysage en conservant les patrons de structure et de composition à l’intérieur de leur gamme de variabilité naturelle. À l’échelle du peuplement, l’aménagement écosystémique préconise l’utilisation de pratiques sylvicoles qui produisent des effets similaires à ceux créés par les perturbations naturelles (Seymour et Hunter 1999).

Une perturbation se définit comme toute altération de l’écosystème forestier ou de l’environnement physique par un agent naturel ou anthropique, qui affecte sa composition et sa structure (Pickett et White 1985). Les agents de perturbation naturelle tels que les épidémies d’insectes, les chablis et les pathogènes affectent principalement le couvert forestier, alors que les feux de forêt affectent à la fois le sol et le couvert forestier (Gauthier et al. 2009). Bien que la sévérité d’une perturbation influence l’effet post perturbation, les conditions avant perturbation influencent aussi cet effet post-perturbation. Par exemple, le taux d’humidité, la masse volumique et la profondeur de la couche organique influencent le degré avec lequel un feu brûle le sol forestier (Miyanishi et Johnson 2002).

Le feu est le type de perturbation naturelle le plus documenté en forêt boréale nordaméricaine, même si d’autres agents tels que les chablis et les épidémies d’insectes jouent un rôle important dans la dynamique forestière (Rowe et Scotter 1973; Bergeron et Harvey 1997).

Un feu sera caractérisé par une faible ou une forte sévérité dépendamment du total de couvert et de sous-couvert forestier qu’il aura consumé (Frelich et Reich 1998). Un feu de forte sévérité (durant lequel de nombreux arbres et une grande proportion de la couche organique sont brûlés) crée un environnement homogène avec des microsites de haute qualité qui sont nécessaires à l’établissement de la régénération et à la croissance d’espèces arborescentes telles que le peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michx.), le bouleau à papier (Betula papyrifera Marsh.), le pin gris (Pinus banksiana Lamb.) et l’épinette noire (Picea mariana (Mill.) BSP) (Greene et al. 1999; Simard et al. 2007). De plus, la combustion des racines d’éricacées durant un feu sévère entraine une diminution du couvert en éricacées après le feu (Gauthier et al 2009). Par conséquent, les feux sévères génèrent des peuplements denses et de structure équienne qui ont une fermeture de la canopée assez rapide et un sous-couvert dominé par les mousses (Pleurozium schreberi (Brid.) Mitt., Hylocomium splendens Hedw. et Ptilium cristacastrensis (Hedw.) De Not.; Simard et al. 2007). Dans certaines régions, à mesure que les peuplements vieillissent, ces mousses sont graduellement remplacées par des espèces de sphaignes de début de succession (Sphagnum capillifolium (Ehrh.) Hedw., Sphagnum russowii Wamst., Sphagnum girgensohnii Russ., et Sphagnum rubellum Wils.). Au fil du temps, l’augmentation de l’épaisseur de la couche organique, la remontée de la nappe phréatique et l’ouverture des peuplements favorisent le remplacement des sphaignes de début de succession par des sphaignes de fm de succession (Sphagnum magellanicum Brid., Sphagnum wulfianum Girg., Sphagnum angustifolium (C. Jens.) µ Russ. et Sphagnum fuscum (Schimp.) Klingrr., Fenton et Bergeron 2006; Simard et al. 2007). Comparés aux feux de forte sévérité, les feux de faible sévérité laissent une quantité considérable de matière organique résiduelle et créent moins de microsites de haute qualité favorables à la germination des graines et à la croissance des semis (Simard et al. 2007). Les peuplements établis dans ces sites sont généralement plus ouverts, majoritairement composés d’arbres de petits diamètres (Lecomte et al. 2006), et ont un sous-couvert présentant une forte dominance d’espèces de sphaignes de début de succession par rapport à la couverture des mousses (Gauthier et al. 2009). De plus, les µ feux de faible sévérité favorisent la recolonisation par les éricacées dont les racines ne sont généralement pas brûlées lors de tels évènements (Gauthier et al. 2009).

Des perturbations artificielles, telles que la récolte de bois (prélèvement d’une large proportion du couvert forestier par 1 ‘utilisation de machinerie), affectent principalement le couvert forestier et perturbent le sol dans une moindre mesure. Historiquement, la coupe à blanc a été presque exclusivement utilisée comme méthode de récolte en forêt boréale car on pensait qu’elle favorisait la régénération de 1’ épinette noire (Keenan et Kimmins 1993; McRae et al. 2001) et qu’elle créait des effets similaires à ceux générés par les feux (Johnson et al. 1998). Toutefois, certaines préoccupations ont été soulevées concernant les effets de la coupe à blanc sur les écosystèmes, entre autres, la destruction de la régénération préétablie, la perte d’habitat pour la faune et l’augmentation de l’érosion des sols (McRae et al. 2001; Lafleur et al, 2010). Ces préoccupations ont conduit à un changement dans les méthodes de récolte, passant de la coupe à blanc à la coupe avec protection de la régénération et des sols (CPRS). Actuellement, la CPRS est largement utilisée pour la récolte de bois au Québec. Toutefois, compte tenu que la CPRS a des effets négligeables sur le sol, en particulier parce qu’elle implique la circulation de la machinerie à l’intérieur de sentiers espacés. L’utilisation de ce traitement pourrait favoriser la paludification et le déclin de la productivité des peuplements à long terme dans certaines régions comme sur la ceinture d’argile du nord-ouest du Québec (Lavoie et al. 2005; Fenton et al. 2005; Simard et al. 2007).

La paludification résulte de la colonisation graduelle du sol forestier par des espèces de sphaignes. Les sphaignes, en possédant une forte capacité de rétention d’eau, entraînent une remontée de la nappe phréatique et une diminution de la température du sol. Ces conditions limitent l’activité des microbes du sol et restreint la croissance des arbres en réduisant la disponibilité des nutriments (Prescott et al. 2000; Fenton et al. 2005). Pour contrer l’engorgement du sol minéral, la zone d’enracinement des arbres migre du sol minéral vers la couche organique grâce au développement de racines adventives. Cette transition se déroule quand les cohortes d’arbres installées après un feu de forte sévérité commencent à mourir (donc entre 100 et 200 ans; Lecomte et al. 2006). Il existe deux types de processus de paludification : édaphique et successionnelle. La paludification édaphique (aussi connue comme entourbement de dépression humide; Fayette et Rochefort 2001) est principalement contrôlée par la topographie. La paludification successionnelle (en lien avec la succession forestière) se produit normalement quand la formation de tourbières s’agglomère directement sur les sols mésiques. En absence de feu, la productivité forestière est réduite de 50 à 80% sur une période de 2350 ans (Simard et al. 2007). Cependant, la paludification successionnelle pourrait être inversée par des processus naturels tels que des feux de forêts, qui consument la couche organique accumulée et améliorent les conditions de sols pour la croissance des végétaux. Par conséquent, en absence de feu de forêt, les traitements sylvicoles qui perturbent sévèrement la couche organique tels que la préparation de terrain pourrait être utilisés pour augmenter la productivité des sites.

Revue de littérature:

La forêt boréale du nord est caractérisée par des cycles de feux courts qui façonnent la structure, la composition et la productivité à l’échelle du paysage et du peuplement (Kimmins 1994). Toutefois, certaines régions comme la ceinture d’argile ont un cycle de feux long, qui entraîne une perte de productivité des sites en raison d’une accumulation d’une épaisse couche de matière organique sur le sol forestier. Comme le principal objectif des gestionnaires forestiers est de maintenir et/ou augmenter de façon durable la productivité des forêts, l’accumulation de matériel sur le sol forestier est une menace pour la productivité des sites à long terme. Même si la productivité d’un site est déterminée par les propriétés du sol, elle pourrait être affectée par l’aménagement forestier. D’ailleurs, il y a un intérêt croissant pour l’intensification de pratiques sylvicoles qui améliorent la qualité du site, et qui permettront d’assurer la continuité à long terme des fonctions écologiques essentielles, de la santé et de la productivité des écosystèmes forestiers (Nyland 1996). Par conséquent, les traitements sylvicoles qui perturbent fortement la couche organique et le couvert forestier dans le but d’améliorer la productivité des forêts, ont des effets semblables à ceux d’un feu sévère, et sont donc souhaitables pour une gestion durable des forêts.

La préparation de terrain est un outil sylvicole utilisé pour perturber le sol forestier et ses horizons supérieurs afin de créer des conditions propices à une installation et une croissance efficientes de la régénération (Ryan et Sutherland 2001). Elle est généralement utilisée pour préparer ou modifier le sol, enlever les souches et les résidus de coupes, et réduire la compétition de la végétation indésirable. Elle peut être réalisée par des moyens mécaniques, donc utilisant de la machinerie, ou par des moyens chimiques, soit le brûlage dirigé (OMRN 1996). La préparation mécanique du sol (PMS) utilise de la machinerie afm d’améliorer la qualité d’un site (Sutherland et Foreman 1995). La PMS est largement utilisée en forêt boréale canadienne pour améliorer les conditions du sol telles que la température, l’humidité, l’aération et la fertilité (Sutton 1993; Sutherland et Foreman 2000). Elle a le potentiel de redistribuer les nutriments stockés dans la couche organique, les résidus de coupe et le sol minéral (Sutherland et For eman 1995; Bock et Re es 200 1 ). Une variété de microsites est produite par 1′ élimination, l’inversion et le mélange des couches organiques et minérales du sol (Orlander et al. 1990; von der Gonna 1992). Ainsi, les différentes techniques de préparation mécanique du sol conduisent à différentes perturbations du sol et différentes conséquences pour la productivité (Querejeta et al. 200 1). La réponse de la végétation de sous-couvert à un traitement sylvicole dépend de la sévérité de la perturbation sur la couche organique (Haeussler et al. 1999; Roberts 2004; Roberts 2007).

Composition du sous-couvert:

La végétation du sous-couvert forestier est la communauté végétale la plus diversifiée mais la moins bien comprises de la forêt boréale nord-américaine (Roberts 2004). Elle agit commun un moteur de la succession forestière (Nilsson et Wardle 2005) en influençant les flux d’énergie et en contrôlant en partie le microclimat forestier (Knops et al1996). Le sous-couvert est composé de plantes vasculaires et non-vasculaire (les espèces de mousses et de sphaignes). Les mousses (principalement composées de Pleurozium schreberi, Ptilium crista-castrensis et Hylocomium splendens) forment une microtopographie composée de plateaux et de creux sur le sol forestier (Shelter et al. 2008) alors que le regroupement des sphaignes en sphaignes de creux et en sphaignes de tapis sont basés sur leurs traits structurels (Turetsky et al. 2008). Les sphaignes de creux, la plupart appartenant à la section Cuspidata, développent des tiges robustes qui forment des tapis relativement productifs et espacés sur le sol forestier. À l’inverse, les sphaignes de tapis, généralement des espèces de la section Acutifolia, forment des pousses minuscules, qui se développent en coussins denses qui leur permettent de retenir l’eau. Elles sont aussi caractérisées par un plus faible taux de croissance que les sphaignes de creux (Gunnarson 2005; Rydin et al. 2006). Cette fort capacité de rétention d’eau abaisse la température du sol, qui à son tour restreint l’activité de la faune du sol et entraîne des taux de décomposition plus faibles que pour les mousses et les sphaignes de creux (Lang et al 2009). Toutefois, les mousses se décomposent plus rapidement que les sphaignes après perturbation (Lang et al. 2009) .

Les changements observés dans la végétation de sous-couvert en réponse à la récolte et à la PMS en forêt boréale sont fortement contrôlés par la sévérité de la perturbation, avec d’autant plus de changements de la composition que la sévérité de la perturbation est grande (Haeussler et al. 1999; Roberts 2007). Par exemple, la coupe à blanc et la préparation de sites sont des perturbations de grande sévérité qui réduisent significativement la couverture des espèces de sous-couvert comparé à la CPRS (Sutherland et Foreman 2000; Lafleur et al. 2010). L’augmentation de la perturbation du sol suite à un feu ou une coupe favorise l’établissement des espèces de début de succession, particulièrement les espèces herbacées avec un statut nutritif foliaire élevé qui augmente la productivité du site (Whittle et al. 1997; Nguyen-Xuan et al. 2000; Bradbury 2004; Haeussler et Bergeron 2004; Wardle et Zackrisson 2005). Toutefois, des traitements très sévères peuvent aussi avoir un effet sur la biodiversité. Finalement, les perturbations d’intensité faible à modérée favorisent les espèces végétales existantes par rapport aux perturbations sévères qui éliminent les structures de reproduction végétative et favorisent les espèces provenant de l’extérieur du site (Haeussler et al. 2002).

Propriétés physiques et chimiques du sol:

Généralement, la PMS améliore les propriétés physiques et chimiques du sol même si dans certains cas ces effets peuvent être négatifs. Les propriétés physiques qui peuvent être affectées incluent la température du sol, l’humidité saisonnière du sol, l’aération et la masse volumique alors que le pH du sol, la capacité d’échange cationique et la saturation sont les propriétés chimiques qui peuvent être impactées. La PMS peut effectivement diminuer la masse volumique du sol et augmenter son aération pour favoriser la croissance racinaire des végétaux (Montero 1994; Orlander et al. 1998). Une augmentation de l’aération diminue la conductivité thermique, causant une dissipation de la chaleur moins rapide, et donc une augmentation de la température (Attiwill et al. 1985). Cette augmentation de la température du sol stimule l’activité microbienne et la décomposition, et a pour effet d’augmenter le taux de photosynthèse net et la mobilisation des nutriments (Nordbog et al. 2003; MacKenzie et al. 2005). Les nutriments existe sous forme d’ions en solution dans le sol, par conséquent le taux d’absorption d’eau, affecté par la température du sol, est déterminant pour la quantité d’éléments nutritifs qui atteignent le système vasculaire des végétaux (Van Cleve et al. 1983). De précédentes études ont montré que la préparation mécanique du sol affecte significativement la dynamique des nutriments (Schmidt et al 1996; Lafleur et al. 2010), en particulier pour l’azote du sol. Les coupes à blanc comme les PMS sont associées à une augmentation de la minéralisation et de la nitrification de l’azote (Munson et al. 1993). Une augmentation de la nitrification augmente la disponibilité des ions hydrogène, qui remplacent les cations des complexes d’échanges du sol et entraînent à une lixiviation des cations. Bien que de précédentes études ont montré une augmentation du pH du sol et de la saturation après PMS (Schmidt et al, 1996; Bock and Van Rees 2002), d’autres travaux ont rapporté une diminution duN total et duC total, du rapport C/N, du NH4-N, duN minéralisable (Schimdt et al. 1996) et de la disponibilité du P (Munson et al. 1993). Par conséquent, le degré de changement des propriétés du sol a tendance à augmenter avec la sévérité de la perturbation.

Objectif général:

Les perturbations, naturelles ou artificielles, profitent à la production de bien forestiers en prévenant la succession forestière d’entrer en rétrogression (Wardle 2009). Par conséquent, en l’absence prolongée de feux de forêts sévères, la préparation mécanique du sol pourrait être utilisée pour améliorer les conditions de sol et affecter la productivité du site. Bien que l’effet après perturbation dépende de la sévérité de la perturbation, il pourrait aussi être influencé par les conditions avant perturbation. Par exemple, la sévérité d ‘un feu est contrôlée par 1 ‘humidité du sol lors de la combustion (Miyanishi and Johnson, 2002).

Cette étude vise à évaluer l’interaction entre les conditions avant récolte et la sévérité de la perturbation dans la région de la ceinture d’argile du nord-ouest du Québec. Trois traitements sylvicoles ( CPRS, T26 et herse) qui diffèrent substantiellement dans la stratégie de perturbation du sol ont été comparés sur la base de leurs effets sur la profondeur de la couche organique et la composition des espèces du couvert et du sous couvert. La génération de microsites favorables à la croissance des végétaux et les changements dans les propriétés chimiques ont aussi été comparées entre les trois types de traitements. Les données collectées avant et après perturbation ont permis de mieux comprendre les relations entre les conditions initiale avant récolte et les impacts des PMS, et entre l’ampleur des changements dans la profondeur de la couche organique et les propriétés chimiques du sol. Cette étude devrait donc permettre d’identifier les techniques les plus appropriées pour l’aménagement des forêts de la ceinture d’argile.

Conclusion:

This study showed that initial organic layer depth should be considered when selecting a site preparation technique. Despite the thick organic layer in sorne sites, mechanical site preparation techniques were able to reduce organic layer thickness and expose favourable microsites. Additionally, regardless of MSP technique, disruption of the organic layer enhanced soil conditions, showing that both plow and dise trenching are appropriate tools in this regard. Furthermore on the Clay Belt, since an increase in the cover of Sphagnum mosses and ericaceous shrubs have detrimental effects on the growth of black spruce, MSP should be used to reduce these plant species and the plow was particularly effective at reducing hollow Sphagnum species compared to disk trenching (T26).

Table des matières

CHAPITRE1 INTRODUCTION GÉNÉRALE
1. 1 Contexte
1.2 Revue de littérature
1.2.1 Composition du sous-couvert
1.2.2 Propriétés physiques et chimiques du sol
1.3 Obj ectif général
CHAPITRE II IMPACT OF PRE-HARVEST CONDITIONS ON DISTURBANCE SEVERITY OF DIFFERENT SILVICULTURAL TECHNIQUES IN THE BOREAL BLACK SPRUCE
FORESTS
2.1 Abstract
2.2 Résumé
2.3 Introduction
2.4 Materials and methods
2.4.1 Studyarea
2.4.3 Data collection
2.4.4 Nutrient Analysis
2.4.5 I’vficrobial Activity
Statistical analyses
Results
2.5.1 Reduction of organic layer depth
2.5.2 Soil chemical properties
2.5.3 Understory composition response
2.6 Discussion
2.6.1 Impact ofpre-hatvest conditions on disturbance severity
2.6.2 Impact ofmechanical site preparation on understory species
2. 7 Management Implications
2.8 Conclusion
2.9 References
Appendix A: Results from mo del selection for change in organic layer depth and the
exposure of different soil substrates. Only models ~Al Cc <4 are presented with the number of
parameters included (K), the second-order Akaike information criterion (AlCc) and Akaike
weight, N=565
Appendix B: Mean (±SE) of soil chemical properties in different substrates under different
site preparation techniques over time
Appendix C : Linear mixed models tested for factors affecting the change in the different soil
chemical properties. Site was introduced into the modelas random variable
Appendix D: Summary offrequencies (presence or absence) of the different understory
species before and after treatments. « Y es » indicates the presence ofthe species and  »No »
indicates species absence, N=565
Appendix E: Mo del selection results for understory species cover (feather moss es, Sphagnum
species, shrubs and grasses). Plots and sites were introduced into the mo del as random
component. The bolded values are the values for competing models from the candidate
mo dels, N=565
CHAPITRE III CONCLUSION GÉNÉRALE

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