In boreal ecosystems, wildfire severity (i.e., the extent of fire-related tree mortality) is affected by environmental conditions and fire intensity. A burned area usually includes tree patches that partially or entirely escaped fire. There are two types of post-fire residual patches: (1) patches that only escaped the last fire; and (2) patches with lower fire susceptibility, also called fire refuges, that escaped several consecutive fires, likely due to particular site characteristics. The main objective of this study was to test if particular environmental conditions and stand characteristics could explain the presence of fire refuges in the mixedwood boreal forest. The FlamMap3 fire behavior model running at the landscape scale was used on the present-day Lake Duparquet forest mosaic and on four other experimental scenarios. FlamMap3 was first calibrated using BehavePlus and realistic rates of fire spread obtained from the Canadian Fire Behavior Prediction system. The results, based on thousands of runs, exclude the effects of firebreaks, topography, fuel type, and microtopography to explain the presence of fire refuges, but rather highlight the important role of moisture conditions in the fuel beds. Moist conditions are likely attributed to former small depressions having been filled with organic matter rather than present-day variations in ground surface topography.

Wildfires in boreal forest ecosystems usually spare tree stands called post-fire residual patches. There are two types of post-fire residual patches: (1) patches that only escaped fire by chance, probably due to local meteorological conditions unsuitable for fire spread at the moment fire reached their surroundings (random post-fire residual patches), and (2) patches with lower fire susceptibility, that escaped several consecutive fires, likely due to particular site characteristics (fire refuges). Special conservation efforts could target fire refuges owing to their old age, long ecological continuity, and potential specific biological diversity. Here we compared the stand characteristics of 13 post-fire residual patches from the eastern Canadian boreal mixedwood forest to develop guidelines and information for forest managers to differentiate fire refuges from random post-fire residual patches. Two main structural characteristics differentiated fire refuges from random post-fire residual patches: mean tree diameter and thickness of the soil organic matter layer. Thick organic matter accumulation in fire refuges is likely linked to a paludification process, which in turn reduces stand productivity, and thus, mean tree diameter.

Wildfires in boreal forest ecosystems usually spare tree stands called post-fire residual patches. There are two types of post-fire residual patches: (1) patches that only escaped fire by chance, probably due to local meteorological conditions unsuitable for fire spread at the moment fire reached their surroundings (random post-fire residual patches), and (2) patches with lower fire susceptibility, that escaped several consecutive fires, likely due to particular site characteristics (fire refuges). Special conservation efforts could target fire refuges owing to their old age, long ecological continuity, and potential specific biological diversity. Here we compared the stand characteristics of 13 post-fire residual patches from the eastern Canadian boreal mixedwood forest to develop guidelines and information for forest managers to differentiate fire refuges from random post-fire residual patches. Two main structural characteristics differentiated fire refuges from random post-fire residual patches: mean tree diameter and thickness of the soil organic matter layer. Thick organic matter accumulation in fire refuges is likely linked to a paludification process, which in turn reduces stand productivity, and thus, mean tree diameter.

Le feu est la principale perturbation en forêt boréale mixte. La sévérité des feux n'est pas spatialement homogène et épargne souvent partiellement ou entièrement des parties de la forêt appelées îlots résiduels. Ces îlots forestiers résiduels sont étudiés depuis de nombreuses années, et ces études se sont surtout intéressées aux facteurs déterminant leur occurrence à l'échelle du paysage. Cependant, des travaux réalisés en Fennoscandinavie et aux États-Unis ont révélé la présence de peuplements forestiers (appelés refuges) ayant la capacité de se maintenir dans le territoire pendant plusieurs millénaires. L'objectif principal de cette thèse était de caractériser la dynamique temporelle et la structuration d'îlots forestiers résiduels localisés au sein de la forêt boréale mixte de l'est du Canada. Les travaux ont porté sur la reconstitution de l'historique des feux et de la dynamique de la végétation de ces îlots au cours de l'Holocène, et de leurs caractéristiques stationnelles. Cette recherche s'inscrivait dans une perspective d'aménagement forestier écosystémique des massifs forestiers, avec comme point de mire la préservation de la diversité biologique des différentes mosaïques paysagères.

Treize îlots forestiers qui ont échappé au dernier feu ont été échantillonnés. Des carottes de sol ont été extraites dans chacun des sites pour réaliser des analyses paléoécologiques. Les reconstitutions de l'historique des feux et des dynamiques de végétation ont respectivement été fondées sur l'analyse des charbons de bois macroscopiques (> 250 μm) et des macrorestes végétaux. Les caractéristiques stationnelles de chaque site ont été échantillonnées (composition spécifique, diamètre et hauteur des arbres et des chicots, épaisseur de la matière organique, densité et volume des arbres et des chicots, volume de bois mort au sol). La charge en combustible des îlots a aussi été mesurée. Les données ont également servi à alimenter des modèles numériques de comportement du feu (Fire Behavior Prediction System, BehavePlus, FlamMap3) qui ont été utilisés afin de déterminer les caractéristiques stationnelles qui pourraient permettre à certains îlots d'échapper à plusieurs feux successifs.

Les résultats ont mis en évidence l'existence de deux types d'îlots résiduels en forêt boréale mixte : les refuges et les îlots résiduels transitoires. Les refuges sont moins susceptibles au feu comparativement aux îlots transitoires qui ont échappé uniquement au dernier feu, probablement de façon fortuite. Les refuges ont en revanche la capacité de persister dans le paysage forestier durant plusieurs millénaires, ne brûlant que lors de feux particulièrement sévères. Les analyses macrofossiles des refuges soulignent des changements majeurs au sein de la végétation locale, avec notamment le passage de formations dominées par Larix laricina/Picea spp. vers des formations dominées par Abies balsamea/Thuja occidentalis. Ce changement de végétation s'est produit à différentes périodes selon les sites, soulignant un processus endogène. Le développement de Larix laricina s'est accompagné dans certains assemblages macrofossiles de taxons typiques de milieux humides (tels que les characées). Les espèces de fin de succession (Abies balsamea/Thuja occidentalis) se sont maintenues dans le paysage forestier pendant plusieurs siècles, même après des feux sévères, probablement en raison de l'humidité des sites. L'épaisse couche de matière organique qui caractérise les refuges semble entraver le développement d'espèces de début de succession telles que Betula papyrifera et Populus tremuloides.

Certains facteurs biotiques ou abiotiques pourraient limiter la propagation du feu dans les îlots refuges, ce qui expliquerait leur caractère persistant. Les résultats des simulations du comportement du feu suggèrent un rôle mineur des coupe-feu (lacs, tourbières et affleurements rocheux), de la charge en combustible et de la topographie dans l'occurrence des refuges. L'humidité semble être le seul facteur déterminant leur développement au sein de la mosaïque paysagère. Les refuges se mettent en place au sein de faibles dépressions humides qui favorisent l'accumulation de la matière organique.

La structure des refuges et des autres îlots résiduels révèle deux principales caractéristiques permettant de les distinguer sur le terrain : le diamètre moyen des arbres et l'épaisseur de la matière organique. Les arbres des refuges ont un plus petit diamètre que ceux des autres îlots résiduels. Ceci peut s'expliquer par l'importante épaisseur de matière organique des refuges, qui affecte négativement la croissance des arbres. La facilité de détection des îlots refuges permettra leur prise en compte dans les stratégies d'aménagement forestier, notamment en assurant leur conservation à des fins de préservation de la biodiversité. Les recherches futures consacrées aux îlots forestiers résiduels après feu pourront se focaliser sur la mise en évidence de leurs éventuelles spécificités biologiques (surtout les refuges) et sur une caractérisation plus fine des paramètres biotiques et abiotiques déterminant leur développement.

Burned areas in boreal mixedwood forests usually include tree patches that partially or entirely escaped fire. Some of these post-fire residual stands – called fire refuges – can escape several consecutive fires due to particular microsite conditions. Despite their potential importance as biodiversity hotspots, the long-term forest dynamics of fire refuges is unknown. High-resolution analysis of plant macroremains retrieved from forest organic matter profiles sampled in five fire refuges allowed us to describe up to 8000 years of forest dynamics. Our results display the importance of local conditions in forest dynamics. Wildfire was probably prevented by high moisture, as indicated by the presence of aquatic taxa and moisture-tolerant tree species. Lack of stand-replacing fire, coupled with organic matter accumulation, favored the millennial persistence of late-successional tree species. Shifts from spruce/larch dominance to fir/cedar dominance were noted at different occasions during the Holocene, probably resulting from endogenous processes.