The hemi-boreal zone, marking North America’s southern boreal forest boundary, has evolved post-glaciation, hosting diverse ecosystems including mixed forests with savannas, grasslands, and wetlands. While human, climate, and fire interactions shape vegetation dynamics therein, specific influences remain unclear. Here we unveil 12,000 years of hemi-boreal zone dynamics, exploring wildfire, vegetation, climate, and human population size interactions at such long time scales. Postglacial biomass burning exhibited episodes of persistent elevated activity, and a pivotal shift around 7000 years ago saw the boreal forest transition to an oak-pine barren ecosystem for about 2000 years before reverting. This mid-Holocene shift occurred during a period of more frequent burning and a sudden uptick in mean annual temperatures. Population size of Indigenous peoples mirrored wildfire fluctuations, decreasing with more frequent burning. Anticipated increases of fire activity with climate change are expected to echo transformations observed 7000 years ago, reducing boreal forest extent, and impacting land use.

Dry and warm conditions have exacerbated the occurrence of large and severe wildfires over the past decade in Canada’s Northwest Territories (NT). While temperatures are expected to increase during the 21st century, we lack understanding of how the climate-vegetation-fire nexus might respond. We used a dynamic global vegetation model to project annual burn rates, as well as tree species composition and biomass in the NT during the 21st century using the IPCC’s climate scenarios. Burn rates will decrease in most of the NT by the mid-21st century, concomitant with biomass loss of fire-prone evergreen needleleaf tree species, and biomass increase of broadleaf tree species. The southeastern NT is projected to experience enhanced fire activity by the late 21st century according to scenario RCP4.5, supported by a higher production of flammable evergreen needleleaf biomass. The results underlie the potential for major impacts of climate change on the NT’s terrestrial ecosystems.

Warning: This article contains terms, descriptions, and opinions used for historical context that may be culturally sensitive for some readers.Background: Understanding drivers of boreal forest dynamics supports adaptation strategies in the context of climate change.Aims: We aimed to understand how burn rates varied since the early 1700s in North American boreal forests.Methods: We used 16 fire-history study sites distributed across such forests and investigated variation in burn rates for the historical period spanning 1700-1990. These were benchmarked against recent burn rates estimated for the modern period spanning 1980-2020 using various data sources.Key results: Burn rates during the historical period for most sites showed a declining trend, particularly during the early to mid 1900s. Compared to the historical period, the modern period showed less variable and lower burn rates across sites. Mean burn rates during the modern period presented divergent trends among eastern versus northwestern sites, with increasing trends in mean burn rates in most northwestern North American sites.Conclusions: The synchronicity of trends suggests that large spatial patterns of atmospheric conditions drove burn rates in addition to regional changes in land use like fire exclusion and suppression.Implications: Low burn rates in eastern Canadian boreal forests may continue unless climate change overrides the capacity to suppress fire.

Exceptionally large areas burned in 2014 in central Northwest Territories (Canada), leading members of the Tłı̨chǫ First Nation to characterize this year as ‘extreme’. Top-down climatic and bottom-up environmental drivers of fire behavior and areas burned in the boreal forest are relatively well understood, but not the drivers of extreme wildfire years (EWY). We investigated the temporal and spatial distributions of fire regime components (fire occurrence, size, cause, fire season length) on the Tłı̨chǫ territory from 1965 to 2019. We used BioSIM and data from weather stations to interpolate mean weather conditions, fuel moisture content and fire-weather indices for each fire season, and we described the environmental characteristics of burned areas. We identified and characterized EWY, i.e., years exceeding the 80th percentile of annual area burned for the study period. Temperature and fuel moisture were the main drivers of areas burned. Nine EWY occurred from 1965 to 2019, including 2014. Compared to non-EWY, EWY had significantly higher mean temperature (>14.7°C) and exceeded threshold values of Drought Code (>514), Initial Spread Index (>7), and Fire Weather Index (>19). Our results will help limit the effects of EWY on human safety, health and Indigenous livelihoods and lifestyles.

Le changement climatique affecte les écosystèmes forestiers boréaux par des modifications de la structure, de la composition, de la répartition et de la productivité de la végétation. Ces changements altèrent le fonctionnement interne des forêts en modifiant la dynamique des perturbations naturelles comme les feux, notamment leur fréquence et leur taille. Les événements météorologiques extrêmes des dernières décennies ont donné lieu à de très grandes superficies brûlées lors de certaines années, altérant les paysages forestiers, notamment ceux des latitudes nordiques du Canada. Les grands feux à l'origine de la majorité des superficies brûlées libèrent d'importantes quantités de carbone vers l'atmosphère et ils ont des conséquences sanitaires majeures pour les populations des communautés exposées. Ils limitent également la capacité des peuples autochtones à maintenir leurs activités traditionnelles en réduisant les services écosystémiques auxquels ils accèdent traditionnellement. Les projections climatiques suggèrent une multiplication des grands feux au cours des prochaines décennies, ce qui pourrait affecter davantage la forêt, le climat et les sociétés humaines. Cependant, les modèles restent incertains et des interrogations persistent, notamment sur la fréquence et l'ampleur des événements météorologiques extrêmes qui facilitent le déclenchement des grands feux de forêt.

Cette thèse contribue à l'amélioration de notre compréhension des facteurs environnementaux qui ont déterminé la dynamique du régime des feux récent et passé dans la forêt boréale du nord-ouest canadien, dans le but de modéliser les interactions entre le climat, la végétation et les feux de forêt futurs. Ces informations aideront les gestionnaires et les communautés locales à anticiper le risque de feu futur en réponse au changement climatique, afin d'adapter les pratiques et les usages du territoire en conséquence pour limiter les effets potentiellement négatifs des grands feux de forêt.

Le chapitre II de cette thèse a visé à reconstituer le régime des feux depuis 1965 sur le territoire du Peuple Tłı̨chǫ, situé aux Territoires du Nord-Ouest (TNO) au Canada. Ce territoire a subi l'un des principaux grands feux de forêts enregistrés à l'échelle du Canada en 2014. Nous déterminons quelles conditions climatiques et écologiques majeures ont contribué au développement des saisons de feu extrêmes (EWY) durant les dernières décennies sur le territoire Tłı̨chǫ, et nous vérifions que l'année 2014 faisait bien partie de ces EWY. Nous avons mis en évidence des seuils climatiques propices à l'occurrence des EWY, en fonction des températures et des indices de sécheresse de l'horizon organique du sol mesurés au cours de la saison de feu. L'objectif du chapitre III a été de reconstituer le régime des feux et la végétation du territoire Tłı̨chǫ au cours de l'Holocène (11 700 ans) et de mettre en perspective nos résultats avec des reconstitutions du climat passé à l'échelle régionale afin de déterminer les principaux facteurs qui ont contrôlé l'occurrence et la taille des feux au cours du temps. Les reconstitutions paléoécologiques ont montré que les conditions chaudes et sèches, ainsi que la disponibilité en combustible et la composition des forêts, ont été les principaux facteurs ayant mené à de grands feux sévères à court et à long terme. Dans le chapitre IV, nous avons modélisé le risque de EWY futurs en fonction des projections de différents modèles climatiques couplés à deux scénarios de forçage radiatif (RCP4.5 et RCP8.5). Nous avons utilisé le modèle LPJ-LMfire afin de simuler la dynamique de la biomasse arborescente et du taux de brûlage au cours du XXIe siècle aux TNO et sur le territoire Tłı̨chǫ. Les simulations issues du modèle LPJ-LMfire ont montré que les taux de brûlage futurs seront principalement modulés par l'augmentation des températures et l'évolution de la dynamique de la végétation, notamment de l'épinette noire.

The north-central Canadian boreal forest experienced increased occurrence of large and severe wildfires caused by unusually warm temperatures and drought events during the last decade. It is, however, difficult to assess the exceptional nature of this recent wildfire activity, as few long-term records are available in the area. We analyzed macroscopic sedimentary charcoal from four lakes and pollen grains from one of those lakes to reconstruct long-term fire regimes and vegetation histories in the boreal forest of central Northwest Territories. We used regional estimates of past temperature and hydrological changes to identify the climatic drivers of fire activity over the past 10,000 years. Fires were larger and more severe during warm periods (before ca. 5000 cal yrs. BP and during the last 500 years) and when the forest landscape was characterized by high fuel abundance, especially fire-prone spruce. In contrast, colder conditions combined with landscape opening (i.e., lower fuel abundance) during the Neoglacial (after ca. 5000 cal yrs. BP) were related with a decline in fire size and severity. Fire size and severity increased during the last five centuries, but remained within the Holocene range of variability. According to climatic projections, fire size and severity will likely continue to increase in central Northwest Territories in response to warmer conditions, but precipitation variability, combined with increased abundance of deciduous species or opening of the landscape, could limit fire risk in the future.