Following a wildfire, organic carbon (C) accumulates in boreal-forest soils. The long-term patterns of accumulation as well as the mechanisms responsible for continuous soil C stabilization or sequestration are poorly known. We evaluated post-fire C stock changes in functional reservoirs (bioreactive and recalcitrant) using the proportion of C mineralized in CO2 by microbes in a long-term lab incubation, as well as the proportion of C resistant to acid hydrolysis. We found that all soil C pools increased linearly with the time since fire. The bioreactive and acid-insoluble soil C pools increased at a rate of 0.02 and 0.12?MgC?ha?1?yr?1, respectively, and their proportions relative to total soil C stock remained constant with the time since fire (8?% and 46?%, respectively). We quantified direct and indirect causal relationships among variables and C bioreactivity to disentangle the relative contribution of climate, moss dominance, soil particle size distribution and soil chemical properties (pH, exchangeable manganese and aluminum, and metal oxides) to the variation structure of in vitro soil C bioreactivity. Our analyses showed that the chemical properties of podzolic soils that characterize the study area were the best predictors of soil C bioreactivity. For the O layer, pH and exchangeable manganese were the most important (model-averaged estimator for both of 0.34) factors directly related to soil organic C bioreactivity, followed by the time since fire (0.24), moss dominance (0.08), and climate and texture (0 for both). For the mineral soil, exchangeable aluminum was the most important factor (model-averaged estimator of ?0.32), followed by metal oxide (?0.27), pH (?0.25), the time since fire (0.05), climate and texture (?0 for both). Of the four climate factors examined in this study (i.e., mean annual temperature, growing degree-days above 5??C, mean annual precipitation and water balance) only those related to water availability – and not to temperature – had an indirect effect (O layer) or a marginal indirect effect (mineral soil) on soil C bioreactivity. Given that predictions of the impact of climate change on soil C balance are strongly linked to the size and the bioreactivity of soil C pools, our study stresses the need to include the direct effects of soil chemistry and the indirect effects of climate and soil texture on soil organic matter decomposition in Earth system models to forecast the response of boreal soils to global warming.

Les forêts boréales renferment d’importantes quantités de carbone organique, principalement dans leurs sols. Elles constituent ainsi une composante critique du cycle du carbone terrestre et jouent, par là-même, un rôle de premier plan dans la régulation du climat planétaire. Accroître les stocks de carbone dans les écosystèmes terrestres, et particulièrement dans les sols des forêts boréales, est une des stratégies proposées pour atténuer le réchauffement climatique à moindre coût. L’amplitude et la direction du développement des réservoirs de carbone du sol qui surviendra en lien avec des modifications environnementales, induits par le réchauffement climatique, sont néanmoins incertaines. Les sols pourraient accumuler davantage de carbone avec l’accroissement de la productivité de l’écosystème, ce qui améliorerait la chimie de l’atmosphère et atténuerait le réchauffement climatique. A l’inverse, si la décomposition du carbone par les microorganismes du sol est stimulée avec l’augmentation des températures, les sols pourraient accélérer le réchauffement climatique en retournant du carbone vers l’atmosphère. Comprendre les variabilités spatiale et temporelle des stocks de carbone dans les sols, ainsi que les processus qui régissent sa séquestration à long terme apparaissent ainsi être des clés essentielles pour adapter des pratiques d’aménagement du territoire raisonnées pour participer aux efforts d’atténuation du réchauffement climatique.

L’objectif général de nos travaux était ainsi d’approfondir notre compréhension des processus de stockage du carbone dans les sols forestiers, avec l’étude de cas des sols à drainage modéré de la pessière à mousses au Québec. En se basant sur l’échantillonnage des sols dans 72 sites d’étude, répartis le long d’une chronoséquence après feu (de 2 à 314 ans) et dans un vaste territoire caractérisé par une variabilité climatique, nos travaux visaient à déterminer les principaux facteurs de contrôle et les mécanismes rattachés aux processus de stockage du carbone dans les sols. Pour chacun des sites étudiés, nous avons analysé la quantité et la qualité des réservoirs de carbone du sol. La quantité de carbone du sol à l’échelle du peuplement a été calculée à partir des données récoltées au terrain et de la concentration des échantillons en carbone déterminée en laboratoire. La qualité du carbone a été déterminée avec une méthode d’incubation des sols en atmosphère contrôlée pour évaluer la réactivité biologique du carbone, et avec l’hydrolyse acide des échantillons pour évaluer la récalcitrance du carbone. Nous avons aussi déterminé certaines propriétés physico-chimiques des sols par des analyses standardisées.

D’abord, nos résultats ont montré que seules les variables climatiques liées à la disponibilité en eau, et non pas aux températures, n’exerçaient qu’un contrôle indirect sur l’accumulation du carbone dans le sol. L’effet indirect du climat s’exprimait au travers de l’influence directe des variables liées à la disponibilité en eau sur la strate des mousses, qui elle-même avait une influence directe sur l’accumulation ou indirecte sur la réactivité biologique du carbone dans le sol. Le climat influençait aussi la complexation organométallique. Le temps écoulé depuis le dernier feu était le principal déterminant de l’accumulation de carbone dans l’horizon organique développé en surface du sol. Le temps depuis le dernier feu déterminait aussi le stock de carbone dans le sol minéral et la réactivité biologique du carbone dans l’horizon organique au travers de son influence sur le pH du sol. En limitant l’activité microbienne, le pH du sol a été identifié comme étant un facteur majeur de contrôle direct du stock de carbone dans le sol minéral, de la réactivité biologique du carbone dans l’horizon organique et dans le sol minéral. Le pH du sol modulait aussi les processus de complexation organométallique et influençait la quantité d’aluminium échangeable. Or la complexation organométallique influençait directement le stock et la réactivité biologique du carbone et l’aluminium échangeable influençait directement la réactivité biologique du carbone dans le sol minéral.

Les résultats de la thèse remettent en question le postulat de base utilisé dans les exercices de modélisation pour projeter l’évolution du climat futur, fondé sur la dépendance de la décomposition microbienne aux températures. Dans leur ensemble, nos travaux montrent que la dynamique du carbone organique du sol est contrôlée par des interactions complexes entre plusieurs facteurs bio-physicochimiques et que les conditions physico-chimiques du sol, tel que l’acidité, propres aux forêts anciennes sont favorables à l’accumulation du carbone dans le sol. Sur la base de nos résultats et pour séquestrer davantage de carbone en forêt boréale, nous préconisons de maintenir des attributs de forêts anciennes au sein du territoire, tout en conservant les mécanismes responsables de la séquestration de carbone dans les sols. Pour ce faire, il faudrait créer davantage d’aires naturelles protégées, augmenter la durée des rotations et adopter les coupes partielles dans les pratiques d’aménagement sylvicoles.

The accumulation of soil carbon (C) is regulated by a complex interplay between abiotic and biotic factors. Our study aimed to identify the main drivers of soil C accumulation in the boreal forest of eastern North America. Ecosystem C pools were measured in 72 sites of fire origin that burned 2–314 years ago over a vast region with a range of ? mean annual temperature of 3°C and one of ? 500 mm total precipitation. We used a set of multivariate a priori causal hypotheses to test the influence of time since fire (TSF), climate, soil physico?chemistry and bryophyte dominance on forest soil organic C accumulation. Integrating the direct and indirect effects among abiotic and biotic variables explained as much as 50% of the full model variability. The main direct drivers of soil C stocks were: TSF >bryophyte dominance of the FH layer and metal oxide content >pH of the mineral soil. Only climate parameters related to water availability contributed significantly to explaining soil C stock variation. Importantly, climate was found to affect FH layer and mineral soil C stocks indirectly through its effects on bryophyte dominance and organo?metal complexation, respectively. Soil texture had no influence on soil C stocks. Soil C stocks increased both in the FH layer and mineral soil with TSF and this effect was linked to a decrease in pH with TSF in mineral soil. TSF thus appears to be an important factor of soil development and of C sequestration in mineral soil through its influence on soil chemistry. Overall, this work highlights that integrating the complex interplay between the main drivers of soil C stocks into mechanistic models of C dynamics could improve our ability to assess C stocks and better anticipate the response of the boreal forest to global change.

We present a comparative analysis of fire reconstructions from tree rings and from wood charcoal preserved in forest soils, peat and lake sediments. Our objective is to highlight the benefits and limits of different archives and proxies to reconstruct fire histories. We propose guidelines to optimize proxy and archive choice in terms of spatial and temporal scales of interest. Comparisons were performed for two sites in the boreal forest of northeastern North America. Compared to others archives, tree-ring analysis remains the best choice to reconstruct recent fires (<1000 years). For longer periods (from several centuries to millennia), lake charcoal can be used to reconstruct regional or local fire histories depending on the method used, but the focus should be on historical trends rather than on the identification of individual fire events. Charcoal preserved in peat and soils can be used to identify individual fire, but sometimes cover shorter time periods than lake archives.