Litter decomposition is a major driver of carbon (C) and nitrogen (N) cycles in forest ecosystems and has major implications for C sequestration and nutrient availability. However, empirical information regarding long-term decomposition rates of foliage and wood remains rare. In this study, we assessed long-term C and N dynamics (12–13 years) during decomposition of foliage and wood for three boreal tree species, under a range of harvesting intensities and slash treatments. We used model selection based on the second-order Akaike’s Information Criterion to determine which decomposition model had the most support. The double-exponential model provided a good fit to C mass loss for foliage of trembling aspen, white spruce, and balsam fir, as well as aspen wood. These litters underwent a rapid initial phase of leaching and mineralisation, followed by a slow decomposition. In contrast, for spruce and fir wood, the single-exponential model had the most support. The long-term average decay rate of wood was faster than that of foliage for aspen, but not of conifers. However, we found no evidence that fir and spruce wood decomposed at slower rates than the recalcitrant fraction of their foliage. The critical C:N ratios, at which net N mineralisation began, were higher for wood than for foliage. Long-term decay rates following clear-cutting were either similar or faster than those observed in control stands, depending on litter material, tree species, and slash treatment. The critical C:N ratios were reached later and decreased for all conifer litters following stem-only clear-cutting, indicating increased N retention in harvested sites with high slash loads. Partial harvesting had weak effects on C and N dynamics of decaying litters. A comprehensive understanding of the long-term patterns and controls of C and N dynamics following forest disturbance would improve our ability to forecast the implications of forest harvesting for C sequestration and nutrient availability. © 2017 Springer Science+Business Media New York

Mixedwood forests occupy a large extent of boreal regions and have the potential for sequestering large amounts of carbon. In the context of forest ecosystem management, partial cutting prescriptions are increasingly being applied to boreal mixedwood stands. Partial harvesting is expected to maintain carbon pools and dynamics within the limits of those of natural stands. Changes in live tree, deadwood (standing snags, downed logs), forest floor and mineral soil carbon pools were assessed over a 9-year period in a replicated large-scale experiment, which included unharvested controls, two variants of partial harvesting and clear-cuts. We also measured leaf litter and deadwood inputs and decay rates. Carbon flux through leaf litterfall recovered rapidly following partial harvesting. Carbon flux from live trees to deadwood pools was a dominant process in partially harvested stands where snags and downed log carbon pools remained similar to those of natural stands. Hence, the nature of litter inputs diverged strongly among clear-cut and partially harvested treatments. Leaf and wood decay rates were higher in the partial cuts and controls than in clear-cuts. No significant differences in forest floor and mineral soil carbon were observed 9 years after harvesting. Carbon sequestration in live tree biomass was the carbon pool that most strongly differentiated the treatments allowing partial harvesting to maintain forest stands as net carbon sinks.

Le bois mort, constitué par les chicots et les arbres morts au sol, est un élément structural clé des écosystèmes forestiers. En forêt boréale, il représente un large réservoir de carbone (C) et une quantité substantielle de matière organique dans la couverture morte. Le passage d’un aménagement forestier équienne à un aménagement inéquienne aura un impact important sur la dynamique du bois mort et pourrait avoir un effet positif sur la capacité de séquestration de C des peuplements. Ce projet a pour objectif général de préciser les paramètres qui affectent la contribution du bois mort à la séquestration du C dans un contexte d’aménagement écosystémique. La démarche consistait à comparer la dynamique du bois mort avec celle des litières de feuillage, de façon à relativiser l’importance du bois mort pour la rétention du C. Nous amenons l’hypothèse que la coupe totale et les coupes partielles auraient une influence sur la dynamique du C à travers leurs effets sur la production et la décomposition du bois mort et des litières de feuillage. Parce que la décomposition du bois mort atteindrait une limite maximale de décomposition plus élevée et conduirait à des composés carbonés moins stables que la décomposition des litières de feuillage, les changements dans les réservoirs et la dynamique du bois mort induits par les coupes auront des incidences sur la séquestration du C. L’étude est menée en sapinière à bouleau blanc, dans la forêt d’enseignement et de recherche du lac Duparquet, dans des peuplements dominés par le tremble et des peuplements dominés par les conifères. Afin d’étudier le rôle du bois mort et des litières de feuillage dans la rétention du C via leur limite maximale de décomposition et la formation de molécules stables, nous avons caractérisé les patrons de perte de masse et les transformations chimiques du bois mort (chicots, billes) et des litières de feuillage au cours de la décomposition de conifères et de feuillus. La composition chimique de la couverture morte a aussi été étudiée. Les analyses chimiques incluaient les méthodes de spectroscopies à résonance magnétique nucléaire et infrarouge, ainsi que la quantification des monomères de lignines par oxydation à l’oxyde de cuivre. Les effets des coupes partielles et totales sur la dynamique du bois mort et la rétention du C ont été déterminés à partir de 9 années d’inventaires (dendrométrique, bois mort, chutes de litières) et d’échantillonnage (sol, bois mort, litières de feuillage) dans des peuplements naturels dominés par le tremble et des peuplements soumis à différents degrés de prélèvement. Ainsi, les litières de feuillage retiendraient le C en atteignant rapidement une faible limite maximale de décomposition et en formant une matière récalcitrante riche en composés alkyl et en hydrates de carbone. Au contraire, le bois mort retiendrait le C par sa décomposition lente, et permettrait la préservation de lignines et d’hydrates de carbone dans les billes bien décomposées. L’hypothèse, qui supposait que la décomposition du bois mort atteindrait une limite maximale supérieure aux litières de feuillage, se vérifiait dans le cas du tremble, mais pas pour les conifères. Dans les peuplements naturels de tremble étudiés, la production de bois mort était légèrement supérieure à celle des litières de feuilles, et le bois mort formait un plus large réservoir de C, incluant 59 % de la nécromasse. Pourtant, le bois enfoui constituait seulement 19% de la couverture morte. Les coupes totales favorisaient les litières de feuillage, à décomposition rapide, à faible limite maximale de décomposition, et générant une matière organique récalcitrante riche en composés alkyl. Au contraire, les coupes partielles conservaient plusieurs caractéristiques des peuplements naturels, en particulier les chutes de litières et la production de bois mort, la distribution des billes dans les classes de diamètres et de décomposition, ainsi que le contenu de la couverture morte et du sol minéral. Après coupes partielles, la mortalité progressive des arbres favorisait la présence de bois mort, qui retenait le C grâce à sa décomposition lente, notamment dans les chicots. L’aménagement écosystémique pourrait donc contribuer à la séquestration du C, en choisissant des traitements de coupes adaptés, comme des coupes partielles. Les tiges résiduelles fixent le C et génèrent des litières de bois mort à décomposition lente. Le devenir et la rétention des lignines associées au bois enfoui dans la couverture morte, ainsi que le lessivage des composés organiques dissous lors de la décomposition du bois mort devront faire l’objet d’études plus approfondies afin de compléter l’importance du bois mort pour la séquestration du C.

Partial harvesting has been proposed as a key aspect to implementing ecosystem management in the Canadian boreal forest. We report on a replicated experiment located in boreal mixedwoods of Northwestern Quebec. In the winter of 2000–2001, two partial harvesting treatments, one using a dispersed pattern, and a second, which created a (400 m2) gap pattern, were applied to a 90-year-old aspen-dominated mixed stand. The design also included a clear cut and a control. Over the course of the following eight years, live tree, coarse woody debris, regeneration and ground beetles were inventoried at variable intervals. Our results indicate that all harvesting treatments created conditions favorable to balsam fir (Abies balsamea) sapling growth and trembling aspen (Populus tremuloides) sapling recruitment. However, balsam fir and trembling aspen regeneration and ground beetles response to gap cuts were closer to patterns observed in clear cuts than in dispersed harvesting. The underlying reasons for these differing patterns can be linked to factors associated with the contrasting light regimes created by the two partial harvesting treatments. The study confirms that partially harvesting is an ecologically sound approach in boreal mixedwoods and could contribute to maintaining the distribution of stand ages at the landscape level.

Les chicots et les billes au sol sont des composantes substantielles du réservoir de carbone détritique en forêt boréale. Les effets de leur décomposition sur les caractéristiques physiques et chimiques de la couverture morte restent méconnus. Le principal objectif de cette étude était de caractériser les transformations chimiques des billes et des chicots en décomposition d’espèces d’arbres communes en forêt boréale mixte. Des billes et des chicots de différentes classes de décomposition ont été échantillonnés et analysés par résonance magnétique nucléaire du 13C en phase solide et par spectroscopie dans le proche infra-rouge. Des changements chimiques faibles ou modérés apparaissaient dans les billes et les chicots frais ou modérément décomposés, mais dans les billes bien décomposées, une dégradation substantielle des hydrates de carbone et une augmentation de la concentration en lignines avaient lieu. Les espèces décidues avaient initialement plus d’hydrates de carbone que les conifères, mais la décomposition réduisaient leurs différences, et dans les billes bien décomposées, les espèces ne différaient que par leur teneur en lignines. Les billes bien décomposées des espèces décidues atteignaient des densités de bois très faibles, et leur intégration dans la couverture morte et leur préservation à long-terme restait questionnable. Au contraire, la composition chimique des billes bien décomposées de conifères ressemblait à celle de la couverture morte lignique (c’est-à-dire la couverture morte provenant de la décomposition du bois mort), avec préservation des lignines, des hydrates de carbone et des composés alkylés. Le bois décomposé de conifères contribue à l’hétérogénéité chimique de la couverture morte, favorisant la diversité des décomposeurs et la rétention du carbone dans les sols.

Une quantité importante de carbone dans les sols vient du bois mort mais son rôle dans la séquestration du carbone à long terme, comparativement à celui des litières de feuilles, n’est pas bien documenté dans les forêts boréales de l’Est du Canada. Les objectifs de cette étude étaient de caractériser et de comparer les patrons de perte de masse et les changements dans la composition chimique du bois mort et des litières de feuilles du peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michx.), de l’épinette blanche (Picea glauca (Moench) Voss) et du sapin baumier (Abies balsamea (L.) Mill.) pendant une période d’incubation in situ de 5 à 6 ans, au moyen de sacs de litières, d’analyses par résonance magnétique nucléaire du 13C en phase solide et de la quantification des monomères de lignine par oxydation à l’oxide de cuivre. La limite maximale de décomposition des litières de feuilles et du bois mort était similaire, mais les litières de feuilles se décomposaient plus rapidement, atteignaient la limite maximale de décomposition estimée et convergeaient vers une composition riche en carbone alkyle, phénolique et carbonyle. Au contraire, le bois n’atteignait pas la limite maximale de décomposition estimée, subissait peu de changements chimiques et conservait une teneur élevée en cellulose. A la fin de l’expérimentation, le bois de peuplier faux-tremble avait toujours une concentration en lignine plus faible que celle des conifères, mais des concentrations plus élevées en carbone alkyle et carbonyle. Alors que le bois contribue à augmenter la diversité chimique de la couverture morte, les litières de feuilles, qui conservent un contenu plus élevé en composés alkyles tout au long de la décomposition, pourraient générer une matière organique résiduelle plus récalcitrante.