S’inspirer du régime des perturbations par le feu pour aménager et gérer la forêt boréale

S’inspirer du régime des perturbations par le feu pour aménager et gérer la forêt boréale

Depuis la Conférence des Nations Unies sur l’environnement et le développement en 1992, les principes du développement durable ont intégré les objectifs de l’aménagement des forêts. Cela s’est traduit par l’essor de nombreux concepts, pratiques et politiques axés sur la gestion durable des forêts, tels que la certification forestière et l’adoption de projets de loi sur l’aménagement des forêts (Rist et Moen 2013 ; Stupak et al. 2011). La gestion durable des forêts exige des conditions minimales à remplir, parmi lesquelles le maintien de la productivité et de la capacité de régénération des forêts (Wilkie et al. 2003). Les forêts doivent être résilientes, c’est-à-dire se régénérer après des perturbations naturelles ou anthropiques, de telle sorte que la densité, la structure, la composition et la productivité des peuplements soient comparables après un certain temps aux conditions avant perturbation. Les écosystèmes forestiers boréaux sont caractérisés par une croissance limitée et par des perturbations naturelles fréquentes (incluant les feux, les épidémies par les insectes, les chablis et les trouées) (Kneeshaw et al. 2011; Payette 1992). De ce fait, y ajouter des perturbations anthropiques peut diminuer leur résilience (Dussart et Payette 2002; Payette et Delwaide 2003) et, in fine, leurs fonctionnalités écologiques et les services écosystémiques qu’ils fournissent.

Dans ce contexte, la limite nordique d’exploitation des forêts du Québec a été positionnée en 2000 aux alentours du 51 e parallèle Nord, au sein du domaine bioclimatique de la pessière à mousses. Au-delà de cette limite, le climat est moins propice au développement de forêts économiquement rentables, les arbres croissent plus lentement et le cycle de feux est relativement court (Mansuy et al. 201 0; MRNF 2000). La densité de la forêt boréale diminue progressivement avec 1 ‘augmentation de la latitude et laisse place à la pessière à lichens au-delà du 52° parallèle Nord. Le cycle de feu est plus court près de la limite d’exploitation commerciale ( ~ 100 ans) (Mansuy et al. 2010) que plus au sud 360 ans) (Bergeron et al. 2004), à cause de conditions climatiques particulières impliquant notamment des phénomènes de blocage récurrents de masses d’air au niveau de la troposphère (Girardin et al. 2006; Skinner et al. 2002) qui provoquent un assèchement du combustible et favorisent l’occurrence de grands feux de forêt (Johnson et Wowchuk 1993).

Au regard des prévisions climatiques futures (IPCC 2013), un changement de la fréquence et de l’intensité des perturbations par le feu est attendu. Des études suggèrent que l’augmentation des précipitations ne sera pas suffisante pour compenser la hausse de la température; les épisodes de sécheresse et les feux de forêts seront donc plus fréquents (Bergeron et al. 201 0; Girardin et Mudelsee 2008; Hély et al. 20 1 0). Il est important de souligner qu’au cours des 50 dernières années, une partie de la forêt boréale fermée s’est transformée en forêt ouverte à cause de perturbations (naturelles ou/et anthropiques) successives au Québec (Côté et al. 2013; Girard et al. 2008). Quand l’intervalle de temps entre deux feux est trop court, l’ épinette noire n’ a pas le temps d’ atteindre la maturité sexuelle, sachant que la production de graines commence généralement après 30 ans (Viglas et al. 2013). Des échecs de régénération suivant des feux successifs pourraient donc devenir plus fréquents et menacer le développement des pessières à mousses, notamment dans les zones limitrophes. Cependant, le réchauffement climatique pourrait également se traduire par un changement de composition des forêts du nord, dû à un enrichissement en espèces plus typiques des forêts du sud (Burton et Cumming 1995). Cette éventuelle densification du couvert végétal (Garnache et Payette 2005) pourrait donc limiter la perte de résilience des massifs forestiers face à une recrudescence des perturbations.

Ces incertitudes suscitent des interrogations, notamment de la part des compagnies forestières opérant près de la limite nordique de la forêt commerciale, mais aussi des scientifiques, et alimentent la problématique à la base de cette thèse : «Dans un contexte de réchauffement climatique, de quelle manière la forêt évoluera-t-elle dans la zone de la limite nordique d’exploitation forestière?». Ainsi, un comité scientifique a été créé en 2005 par le Ministère des Ressources naturelles du Québec afin de réévaluer la localisation de la limite nordique de la forêt boréale sur la base d’une étude plus précise du territoire (MRN 2013 ), avec une attention particulière à 1 ‘histoire et au régime des perturbations par le feu à différentes échelles d’espace et de temps.

S’inspirer du régime des perturbations par le feu pour aménager et gérer la forêt boréale  :

L’aménagement forestier écosystémique est une approche qui s’inspire des processus écologiques naturels, incluant les perturbations. Ce mode d’aménagement vise le développement de peuplements et de paysages présentant des compositions spécifiques et des structures similaires à celles qui caractérisent les écosystèmes naturels. L’objectif est d’ainsi favoriser le maintien de la diversité biologique et des fonctions écologiques essentielles (Bergeron et al. 2006). Les écosystèmes ont évolué à l’intérieur d’une gamme de conditions naturelles qui peuvent servir de cadre référentiel afin d ‘assurer l’intégrité écologique des écosystèmes aménagés et maintenir leur résilience (Landres et al. 1999). Dans la mesure où le feu est la perturbation principale contrôlant le fonctionnement des écosystèmes boréaux (Payette 1992), 1 ‘aménagement forestier écosystémique doit se baser sur les régimes de feux et leurs variabilités dans le temps et l’espace (Bergeron et al. 2002). Ainsi, 1’ aménagement des forêts ne doit pas positionner les forêts en dehors de leur gamme de variabilité naturelle (Bergeron et al. 2002; Cyr et al. 2009). Par exemple, pour remplacer les feux par les coupes, il faut que la fréquence des feux actuels additionnée aux coupes ne dépasse pas la fréquence maximale des feux préindustriels. Or, dans la zone d’étude, l’aménagement forestier est «en compétition» avec les feux. Une augmentation de la fréquence future des feux pourrait considérablement réduire la marge de manœuvre disponible à l’aménagement forestier, et ceci devrait être inclus dans les calculs de possibilité forestière.

L’étude de la dynamique des feux de forêt à la limite nordique de la forêt commerciale nous permettra d’établir la gamme de variabilité naturelle et de mieux comprendre comment les forêts à la limite nordique commerciale pourraient évoluer dans le futur face à d’éventuels changements dans le régime des feux en réponse au changement climatique en cours.

Reconstituer l’historique des feux à partir des charbons de bois lacustres 

Dispersion et déposition des charbons 

Une des approches permettant de reconstituer la dynamique des feux de forêts au cours du temps est fondée sur la quantification et l’ analyse des charbons de bois préservés dans des dépôts lacustres. Cette méthode est fondée sur le principe que des feux locaux (dans le bassin versant du lac) peuvent être reconstitués à partir de pics d’accumulation de charbons de bois qui se déposent dans les sédiments après des incendies. Cependant, cette approche est loin d’être aisée et les enregistrements de charbons de bois doivent être traités pour en retirer le bruit de fond issu du ruissèlement de surface, de remaniements sédimentaires ou de transport à longue distance. Ce bruit de fond obscurcit les enregistrements de feux locaux (Clark et Roya11 1996; Long et al. 1998). Le bruit de fond varie spatialement et temporellement en fonction de la topographie, des caractéristiques du lac et de la production de charbons qui dépend de la qualité et de la structuration du combustible (Umbanhowar et Mcgrath 1998; Whitlock et Millspaugh 1996).

Les modèles théoriques prédisent que la distance de dispersion des charbons de bois diminue avec la taille et la densité des particules (Clark 1988). L’analyse de la dispersion des charbons de bois suite à des feux naturels ou dirigés a montré que la région source de larges particules (> 120-150 )lm) est inférieure à celle des plus petites particules, ce qui a permis de valider les modèles théoriques (Clark et al. 1998; Gardner et Whitlock 2001; Lynch et al. 2004) qui illustrent la dispersion spatiale des charbons de bois. La communauté scientifique utilise ainsi une maille de tamisage de 120-150 )lm pour tamiser les charbons avant de procéder au comptage pour reconstituer l’historique de feux aux abords des lacs échantillonnés.

Quantification des charbons de bois

La reconstitution des paléofeux est fondée sur la quantification en continu des particules carbonisées le long de séquences sédimentaires. Un volume donné est prélevé dans chaque échantillon et trempé dans une solution déflocculante d’hexamétaphosphate de sodium ((NaP03) 6) à 3% pendant au moins 24 heures sur une plaque chauffante réglée à 100 °C. Le mélange est ensuite tamisé et lavé avec une solution de NaOCl à 10 %, qui permet de blanchir la matière organique noire afin de la distinguer plus aisément des charbons de bois. La quantification des particules de charbon de bois (nombre et surface) est réalisée à l’aide d’une loupe binoculaire (20 x) équipée d’une caméra digitale et couplée à un logiciel d’analyse d’ images. Cette procédure permet de caractériser la concentration en charbons de bois (mm2 .cm3 ou #.cm-3 ) des séquences lacustres au cours du temps.

Datations et chronologies

Afin d’établir un âge pour chaque niveau des séquences sédimentaires, des datations 14C et 210Pb sont réalisées sur des macrorestes végétaux ou directement sur les sédiments. Les dates 14C sont ensuite calibrées en utilisant le programme CALIB version 6.0.1 (Stuiver et Reimer 1993) et un modèle âge-profondeur est produit à l’aide de modèles numériques tels que MCAgeDepth 0.1 ou le package CLAM développé dans l’environnement statistique R (Higuera 2008).

Reconstitution des évènements de feux

Les concentrations en charbons de bois sont par la suite multipliées par les taux de sédimentation (cm.an-1 ) pour obtenir des taux d’accumulation de charbons de bois au cours du temps, autrement dit des influx (charcoal accumulation rates, CHAR; # ou mm2 .cm-2 .an-1 ). C’est à partir des CHAR que les événements de feu sont reconstitués. L’analyse des CHAR implique la séparation de la composante de haute fréquence (pics de charbons de bois = Cpeak) correspondant aux évènements de feux, de celle à basse fréquence (bruit de fond = Cbackgrounct). Le Cbackground est modélisé et soustrait des séries CHAR en utilisant par exemple une fonction LOWESS (locally weighted scatterplot smoothing) robuste aux valeurs extrêmes avec différentes tailles de fenêtres temporelles. Le signal Cpeak ainsi obtenu est composé de deux souspopulations: (1) Cnoise, qui reflète la variabilité due à 1′ échantillonnage des sites, au bruit inhérent aux analyses statistiques et numériques opérées et à la partie du bruit de fond qui n ‘aurait pas été enlevée à l’étape précédente; et (2) Cfire, qui représente l’occurrence d’un ou plusieurs feux locaux (Gavin et al. 2006; Higuera et al. 2007). La composante Cfire est séparée de Cnoise en appliquant un seuil localement défini, correspondant généralement au 99e percentile de la distribution gaussienne de Cnoise· Le choix des fenêtres de déplacement pour la modélisation de Cbackground est dicté par l’approche permettant de modéliser et séparer au mieux les deux sous-populations de Cpeak (Kelly et al. 2011).

Les biais inhérents à 1 ‘analyse des charbons pour reconstituer les feux 

Les régions sources de charbons dépendent de la hauteur de la colonne de convection qui se forme au-dessus du feu (Peters et Higuera 2007; Pisaric 2002; Tinner et al. 2006). Bien que les modèles théoriques de dispersion produisent de bons résultats pour les distances de dispersion jusqu’à 200 rn au-delà de la zone brûlée (Peters et Higuera 2007), la dispersion des charbons de bois à des distances supérieures est moins bien comprise. Des transports à longue distance (5-20 km) ont été rapportés (Pisaric 2002; Tinner et al. 2006) et des pics de charbons de bois ont été enregistrés dans des lacs sans que leurs bassins versants n’aient brûlé (Whitlock et Millspaugh 1996). Kelly et al. (20 13) ont d’ailleurs constaté une corrélation significative entre la quantité de charbons déposée dans les lacs et 1′ aire brûlée autour des lacs sur un rayon allant jusqu’ à 20 km. Ceci peut être expliqué par 1′ élaboration d’une colonne de convection plus haute lors des feux à haute intensité, qui soulève des particules de charbon plus haut, augmentant la probabilité de dispersion à longue distance et le dépôt dans les lacs situés dans l’axe du vent (Peters et Higuera 2007; Pisaric 2002; Tinner et al. 2006).

Les reconstitutions de paléofeux sont fortement influencées par les choix des utilisateurs au cours du traitement statistique des CHAR (Blarquez et al. 2013; Carcaillet et al. 2001; Genries et al. 2012). Pour tenir compte des intervalles d’échantillonnage inégaux résultant de taux d’accumulation de sédiments variables, les CHAR sont interpolés à un intervalle de temps constant, généralement la résolution temporelle médiane de l’ensemble de la séquence (par exemple Ali et al. 2009; Gavin et al. 2006; Higuera et al. 2010), qui peut varier considérablement au sein et entre les lacs (Carcaillet et al. 2001; Gemies et al. 20 12). Aussi, les fenêtres temporelles de différentes largeurs peuvent être utilisées dans la reconstitution des épisodes de feu pour modéliser le bruit de fond et obtenir des histoires de feux différentes.

Pour résumer, les principaux biais associés à l’analyse des charbons de bois lacustres sont : ( 1) le transport à longue distance des particules qui rend difficile la différenciation des feux locaux et régionaux et (2) le choix des paramètres lors des traitements statistiques. Cette thèse comprendra ainsi un volet méthodologique visant à évaluer l’impact de ces deux biais dans l’analyse des séries de charbons de bois lacustres et les conséquences dans les reconstitutions des feux.

Objectifs de la thèse 

L’objectif général de cette thèse est d’apporter des éléments d’aide à la décision dans le choix de la localisation de la limite nordique de la forêt commerciale dans un contexte de changements climatiques et sous l’angle des régimes de perturbation par le feu. Nous avons donc reconstitué la dynamique des feux de forêts de part et d’autre de la limite commerciale d’exploitation forestière en Jamésie. La thèse s’articule autour de deux grands volets. Un premier volet constitué de deux chapitres fait référence à des travaux méthodologiques ayant pour objectif l’amélioration de l’ interprétation des séries de charbons de bois des dépôts lacustres. Le quatrième chapitre correspond à une reconstitution des régimes d’ incendies de part et d’autre de la limite nordique de la forêt commerciale et permet de discuter de la résilience des massifs forestiers dans la zone d’étude. Ci-dessous, une description succincte des objectifs spécifiques des trois chapitres.

– Calibrer la détection des pics d’accumulation de charbons de bois par une comparaison avec des données dendrochronologiques (Chapitre 2). L’influence du choix de deux paramètres fréquemment utilisés dans les analyses de charbons de bois a été étudiée : la résolution temporelle utilisée pour interpoler les enregistrements de charbons de bois et la taille de la fenêtre de lissage utilisée pour modéliser le bruit de fond.
– Evaluer l’influence du transport à longue distance des particules de charbon de bois sur la détection des feux locaux et caractériser les processus taphonomiques contrôlant leur séquestration au cours du temps (Chapitre 3). Des trappes ont été installées dans sept lacs qui nous ont permis d’étudier la dispersion et la déposition des charbons de bois pendant trois années consécutives. Des feux naturels de tailles différentes ont eu lieu pendant le suivi (MRN 2012), incluant notamment un feu qui a atteint le bassin versant d’un des lacs étudiés. Plusieurs grands feux (> 100 000 ha) qui n’ont atteint aucun des bassins versants se sont aussi produits durant le suivi. Cette étude nous a permis de discuter de 1′ influence de la superficie et de la distance de la zone brûlée sur la déposition et la séquestration des charbons de bois dans les dépôts lacustres.
– Retracer 1 ‘historique des feux de part et d’ autre de la limite nordique de la forêt commerciale (Chapitre 4). Les variations dans la fréquence des feux ont été discutées au regard des changements climatiques enregistrés au cours de l’Holocène. Van Wagner (1987) a défini l’indice de sécheresse (drought code, DC) comme étant un bon indicateur de la teneur en eau des couches organiques profondes et de la sécheresse à long terme au cours de la saison de feux (avril à septembre). Des simulations par un modèle de circulation générale possédant des données paléoclimatiques nous ont permis de calculer les DC au cours de 1 ‘Holocène à la limite nordique de la forêt commerciale selon la méthode utilisée par Hély et al. (2010). Les épisodes de sécheresse sont comparés aux fréquences de feux passées, reconstituées à partir des charbons de bois préservés dans des sédiments lacustres. Les données polliniques disponibles au nord et au sud de la région d’étude (Asselin et Payette 2005; Carcaillet et al. 2001; Richard 1979) sont utilisées pour discuter de la résilience des forêts en réponse à la variabilité historique de la fréquence des feux. Ce chapitre fait aussi la synthèse des données afin d’émettre des recommandations aux aménagistes forestiers qui leur permettront de tenir compte des éventuelles configurations de perturbations qui se profilent au regard des changements climatiques en cours. Ces recommandations sont établies selon la différence entre les fréquences de feu passées et futures.

USING TREE-RING RECORDS TO CALIBRA TE PEAK DETECTION IN FIRE RECONSTRUCTIONS BASED ON SEDIMENTARY CHARCOAL RECORDS 

In North American boreal forests, wildfires correspond to a key ecological disturbance by controlling vegetation dynamics (Payette, 1992; Senici et al., 2013) and altering the carbon cycle by emitting high quantities of greenhouse gases to the atmosphere (Balshi et al., 2009; Oris et al., 20 14). Palaeoecological reconstructions of past wildfire events allow predicting changes in fire regimes in response to climate change and anthropogenic activities. Over the past three decades, lacustrine charcoal records have widely been used to reconstruct past fire activity in diverse ecosystems (Ali et al., 2012; Asselin and Payette, 2005a; Clark, 1990; Power et al., 2008; Tinner et al., 1998). It is increasingly being recognized that such reconstructions must be based on well-dated sequences with clear charcoal signais obtained after statistical treatment (Higuera et al., 2010; Kelly et al., 2011). Moreover, in a best-case scenario, for recent periods (generally < 300 years), charcoal signais must be compared with historical or tree-ring records to refine peak detection (Clark, 1990; Higuera et al., 2011; Long et al., 1998; Pitkanen et al., 1999; Whitlock et al., 2004) and to evaluate reconstruction accuracy. Whereas sorne « false » fire events are detected or  »true » fire events not detected, studies in mountain and subalpine forests of western North America highlight relatively good matches between charcoal signais and dendrochronological data (Higuera et al., 2011; Whitlock et al., 2004). Such calibration procedures are however lacking for eastern Canadian boreal forests.

Fire reconstructions from lake sediments are highly influenced by user choices during statistical treatment (Blarquez et al., 20 13; Carcaillet et al., 2001; Gemies et al., 2012). To account for uneven sampling intervals resulting from variable sediment accumulation rates, charcoal records are interpolated to a constant temporal interval, typically the median temporal resolution of the entire record (e.g. Ali et al., 2009; Gavin et al., 2006; Higuera et al. , 2010), which can vary considerably within and among lakes (Carcaillet et al., 2001; Genries et al., 2012). Additionally, temporal windows of varying widths can be used in the reconstruction of fire episodes by decomposing charcoal series into background noise that represents taphonomical and sampling effects, and high-frequency charcoal peaks that can be related to fire events. To our knowledge, the effect of chosing different temporal resolutions or window widths on fire reconstruction accuracy has not yet been verified with corroborative dendrochronological data in Canadian boreal forests.

Recent fire events

The number of detected fire events over the past 150 years changed markedly when different parameters were used (Figure 2.4; for detected fire episodes over 7000 years, see appendices D, E, F and G). Overall, the best concordance between the sedimentary charcoal series and the dendrochronological analysis was reached with RunKB and narrow windows varying between 100 and 300 years (Figure 2.4). A maximum ofthree and two fires were detected against a minimum of one or no fire in LLP and LNA, respectively. At LLP, all three fires (1890, 1941 and 1989 AD) were detected with RunKB along with a 100-year smoothing window (Figure 2.4a). At LNA, a maximum oftwo fires (1890 and 1989 AD) were detected when a 100-year smoothing window was used, but with both temporal resolutions (Figure 2.4 c, d). However, these two fires were also detected usinga 300-year smoothing window in RunKB (Figure 2.4c). Using wide windows(> 500 years) in RunAll generally failed to detect the recent fire events. For exarnple, when we used a 1000-year smoothing window (Figure 2.4), the 1941 AD and 1989 AD fires were no longer detected in LLP and no fire was detected in LNA (Figure 2.4 c,d). However, the 1989 AD fire was detected in LN A when a local 95th percentile threshold of the noise distribution was used (Figure 2.4 c ). Except wh en a 1 00-year window was used, local SNI values were generally high (> 3.0).

CONCLUSION 

L’objectif général de cette thèse était d’apporter des éléments d’aide à la décision dans le choix de la localisation de la limite nordique de la forêt commerciale dans un contexte de changements climatiques. Afin de mieux comprendre comment la forêt pourrait évoluer dans le futur face à une augmentation des feux, nous avons utilisé comme référentiel une reconstitution de l’historique des feux pendant les 7000 dernières années de part et d’autre de la limite nordique d’exploitation commerciale de la forêt boréale. Cette thèse montre cependant que les reconstitutions de l’historique des feux restent biaisées par plusieurs problèmes méthodologiques. Le premier volet de la thèse propose ainsi plusieurs recommandations afin d’améliorer l’ analyse et l’ interprétation des charbons de bois dans les séquences de sédiment pour reconstituer les paléofeux. La thèse s’est donc focalisée sur « comment mieux détecter et caractériser les pics de charbons de bois dans les séquences sédimentaires?» (Chapitre 2), et sur «comment distinguer les pics de charbons de bois formés par des feux locaux de ceux issus de feux régionaux? » (Chapitre 3).

Table des matières

CHAPITRE I INTRODUCTION GÉNÉRALE 
1.1 S’inspirer du régime des perturbations par le feu pour aménager et gérer la
forêt boréale
1.2 Reconstituer l’historique des feux à partir des charbons de bois lacustres
1. 2.1 Dispersion et déposition des charbons
1.2.2 Quantification des charbons de bois
1.2.3 Datations et chronologies
1.2.4 Reconstitution des évènements de feux
1. 2. 5 Les biais inhérents à 1 ‘analyse des charbons pour reconstituer les
feux
1.3 Objectifs de la thèse
1.4 Région d’étude
CHAPITRE II USING TREE-RING RECORDS TO CALIBRA TE PEAK DETECTION IN FIRE RECONSTRUCTIONS BASED ON SEDIMENTARY CHARCOAL RECORDS 
2.1 Abstract
2.2 Résumé
2.3 Introduction
2.4 Material and methods
2.4.1 Study area
2.4.2 Tree-ring records of fire history: sampling and data analysis
2.4.3 Sediment dating and age-depth models
2.4.4 From charcoal particles to fire events
2.5 Results
2. 5.1 Tree-ring records of fire history
2. 5.2 Sediment chronologies
2. 5.3 Recent fire events
2. 5.4 Fire frequency over the last 7000 years
2.6 Discussion
2. 6.1 Multi-site and multi-proxy reconstructions
2. 6.2 Temporal resolution
2. 6.3 Window width
Conclusion

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