The vegetation composition of northeastern North American forests has significantly changed since pre-settlement times, with a marked reduction in conifer-dominated stands, taxonomic and functional diversity. These changes have been attributed to fire regime shifts, logging, and climate change.

The 2023 wildfire season in Québec set records due to extreme warm and dry conditions, burning 4.5 million hectares and indicating persistent and escalating impacts associated with climate change. This study reviews the unusual weather conditions that led to the fires, discussing their extensive impacts on the forest sector, fire management, boreal caribou habitats, and particularly the profound effects on First Nation communities. The wildfires led to significant declines in forest productivity and timber supply, overwhelming fire management resources, and necessitating widespread evacuations. First Nation territories were dramatically altered, facing severe air quality issues and disruptions. While caribou impacts were modest across the province, the broader ecological, economical, and social repercussions were considerable. To mitigate future extreme wildfire seasons, the study suggests changes in forest management practices to increase forest resilience and resistance, adapting industrial structures to changes in wood type harvested, and enhancing fire suppression and risk management strategies. It calls for a comprehensive, unified approach to risk management that incorporates the lessons learned from the 2023 fire season and accounts for ongoing climate change. The study underscores the urgent need for detailed planning and proactive measures to reduce the growing risks and impacts of wildfires in a changing climate.

La saison des feux de forêt de 2023 au Québec, marquée par des conditions extrêmement chaudes et sèches, a établi de nouveaux records en brûlant 4,5 millions d'hectares. Cette situation est directement liée aux impacts persistants et en augmentation du changement climatique. Cette étude examine les conditions météorologiques exceptionnelles ayant mené aux feux et évalue leurs impacts significatifs sur le secteur forestier, la gestion des feux, les habitats du caribou boréal, et met particulièrement en lumière les répercussions profondes sur les communautés des Premières Nations. Les feux ont entraîné une baisse significative de la productivité des forêts et de l'approvisionnement en bois, submergeant les équipes de gestion des feux et nécessitant des évacuations massives. Le territoire et les communautés des Premières Nations ont été profondément affectés, confrontés à de graves problèmes de qualité de l'air et à des bouleversements considérables. Si l'impact sur l?habitat du caribou a été modeste dans l'ensemble de la province, les répercussions écologiques, économiques et sociales ont été considérables. Pour atténuer les impacts à venir des prochaines saisons de feux de forêt extrêmes, une avenue suggérée serait de modifier les pratiques d?aménagement forestier afin d'accroître la résilience et la résistance des forêts, d'adapter les structures industrielles aux nouvelles sources d'approvisionnement en bois et d'améliorer les stratégies de lutte contre les feux et la gestion des risques. De même, une approche globale

Les caractéristiques des forêts préindustrielles permettent d?établir des états de référence pour l'aménagement durable des forêts. Cette approche historique est particulièrement pertinente pour les régions soumises à une forte influence humaine, dans lesquelles les forêts naturelles sont rares. C'est le cas de la région de Rouyn-Noranda, à l'ouest du Québec. Nous avons utilisé les archives d'arpentage disponibles pour reconstituer la composition préindustrielle des forêts boréales mixtes de cette région. ? partir d'une base de données comportant 3621 observations sur la composition historique des forêts (1909?1940), nous dressons un portrait des forêts préindustrielles et des changements survenus dans la région. ? l?époque préindustrielle, les épinettes représentaient les espèces les plus abondantes: elles étaient présentes dans 85,5 % des observations, et étaient identifiées comme dominantes (c.-à-d., les plus abondantes localement) dans 63,9 % des observations. Les épinettes tendaient à être abondantes sur l'ensemble du territoire et des types de dépôts de surface. Entre les époques préindustrielle et moderne (1980?2020), nos résultats montrent une augmentation de la fréquence des feuillus de début de succession, dont principalement le peuplier faux tremble (+28 %). Ces changements de composition semblent attribuables à la combinaison de perturbations (feux, coupes, agriculture, etc.). Nous discutons finalement des implications de ces résultats pour les stratégies d'aménagement écosystémique dans la région.

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.

Increase in forest disturbance due to land use as well as climate change has led to an expansion of young forests worldwide, which drives global carbon dynamics and timber allocation. This study presents a method that combines a single airborne LiDAR acquisition and time since harvest maps to model height growth of post-logged black spruce-dominated forests in a 1700 km2 eastern Canadian boreal landscape. We developed a random forest model in which forest height at a 20 m × 20 m pixel resolution is a function of stand age, combined with environmental variables (e.g., slope, site moisture, surface deposit). Our results highlight the model's strong predictive power: least-square regression between predicted and observed height of our validation dataset was very close to the 1:1 relation and strongly supported by validation metrics (R2 = 0.74; relative RMSE = 19%). Environmental variables thus allowed to accurately predict forest productivity with a high spatial resolution (20 m × 20 m pixels) and predicted forest height growth in the first 50 years after logging ranged between 16 and 27 cm·year−1 across the whole study area, with a mean of 20.5 cm·year−1. The spatial patterns of potential height growth were strongly linked to the effect of topographical variables, with better growth rates on mesic slopes compared to poorly drained soils. Such models could have key implications in forest management, for example to maintain forest ecosystem services by adjusting the harvesting rates depending on forest productivity across the landscapes.

There is a pressing need for a better understanding of changing forest fire regimes worldwide, especially to separate the relative effects of potential drivers that control burned areas. Here we present a meta-analysis of the impacts of climate fluctuation and Euro-Canadian settlement on burned areas from 1850 to 1990 in a large zone (>100 000 km2) in northern temperate and boreal forests of eastern Canada. Using Cox regression models, we tested for potential statistical relationships between historical burned areas in 12 large landscapes (reconstructed with dendrochronological data) with climate reconstructions, changes in the Euro-Canadian population, and active suppression (all reconstructed at the decadal scale). Our results revealed a dominant impact of climate fluctuations on forest burned areas, with the driest decades showing fire hazards between 5 to 15 times higher than the average decades. Comparatively, the Euro-Canadian settlement had a much weaker effect, having increased burned areas significantly only during less fire-prone climate conditions. During periods of fire-prone climate, burned areas were maximum independent of fluctuations in Euro-Canadian populations. Moreover, the development of active fire suppression did not appear to reduce burned areas. These results suggest that a potential increase in climate moisture deficit and drought may trigger unprecedented burned areas and extreme fire events no matter the effects of anthropogenic ignition or suppression.

1. A better understanding of how disturbance impacts tree diversity at different scales is essential for our ability to conserve and manage forest ecosystems in the context of global changes. Here we test the impacts of land use?related disturbances on tree diversity since the 19th century across a broad region (>150,000 km2) of northern temperate forests in eastern Canada.
2. We used a large and unique dataset of early land surveys conducted during the 19th century (>130,000 species lists), along with modern forest inventories (>80,000 plots), to analyse long?term changes in taxonomic and functional tree diversity at several scales (grid cell resolutions ranging from 12.5 to 1,600 km2; we refer to one grid cell as a ‘landscape’).
3. Our results show that land use?related disturbances have led simultaneously to (a) increased diversity within landscapes and a (b) homogenization at the regional scale (i.e. decreased composition dissimilarity among landscapes). These trends were found for both taxonomic diversity and functional diversity, with temporal changes more pronounced for taxonomic than functional diversity. We also found an increase over time in the strength of correlations between environmental variables and diversity both within and among landscapes.
4. Synthesis. Our results support the idea that human?induced impacts on biodiversity are strongly scale?dependent and not necessarily associated with biodiversity loss. This highlights possible ways that human?driven changes in tree diversity might impact forest resistance and resilience to future global changes.

Forest fires are a key driver of boreal landscape dynamics and are expected to increase with climate change in the coming decades. A profound understanding of the effects of fire upon boreal forest dynamics is thus critically needed for our ability to manage these ecosystems and conserve their services. In the present study, we investigate the long-term post-fire forest dynamics in the southern boreal forests of western Quebec using historical aerial photographs from the 1930s, alongside with modern aerial photographs from the 1990s. We quantify the changes in forest cover classes (i.e., conifers, mixed and broadleaved) for 16 study sites that were burned between 1940 and 1970. We then analyzed how interactions between pre-fire forest composition, site characteristics and a fire severity weather index (FSWI) affected the probability of changes in forest cover. In the 1930s, half of the cover of sampled sites were coniferous while the other half were broadleaved or mixed. Between the 1930s and the 1990s, 41% of the areas maintained their initial cover while 59% changed. The lowest probability of changes was found with initial coniferous cover and well drained till deposits. Moreover, an important proportion of 1930s broadleaved/mixed cover transitioned to conifers in the 1990s, which was mainly associated with high FSWI and well-drained deposits. Overall, our results highlight a relatively high resistance and resilience of southern boreal coniferous forests to fire, which suggest that future increase in fire frequency may not necessarily result in a drastic loss of conifers. View Full-Text

Predicting future ecosystem dynamics depends critically on an improved understanding of how disturbances and climate change have driven long-term ecological changes in the past. Here we assembled a dataset of >100,000 tree species lists from the 19th century across a broad region (>130,000km2) in temperate eastern Canada, as well as recent forest inventories, to test the effects of changes in anthropogenic disturbance, temperature and moisture on forest dynamics. We evaluate changes in forest composition using four indices quantifying the affinities of co-occurring tree species with temperature, drought, light and disturbance. Land-use driven shifts favouring more disturbance-adapted tree species are far stronger than any effects ascribable to climate change, although the responses of species to disturbance are correlated with their expected responses to climate change. As such, anthropogenic and natural disturbances are expected to have large direct effects on forests and also indirect effects via altered responses to future climate change.

Context
Knowledge of how environmental gradients generate changes in community composition across forest landscapes (β-diversity) represents a critical issue in the era of global change, which exerts especially powerful impacts by shifting disturbance regimes.

Objectives
We analyzed the response of tree communities to increased disturbance rates that were linked to European settlement at the temperate-boreal interface of eastern Canada. We tested whether disturbance has led to spatial homogenization or heterogenization, and to decoupling or strengthening of community-environment relationships.

Methods
We used a reconstruction of pre-industrial tree communities based on historical land survey records (1854–1935), together with modern data, to assess changes in tree β-diversity patterns. Then, β-diversity was partitioned into fractions explained by spatial (dbMEM) and environmental variables (latitude, elevation, slope, drainage and surface deposits) in order to assess changes in spatial structures and community-environment relationships.

Results
In pre-industrial times, environmental variables explained only a small proportion of β-diversity since dominant taxa were present across the range of environmental gradients, whereas habitat specialists were very rare. Between pre-industrial and modern times, our analysis highlights an increase in β-diversity and the proportion of β-diversity that was explained by environmental variables. Increased disturbance rates have favored early-successional habitat specialist taxa and reduced the habitat breadth of pre-industrial generalists, thereby increasing the strength of community-environment relationships.

Conclusions
Our results support that disturbance can alter the strength of community-environment relationships and also suggest that functional traits of species within the regional pool could predict whether or not disturbance alters such relationships.

La colonisation européenne de l’est de l’Amérique du Nord a engendré une profonde transformation des paysages forestiers. De nombreuses études ont décrit une augmentation des jeunes forêts de début de succession comme conséquence des forts taux de perturbation liés à la colonisation (feux, défrichement, coupes à blanc). Dans cette étude, nous documentons les changements de composition spécifiques à des paysages forestiers aujourd’hui matures, qui n’ont été exploités que par des coupes partielles (coupes d’écrémage et coupes à diamètre limite) depuis l’époque préindustrielle. Nous avons réarpenté 108 observations de composition issues de rapports d’arpentage d’anciennes limites de concessions forestières (arpentées entre 1870 et 1890). Les résultats indiquent une augmentation de taxons de milieux à fin de succession (Betula alleghaniensis Britton, Thuja occidentalis L., Acer saccharum Marsh.) au détriment des conifères dominant à l’époque préindustrielle (Abies balsamea (L.) Mill., Pinus strobus L.). Ces changements de composition sont principalement la conséquence des coupes et des épidémies de tordeuse des bourgeons de l’épinette, et se sont aussi largement structurés le long du gradient topographique. Ceci témoigne de la pertinence de l’aménagement par coupes partielles, puisqu’il a permis le maintient d’une composition de milieux à fin de succession. Cependant, la restauration des populations de P. strobus parait aussi nécessaire. Nous concluons qu’en permettant la comparaison de sites appariés, le réarpentage d’observations historiques améliore remarquablement la compréhension des changements de composition survenus depuis l’époque préindustrielle.

Les changements globaux modifient les écosystèmes forestiers à la fois de manière directe par l'usage des sols et l'exploitation des ressources forestières, et de manière indirecte avec les changements climatiques. La connaissance des dynamiques historiques des paysages forestiers est donc essentielle pour la conservation des écosystèmes et pour mieux anticiper leur évolution future.

Dans le but de maintenir les écosystèmes et la biodiversité, l'aménagement écosystémique vise à reproduire les patrons écologiques créés par la dynamique naturelle des forêts. Aussi, dans les régions qui ont été largement impactées par les activités humaines dans le passé, comme ceci a été le cas au Témiscamingue, l'aménagement écosystémique peut s'inspirer d'états de référence historique; les forêts préindustrielles. Dans cette thèse, les archives de l'arpentage primitif du Témiscamingue ont été utilisées pour reconstituer la composition des forêts préindustrielles et les changements de composition survenus depuis cette époque, avec différentes approches répondant chacune à des questions spécifiques.

Une reconstitution de la composition des forêts préindustrielles et des changements de composition a premièrement été réalisée pour le domaine bioclimatique de la sapinière à bouleau jaune. Une approche cartographique (regroupements statistiques sous contrainte spatiale) a permis d'identifier des structures spatiales dans les paysages préindustriels, qui semblent principalement liées aux régimes de feux. Les épinettes noires (Picea mariana) et le sapin baumier (Abies balsamea) dominaient les coteaux affectés par des feux relativement anciens, alors que le peuplier faux-tremble (Populus tremuloides) dominait les plaines argileuses affectées par des feux récents. Par la suite, les feux liés à la colonisation et superposés aux coupes du début du siècle ont dans l'ensemble abouti à un remplacement des conifères par les feuillus de début de succession (Populus tremuloides, Betula papyryfera). Les changements post-industriels de composition doivent donc être perçus comme le résultat d'interactions entre la structure du paysage préindustriel et les perturbations naturelles et humaines.

Si les forêts très perturbées depuis l'époque préindustrielle ont enregistré une forte augmentation des feuillus de début de succession, les forêts ayant uniquement subi des perturbations de plus faible intensité (coupes partielles anciennes, épidémies de tordeuse des bourgeons de l'épinette) semblent avoir poursuivi des trajectoires distinctes. Pour caractériser ces trajectoires, 108 observations historiques localisées dans des forêts aujourd'hui matures ont été réarpentées. Les résultats indiquent une augmentation de taxons de milieux à fin de succession (Acer saccharum, Betula alleghaniensis, Thuja occidentalis) au détriment des conifères dominant cet échantillon de forêts à l'époque préindustrielle (Abies balsamea, Pinus strobus). En permettant la comparaison de sites appariés, le réarpentage d'observations historiques améliore remarquablement la compréhension des changements de composition survenus depuis l'époque préindustrielle.

Les relations entre les communautés et les gradients environnementaux représentent une question centrale en écologie. Un partitionnement de la diversité-β a permit de comparer l'influence des gradients environnementaux (latitude, altitude, pente, dépôt, drainage) sur la composition des forêts préindustrielles et modernes. Bien que l'histoire des feux ait été à l'origine d'une importante structuration spatiale des forêts préindustrielles, nos résultats montrent que les conifères dominants à cette époque (Picea spp., Abies balsamea, Pinus spp.) étaient très ubiquistes du point de vue des gradients environnementaux. Les perturbations du XX^e siècle ont ensuite augmenté l'influence des gradients environnementaux sur la composition des forêts en favorisant des taxons plus spécialistes (Populus spp., Acer spp.) et en confinant les conifères dominant à l'époque préindustrielle vers les extrémités des gradients. Les perturbations représentent donc des facteurs clefs dans la diversité des paysages forestiers du nord de la zone tempérée et de la zone boréale. Non seulement les gradients de fréquence des perturbations génèrent des structures spatiales, mais les perturbations pourraient aussi augmenter l'influence des filtres environnementaux.

Finalement, cette thèse apporte plusieurs éléments pertinents pour l'aménagement écosystémique au Témiscamingue. Face à l'enfeuillement général des forêts, l'aménagement écosystémique doit avoir pour principal objectif de rétablir des forêts à dominance résineuse. Cet objectif peut être atteint par l'utilisation de coupes partielles qui permettrait de limiter l'envahissement par les feuillus de début de succession, tout permettant le développement de la régénération résineuse préétablie. Des plantations de réintroduction après coupes devraient aussi être envisagées quand l'abondance des conifères a trop diminué pour assurer une régénération naturelle efficiente.

Questions

What were the pre-industrial forest landscape composition patterns? Which factors had structured the pre-industrial landscape patterns? How have pre-industrial landscape patterns and post-industrial disturbances controlled composition changes?

Location

An area of 4175 km2 at the temperate–boreal forest interface of southwest Quebec, Canada.

Methods

Reconstruction of the pre-industrial composition is based on an original early land survey data set (1874–1935). Composition changes were computed by comparing historical data with modern forest inventories. Landscape-scale patterns and composition changes were assessed through spatially constrained clustering analysis.

Results

Pre-industrial forest composition was structured across the landscape by the combination of environmental gradients (topography, deposits, drainage, etc.) and recurrence of fire. Frequency and intensity of fires were most likely the main drivers of forest dynamics and composition across the landscape. Black spruce (Picea mariana) and balsam fir (Abies balsamea) dominated hilly areas affected by former fires; aspen (Populus tremuloides) dominated lowlands following recent fire. White cedar (Thuja occidentatlis) and pines (Pinus spp.) dominated areas probably affected by small surface fires. New disturbance regimes that were subsequently incurred by human activities have shifted the pre-industrial landscape mosaic and have led to the current landscapes. Composition changes included a replacement of conifers by early successional species within settled or burned areas, and the maintenance of conifers and an increase in cedar dominance in areas affected by partial disturbance.

Conclusions

Post-industrial composition changes must be perceived as complex interactions between pre-industrial landscape patterns and natural and human disturbances. Such land-use legacies could be important drivers of future landscape change and should be investigated and considered when predicting future climate-induced ecological changes.