Indirect climate effects on tree fecundity that come through variation in size and growth (climate-condition interactions) are not currently part of models used to predict future forests. Trends in species abundances predicted from meta-analyses and species distribution models will be misleading if they depend on the conditions of individuals. Here we find from a synthesis of tree species in North America that climate-condition interactions dominate responses through two pathways, i) effects of growth that depend on climate, and ii) effects of climate that depend on tree size. Because tree fecundity first increases and then declines with size, climate change that stimulates growth promotes a shift of small trees to more fecund sizes, but the opposite can be true for large sizes. Change the depresses growth also affects fecundity. We find a biogeographic divide, with these interactions reducing fecundity in the West and increasing it in the East. Continental-scale responses of these forests are thus driven largely by indirect effects, recommending management for climate change that considers multiple demographic rates.

The boreal ecocline (ca 49°N) between the southern mixedwood (dominated by balsam fir) and the northern coniferous bioclimatic domain (dominated by black spruce) may be explained by a northward decrease of balsam fir regeneration, explaining the gradual shift to black spruce dominance. 7,010 sample plots, with absence of major disturbances, were provided by the Quebec Ministry of Forest, Fauna, and Parks. The regeneration (sapling abundance) of balsam fir and black spruce were compared within and between the two bioclimatic domains, accounting for parental trees, main soil type (clay and till) and climate conditions, reflected by summer growing degree?days above 5°C (GDD_5), total summer precipitation (May–August; PP_MA). Parental trees and soil type determined balsam fir and black spruce regeneration. Balsam fir and black spruce, respectively, showed higher regeneration in the mixedwood and the coniferous bioclimatic domains. Overall, higher regeneration was obtained on till for balsam fir, and on clay soils for black spruce. GDD_5 and PP_MA were beneficial for balsam fir regeneration on clay and till soils, respectively, while they were detrimental for black spruce regeneration. At a population level, balsam fir required at least 28% of parental tree basal area in the mixedwood, and 38% in the coniferous bioclimatic domains to maintain a regeneration at least equal to the mean regeneration of the whole study area. However, black spruce required 82% and 79% of parental trees basal area in the mixedwood and the coniferous domains, respectively. The northern limit of the mixedwood bioclimatic domain was attributed to a gradual decrease toward the north of balsam fir regeneration most likely due to cooler temperatures, shorter growing seasons, and decrease of the parental trees further north of this northern limit. However, balsam fir still persists above this northern limit, owing to a patchy occurrence of small parental trees populations, and good establishment substrates.

To explain the transition between the southern mixedwood and the northern coniferous bioclimatic domains respectively dominated by balsam fir and black spruce, 59 sample plots were selected throughout the two bioclimatic domains. The regeneration (seedling abundance) and mortality (difference between seedlings and saplings) of balsam fir seedlings were compared within and between the two bioclimatic domains. We also determined the soil types (clay and till), summer growing degree-days above 5°C (GDD_5), and total summer precipitation (PP_MA). Balsam fir regeneration was strongly linked with parental trees and was higher in the mixedwood than in the coniferous bioclimatic domain, with higher regeneration occurring on till than on clay soils. Also, the mortality was higher on till than on clay soils, due to increasing competition on tills where the regeneration is higher. Unlike PP_MA, GDD_5 positively influenced balsam fir regeneration. The dynamic of balsam fir stands in the coniferous bioclimatic domain was attributed to a decrease of balsam fir regeneration and increase of its mortality most likely due to a lack of good establishment substrates (till soils), and cooler temperatures. However, balsam fir stands persist above this northern limit prospected, owing to patchy occurrences of good establishment substrates where parental trees are found.

The reproductive potentials of balsam fir and white spruce (co-dominants in mixedwood forests) and black spruce (dominant in coniferous forests) were studied to explain the location of the ecotone between the two forest types in the boreal zone of Quebec. Four sites were selected along a latitudinal gradient crossing the ecotone. Cone crop, number of seeds per cone, percentage filled seeds, and percentage germination were measured for each species. Balsam fir and white spruce cone crops were significantly lower in the coniferous than in the mixedwood forest, while black spruce had greater crop constancy and regularity between both forest types. Mast years were more frequent for black spruce than for balsam fir in both forest types (mast year data not available for white spruce). The number of seeds per cone was more related to cone size than to forest type for all species. Black spruce produced more filled seeds in the coniferous forest than balsam fir or white spruce. The sum of growing degree-days and the maximum temperature of the warmest month (both for the year prior to cone production) significantly affected balsam fir cone production. The climate-related northward decrease in reproductive potential of balsam fir and white spruce could partly explain the position of the northern limit of the mixedwood forest. This could change drastically, however, as the ongoing climate warming might cancel this competitive advantage of black spruce.

Aim Climate is often regarded as the primary control determining the location of an ecotone between two vegetation zones. However, other ecological factors may also be important, especially when the northern limit of the dominant species of a vegetation zone extends further than the limit of the zone itself. This study aimed to identify the ecological variables explaining the transition between two zones within the boreal biome in Quebec (eastern Canada): the southern mixedwood forests dominated by balsam fir ( Abies balsamea ) and white birch ( Betula papyrifera ), and the northern coniferous forests dominated by black spruce ( Picea mariana ).

Location Quebec (eastern Canada).

Methods Data from 5023 sampling plots from the ecological inventory of the Québec Ministry of Natural Resources distributed throughout the two bioclimatic zones were used in logistic regressions to determine the relationships between the presence or absence of balsam fir stands and different abiotic and biotic variables, at both stand and landscape scales.

Results The presence of balsam fir stands was negatively related to the thick organic horizons, coarse xeric deposits and low positions on the slope, whereas stands were favoured by high elevations, steep slopes and moderate drainage. These results defined the suitable conditions for the development of balsam fir stands. In the coniferous zone these suitable conditions were less abundant. Furthermore, the saturation level of suitable sites was lower, as well as the incidence of balsam fir stands in unsuitable sites (overflow). Balsam fir stands were mostly located near lakes and rivers. All significant variables at both the stand and landscape scales explained between 34 and 42% of the location of the potential northern distribution limit of the mixedwood zone.

Main conclusions Our results suggest the important role of historical factors related to post-glacial vegetation and past disturbances in determining the relative abundance of balsam fir in both zones of the boreal biome.

Cette thèse a été rédigée sous la forme de 4 articles scientifiques en anglais, et comporte un résumé, une introduction et une conclusion générale rédigés en français. Pour satisfaire aux exigences du jury de cette thèse, permettez-moi d’éclaircir le rôle des deux co-auteurs Alain Leduc et Hugo Asselin à la réalisation des différents chapitres. Dans tous les cas le design sur le terrain, les analyses et la rédaction ont été effectuées par moi-même sous la direction et les conseils de Yves Bergeron.

Chapitre 1: La contribution d’Alain Leduc a été dans la gestion des données et dans le domaine statistique ainsi que la révision du manuscrit. Les données proviennent de l’inventaire écologique du Ministère des Ressources Naturelles du Québec. Cet article a été publié dans la revue scientifique Global Ecology and Biogeography.

Chapitre 2, 3 et 4: La contribution de Hugo Asselin a suivi de très prêt l’évolution de ces trois articles et a grandement contribué à la qualité de l’anglais. Les données de ces trois chapitres proviennent des quatre sites d’étude. Le chapitre 2 a été publié dans la revue scientifique American Journal of Botany. Le chapitre 3 a été soumis à la revue Forest Ecology and Management. Enfin dans le chapitre 4, des données de l’inventaire dendrométrique des placettes temporaires du Ministère des Ressources Naturelles du Québec ont été ajoutées à celles de nos 4 sites d’étude. L’article a été soumis à la revue Canadian Journal of Forest Research. © 2007 UQAM tous droits réservés.

Le réchauffement global amorcé dès la fin du petit âge glaciaire et stimulé par les gaz à effet de serre va occasionner des bouleversements à l’échelle planétaire. L’impact sur les forêts va être énorme notamment celles situées dans les hautes latitudes. Elle affectera donc particulièrement la forêt boréale et mixte. Le but de ce travail est de mettre en évidence les connaissances actuelles sur l’impact de ces changements sur la dynamique des espèces arborescentes de la forêt boréale et mixte dans deux continents; en Europe et en Amérique du nord. Cette dynamique est représentée dans notre cas par l’effet des changements au niveau des températures et des précipitations sur la capacité reproductive de ces espèces ainsi que leur distribution future. Le climat agit de manière différente au niveau de chaque stade de reproduction allant de l’initiation florale à la maturation des graines. Un scénario d’un réchauffement des températures et des variations au niveau des précipitations peut donc s’avérer capital surtout pour les espèces situées à leur limite de distribution. De façon générale, la capacité reproductive sera améliorée à la limite nordique. Cependant, il subsiste des régions où cette capacité serait plus faible. À la limite sud, la capacité reproductive pourrait s’avérer plus basse à cause des températures plus élevées avec dans certaines régions des précipitations plus faibles. Par conséquent, les premiers signes de modification de la distribution des espèces se feront sentir plus au niveau des limites et à plus long terme et la distribution générale des espèces sera grandement affectée. Les modèles de simulation développés en Europe prévoient en général un déplacement des espèces vers le nord. La dynamique des limites nordiques de distribution répond directement aux fluctuations climatiques depuis la fin du petit âge glaciaire survenu en 1850 et marquées par deux périodes chaudes intercalées par une période froide. Les résultats sont par contre partagés; certains auteurs ont remarqué une consolidation des limites nordiques et non un déplacement de celles-ci vers le nord, d’autres un déplacement variable selon les espèces vers les latitudes et les altitudes plus élevées. Ces résultats antagonistes semblent refléter, d’une part la complexité des interactions entre les conditions climatiques et les espèces, et, d’autre part les différences entre les définitions des limites des arbres. Ils nous permettent également de dire que les espèces ne migrent pas en même temps et à la même vitesse et ceci pourrait être lié aux caractéristiques de chacune d’elle. Ceci nous amène à conclure à plus grande échelle qu’il est probable que la composition de la forêt boréale et mixte future ne sera pas la même que celle d’aujourd’hui. En plus, nous ignorons encore comment seront les variations spatio-temporelles du climat futur et si l’augmentation des températures demeure constant ou subira des fluctuations comme cela a été le cas depuis la fin du petit âge glaciaire. © 2003 UQAM tous droits réservés.