To improve our understanding of climate-driven long-term dynamics of eastern Asian mountain forests, we used field surveys and dendrochronological techniques to examine regeneration density, growth rate of mature trees, and growth sensitivity to climate of 3 common coniferous tree species at their respective altitudinal distribution limits on Changbai Mountain, northeastern China. The studied species were Manchurian fir (Abies nephrolepis, distributed between 780 and 1750 m asl), Korean pine (Pinus koraiensis, 780 and 1300 m asl), and Jezo spruce (Picea jezoensis var. komarovii, 1000 and 1750 m asl). Regeneration densities did not differ significantly among the elevations except for Jezo spruce, which showed a significantly lower regeneration density at 1000 m asl as compared to 1300 and 1750 m asl. All 3 species showed a significantly higher basal area increment (BAI) at the middle part of their distribution ranges than at their limits. The growth of Manchurian fir and Jezo spruce exhibited higher sensitivity to precipitation than to temperature at their lower distribution limits, and the inverse pattern was observed at the upper limit. In all cases the correlations between growth and the respective climate variable were positive, except for the correlation between Jezo spruce growth and precipitation. Growth of Korean pine was positively correlated with spring temperature and summer moisture at its lower distribution limit and with summer temperature at its upper limit. Our study suggests that elevational limits of forest vegetation were likely constrained by climate factors affecting growth of dominant species rather than those controlling regeneration density.

Afin d'améliorer notre compréhension de la dynamique à long terme de l'influence des facteurs climatiques sur les forêts de montagne de l'est de l'Asie, nous avons réalisé des relevés sur le terrain et utilisé des méthodes dendrochronologiques pour examiner la densité de régénération, le taux de croissance d'arbres matures et la sensibilité au climat de la croissance de trois espèces communes de conifères à leurs limites respectives de répartition altitudinale dans le massif Changbai, au nord-est de la Chine. Les espèces étudiées étaient le sapin de Mandchourie (Abies nephrolepis, retrouvé entre 780 et 1750 m asl), le pin de Corée (Pinus koraiensis, 780 à 1300 m asl) et l'épinette Jezo (Picea jezoensis, 1000 à 1750 m asl). La densité de régénération ne variait pas significativement entre les élévations, sauf pour l'épinette Jezo qui avait une densité de régénération significativement plus faible à 1000 m qu'à 1300 m et 1750 m asl. L’accroissement de la surface terrière pour les trois espèces était significativement plus élevée dans la partie centrale de leur aire de répartition qu'aux limites. La croissance du sapin de Mandchourie et de l'épinette Jezo montrait une plus grande sensibilité aux précipitations qu'aux températures à leurs limites inférieures de répartition alors que le patron inverse était observé à leurs limites supérieures. Dans tous les cas, les corrélations entre la croissance et une variable climatique en particulier étaient positives, sauf pour la corrélation entre la croissance de l'épinette Jezo et les précipitations. La croissance du pin de Corée était corrélée de façon positive avec les températures printanières et l'humidité estivale à sa limite inférieure de répartition et avec les températures estivales à sa limite supérieure. Notre étude suggère que les limites altitudinales de la forêt sont probablement contraintes par des facteurs climatiques affectant la croissance des espèces dominantes plutôt que par des facteurs régissant la densité de la régénération.

Aims We examined growth of red maple (Acer rubrum L.) to evaluate environmental controls of its northern distributional limit in Eastern North America and its potential response to future climate change.

Methods We collected growth data from nine sites located along a 300-km transect (47–49°N), which included frontier population of red maple and covered three bioclimatic domains in western Quebec. We analyzed three growth variables: growth rates during the first 30 years of maple lifespan, cumulative basal area increment (BAI) over the most recent decade (2000–09) and annual growth rate over the whole tree lifespan ranging from 58 to 112 years. We also examined growth sensitivity to climate by using response function analysis.

Important Findings Three different proxies of maple absolute growth (initial growth rate, BAI during 2000–09 and mean diameter growth rate) indicated a better growth with an increase in latitude. We speculate that stand history effectively overrode the direct effects of colder climate on maple growth along the S-N gradient. Regeneration of maple in the southern sites likely occurred in canopy gaps, whereas in the north it was contingent upon large disturbances such as stand-replacing fires, which apparently provided more favorable light environment for maple growth than canopy gaps. The annual growth variability, which reflects effects of annual weather on growth and is largely independent from the absolute growth rate, was significantly affected by monthly climate, suggesting a positive effect of higher summer temperature in the northern part of the transect (48–49°N) and a negative effect of summer drought in the south (47–48°N). In the future, the natural and human disturbance regimes will be dominant controls of the actual biomass productivity of red maple at the northern limit of its present distribution range. Direct effects of climate on maple growth would likely be less important in this context, and will likely entail negative effect of increased summer drought in the southern part of the study area and positive effects of increased temperatures in the north.

We used dendrochronological methods to study disturbance history of a mixed Korean pine (Pinus koraiensis Siebold et Zuccarini) dominated forest on the northern slope of Changbai Mountain, North Eastern China, over 1770–2000. Frequent small-scale canopy gaps and infrequent medium-scale canopy disturbances dominated natural disturbance regime in the forest, which did not experience stand-replacing disturbances over the studied period. Percentages of growth releases in subcanopy trees were below 6% in most decades, suggesting that disturbances initiating these releases were of low intensity. Strong winds were likely cause of moderate disturbance events. Two episodes with increased disturbance rates (19% and 13%) were dated to the 1920s and 1980s, timing of the 1980s event was consistent with a hurricane occurred in 1986 on the western slope of the Changbai Mountain. Age structure and growth release analyses revealed species-specific regeneration strategies of canopy dominants. Shade-intolerant Olga bay larch (Larix olgensis Henry) recruited mainly before the 1860s. Recruitment of moderately shade-tolerant P. koraiensis occurred as several regeneration waves (1820s, 1850s, 1870–1880s, 1930s, and 1990–2000s) of moderate intensity. Shade-tolerant Jezo spruce (Picea jezoensis Carr. var. komarovii (V. Vassil.) Cheng et L.K.Fu) and Manchurian fir (Abies nephrolepis (Trautv.) Maxim.) regenerated continuously over the last 220 and 130 years, respectively. Enhanced recruitment of P. koraiensis, P. jezoensis, and A. nephrolepis was observed during the 1930s and 1990s, coinciding with increased growth release frequency in the 1920s and 1980s, and suggesting disturbance events of moderate intensity. Our results indicate that the current disturbance regime of the mixed Korean pine dominated forest maintains coexistence of light-demanding and shade-tolerant species and that change in wind climate may be particularly important for future forest composition.

Afin d'évaluer la réponse de la croissance des arbres au changement climatique à leur limite de répartition et d'identifier les changements potentiels de leur aire de répartition, nous avons utilisé des méthodes dendrochronologiques en laboratoire et sur le terrain. Les zones d'étude se situaient dans des zones de transition forestière dans le nord de la Chine et dans l'ouest du Québec. Toutes deux présentaient une structure forestière similaire (forêt mixte) avec de nombreuses espèces situées à leur limite de répartition. De part et d'autre de celle-ci, les forêts étaient influencées par le climat et les perturbations, nous permettant ainsi de détecter les facteurs contrôlant les écotones forestiers. Dans le nord de la Chine, nous nous sommes concentrés sur trois conifères dominants le long d'un gradient altitudinal (750-1800 m) dans le Massif Changbai. Les forêts étudiées étaient composées du pin de Corée (Pinus koraiensis Siebold et Zuccarini), de l'épinette Jezo (Picea jezoensis Carr. var. komarovii (V.Vassil.) Cheng et L.K.Fu) et du sapin de Mandchourie (Abies nephrolepis (Trautv.) Maxim.). Nous avons également discuté d'un éventuel changement de la position altitudinale des écotones dans le contexte de réchauffement climatique. Dans l'ouest du Québec, nous avons analysé les modèles de croissance et de sensibilité de la croissance au climat de l'érable rouge (Acer rubrum L.) le long du gradient latitudinal (47-49° N). A la limite nordique de l'aire de répartition, nous avons examiné les effets directs et indirects des changements climatiques futurs sur la croissance et la position de la limite nordique.

Comme les chablis sont les principales perturbations affectant la croissance des espèces et la dynamique forestière dans le Massif Changbai, nous avons d'abord (chapitre I) reconstitué l'historique des perturbations dans la zone d'étude au cours de la période 1770-2000, sur la base de l'analyse des reprises de croissance et du patron de recrutement. Les pourcentages de reprises de croissance dans la canopée étaient inférieurs à 6 % dans la plupart des décennies, suggérant que les perturbations initiant ces reprises étaient de faible intensité. Les vents forts étaient la cause la plus probable de ces perturbations modérées. Deux épisodes avec des taux élevés de perturbations (19% et 13%) correspondaient aux décennies 1920 et 1980. Le recrutement du mélèze de la Baie d'Olga (Larix olgensis Henry), espèce intolérante à l'ombre, a eu lieu principalement avant les années 1860. Le recrutement du pin de Corée, espèce mi-tolérante à l'ombre, s'est produit via plusieurs vagues de régénération d'intensité modérée (décennies 1820, 1850, 1870, 1880, 1930 et 1990 et 2000). La régénération de l'épinette Jezo et du sapin de Mandchourie, espèces tolérantes à l'ombre, était continue au cours des dernières 220 et 130 années respectivement. Un meilleur recrutement du pin de Corée, de l'épinette Jezo et du sapin de Mandchourie a été observé au cours des décennies 1930 et 1990, coïncidant avec une augmentation de la fréquence des reprises de croissance lors des décennies 1920 et 1980. Cela suggère des perturbations d'intensité modérée.

Nous avons étudié la densité de régénération, l'accumulation de la biomasse et la sensibilité de la croissance au climat du pin de Corée, de l'épinette Jezo et du sapin de Mandchourie à leurs limites respectives de répartition altitudinale dans le Massif Changbai (Chapitre II). Les densités de la régénération ne différaient pas significativement entre les élévations, sauf pour l'épinette de Jezo qui a montré une densité de régénération nettement plus faible à sa limite inférieure par rapport à sa limite supérieure. Les trois espèces avaient une surface terrière significativement plus élevée au milieu du gradient altitudinal de répartition par rapport aux limites inférieure et supérieure du gradient. Elles ont également montré une plus grande sensibilité aux températures qu'aux précipitations à leurs limites supérieures de répartition et la tendance inverse a été observée à leurs limites inférieures. Aux limites supérieures respectives, les températures estivales (pour le pin de Corée et l'épinette de Jezo) et printanières (pour le sapin de Mandchourie) de l'année en cours affectaient positivement la croissance des arbres. Aux limites inférieures respectives, les précipitations automnales de l'année précédente avaient un effet positif sur la croissance. Notre étude suggère que les limites altitudinales de la végétation forestière ont été entravées par des facteurs climatiques affectant la croissance des espèces dominantes plutôt que par des facteurs contrôlant la densité de la régénération. Les changements climatiques auraient probablement modifié les limites altitudinales de l'optimum climatique pour la croissance des espèces dominantes se traduisant par des changements dans les compositions spécifiques et la localisation des écotones.

Dans le chapitre III, nous avons examiné les taux de croissance et la sensibilité de la croissance de l'érable rouge face aux conditions climatiques, en analysant les données dendrochronologiques de neuf sites situés le long d'un transect latitudinal de 300 km (47-49 °N) couvrant trois domaines bioclimatiques dans l'ouest du Québec. Les trois variables de croissance étudiées étaient les taux de croissance au cours des 30 premières années de la vie de l'érable, la croissance cumulative de la surface terrière au cours de la dernière décennie (2000-2009) et le taux de croissance annuelle pendant toute la durée de vie de l'érable. Toutes trois étaient positivement corrélées à la latitude. Sur l'ensemble du transect, la variation annuelle de la croissance de l'érable était positivement affectée par les températures de septembre de l'année précédente. Les températures de juillet de l'année en cours et les précipitations de décembre de l'année précédente ont eu un effet positif sur la croissance dans la partie nord du transect (48-49 °N). La croissance était limitée au milieu de l'été (juillet) par la sécheresse à l'extrémité sud du transect (47-48 °N). La contradiction apparente entre les résultats de la croissance absolue et ceux de la fonction de réponse a été interprétée par l'effet de l'histoire du peuplement sur le modèle de croissance de l'érable rouge. Plus précisément, les érables recrutés après de fortes perturbations, comme à la suite d'un feu, dans le nord, pourraient profiter des niveaux de luminosité plus élevés, nécessaires à la croissance, par rapport au peuplement plus au sud qui se sont probablement développés dans des trouées. Les changements climatiques prévus pourraient favoriser la croissance de l'érable rouge dans la sapinière à bouleau à papier, résultant en une migration de l'érable dans la forêt boréale mixte. Cependant, les régimes de perturbations naturelles et anthropiques qui affectent les conditions de croissance à l'échelle du site semblent contrôlés la productivité de la biomasse de l'érable rouge au sein de son aire de répartition actuel.

Notre étude suggère que les limites de répartition des espèces étudiées étaient contrôlées par les effets directs du climat et des perturbations sur leur recrutement et leur croissance. Les effets directs des changements climatiques futurs pourraient influencer positivement la croissance des arbres et le recrutement aux limites altitudinales (Massif Changbai) et latitudinales (ouest du Québec). Alors que les effets des changements des régimes de perturbations sur le maintien des espèces forestières étaient différents entre les deux zones d'étude, les réponses à ces changements dépendent principalement de la stratégie de vie et des caractéristiques écologiques des espèces. Dans le Massif Changbai, l'augmentation des températures et des tempêtes pourraient faciliter la migration des arbres vers de plus hautes altitudes, conduisant à un déplacement de la position actuelle de l'écotone feuillus-pin coréen / épinette-sapin. Dans l'ouest du Québec, un effet cumulée d'un climat plus chaud et d'une activité des feux pourrait favoriser une meilleure croissance de l'érable. De meilleures projections de la dynamique des précipitations, qui contrôlent directement les niveaux d'activité des feux dans le contexte du réchauffement climatique, pourraient améliorer notre capacité à prévoir les changements futurs à la limite de distribution septentrionale de l'érable rouge.