The characteristics of the frost regime (intensity, frequency, and timing) contribute to shaping tree species adaptations and distribution as well as ecosystem productivity and functions. However, climate change increases the variability in extreme events; therefore, the different characteristics of the frost regime may diverge under climate change. Using the BioSim 11 software, we simulated daily air temperature at 512 locations over northeastern North America between 1901–2021 to determine how the spatio-temporal trends in the frost regime varied over this complex landscape and if spatio-temporal trends in extreme climatic events such as frosts are stronger compared to changes in aggregated climate variables such as mean annual air temperature and growing degree-days. We also used an eco-physiological model to conduct a case study focussing on white spruce to determine if trees are currently more exposed to growing season frosts than they were in the past by modelling the timings of budburst using the thermal time model. Our results showed that, at 67% of locations (343 locations), the day of the year of the last frost in spring (minimum daily air temperature<0 °C) occurred, on average, earlier by seven days during 2001–2021 compared to 1901–1920, whereas it occurred, on average, later by four days at 33% of locations (169 locations). The average temporal trends in frost occurrence were similar in magnitude to the average trends in aggregated climate variables; however, their variances were larger compared to the aggregated climate metrics, showing that the frost regime does not change uniformly throughout our study area. Our case study also revealed that white spruce remains exposed to late frosts of low and intermediate intensities (minimum daily air temperature <0; <−2 °C) compared to the past but exposure to high-intensity frosts (minimum daily air temperature <−4 °C) is rare. Since extreme events such as late frosts diverge in their response to climate change compared to aggregated climate variables, the mean annual temperature is not sufficient to predict how climate change will impact ecosystems through frost regimes.

Climate change affects timings, frequency, and intensity of frost events in northern ecosystems. However, our understanding of the impacts that frost will have on growth and survival of plants is still limited. When projecting the occurrence of frost, the internal variability and the different underlying physical formulations are two major sources of uncertainty of climate models. We use 50 climate simulations produced by a single-initial large climate ensemble and five climate simulations produced by different pairs of global and regional climate models based on the concentration pathway (RCP 8.5) over a latitudinal transect covering the temperate and boreal ecosystems of western Quebec, Canada, during 1955-2099 to provide a first-order estimate of the relative importance of these two sources of uncertainty on the occurrence of frost, i.e. when air temperature is < 0 °C, and their potential damage to trees. The variation in the date of the last spring frost was larger by 21 days (from 46 to 25 days) for the 50 climate simulations compared to the 5 different pairs of climate models. When considering these two sources of uncertainty in an eco-physiological model simulating the timings of budbreak for trees of northern environment, results show that 20% of climate simulations expect that trees will be exposed to frost even in 2090. Thus, frost damage to trees remains likely under global warming.

Permanent landscape attributes such as topography (elevation [m]) and microtopography (local variation in elevation [cm]) can increase the risk of cold air drainage down-slopes and in microtopographic depressions, causing important temperature gradients that generate localized growing-season frosts. Since most studies on growing-season frosts are restricted to the northern parts of the boreal forest or to mountainous areas, their negative consequences on tree productivity at the boreal-temperate forest ecotone is often ignored. We quantified the intensity and probability of growing-season frosts at the boreal-temperate forest ecotone in regard to topographic and microtopographic landscape attributes, which were extracted from airborne LiDAR surveys. In situ air temperature was measured for two summers (2016–2017) with 252 temperature loggers installed in two 18-years-old spruce plantations established in both temperate and boreal mixedwood forests. Growing-season frosts were more intense and probable at the boreal mixedwood forest site compared to the temperate forest site. Still, at both sites, when growing-season frost occurred, air temperature could vary by 4 °C along the elevation gradient of 15 m, often reaching sub-zero values at low elevation while reaching above-freezing values at high elevation. The importance of microtopography on the risk of sub-zero temperatures increased where frost events were less likely to occur such as at the temperate forest and at high elevation. Considering that growing-season frosts can considerably reduce tree productivity, the effects of both topography and planting microsite should be considered when determining where to establish plantations in the landscape and to determine suitable frost-free planting microsites within a plantation.

Reforestation in the boreal forest is challenging; trees must survive to large daily temperature variations and to the cold environment. Even if local tree species are adapted to withstand these harsh environmental conditions, spruce plantation failure after artificial regeneration occurs frequently, with important impacts on sustainable forest management. We hypothesized that this regeneration problem is caused by recurrent frost events occurring during the growing season. These events would freeze the terminal bud and the newly formed needles of the planted trees, thus limiting photosynthesis capacity and height growth. Our goal was to identify key permanent physical attributes of the landscape (elevation, slope shape and angular slope) and of microsite conditions (hole vs. mound) that best predict tree height and frost damage to foliage. In summer 2016 and 2017, we sampled tree height of 2,943 white spruce (Picea glauca [Moench] Voss) and black spruce (Picea mariana [Mill.] B.S.P.) trees in 66 monoculture plantations aged between 6 and 13 years distributed in the Clay Belt region of Quebec (Canada), and environment prone to frequent growing-season frosts. Using linear and binomial mixed regression models, we analyzed the effects of the physical attributes of the landscape and of microsite conditions on tree height (linear) and on frost damage (binomial). Tree height increased with increasing elevation and when seedlings were planted on mounds compared to planted in holes. The impact of microsite conditions on tree height increased as plantations aged, but the importance of elevation on tree height decreased with age. The probability of frost damage to foliage decreased for trees planted on mounds compared to trees planted in holes and from concave to convex slopes. These relations were most important in young plantations, but trees showing growth problems were still shorter by 2 m, even 13 years after planting. We also observed differences between species: white spruce was significantly more damaged by frost and was smaller compared to black spruce. Therefore, growing-season frosts can cause growth suppression problems in white spruce plantations established in the boreal mixedwood region. Since microsite conditions also play a key role in driving plantation success, mechanical site preparation techniques should not only focus on reducing the competition between the planted trees and the competing vegetation but should also focus on limiting frost damage by planting trees on elevated microsites. Our results will support forestry practices limiting plantation failure in boreal mixedwoods.

L'aménagement de zones réservées à la production ligneuse intensive permet d'augmenter la productivité forestière et peut, du même coup, aider à diminuer la pression de coupe sur la forêt naturelle tout en profitant aux industries transformant la ressource ligneuse.

Toutefois, la remise en production de territoire forestier récolté n'est pas garantie et peut mener à des échecs de régénération, ce qui compromet l'aménagement durable du territoire. Les échecs survenant après le reboisement se produisent lorsque les traitements sylvicoles ainsi que la préparation de terrain ne sont pas adaptés aux exigences physiologiques de l'espèce que l'on souhaite remettre en production. L'épinette blanche (Picea glauca [Moench] Voss) est l'une des principales espèces utilisées pour le reboisement, surtout en forêt boréale mixte, mais les échecs de régénération de cette espèce sont fréquents, notamment dans la ceinture d'argile du Québec. Pour comprendre les déterminants environnementaux et physiologiques menant à la stagnation de la croissance de cette espèce, le développement de quelques provenances d'épinette blanche, dont une locale de la forêt boréale mixte, a été comparé au développement d'une provenance d'épinette noire (Picea mariana [Mill.] B.S.P.) locale de la forêt boréale mixte, ainsi qu'au développement de quelques provenances d'épinette de Norvège (Picea abies [L.] Karst.), une espèce étrangère, mais qui possède un potentiel de croissance élevé.

L'hypothèse générale défendue dans cette thèse pour expliquer la stagnation de la croissance de l'épinette blanche sur la ceinture d'argile soutient que la présence des argiles humides ralentie le réchauffement du sol et accentue le phénomène d'inversion de la température de l'air, ce qui génère de fréquents évènements de gel printanier qui endommagerait les méristèmes (apicaux et latéraux) responsables de la croissance en hauteur et en diamètre, respectivement. Ces dommages ont respectivement comme conséquence de retarder la croissance en hauteur des arbres et de former des cernes de gel dans les cernes de croissance.
Dans cette thèse, déclinée en quatre chapitres, l'effet négatif du gel sur le développement des épinettes a été quantifié au niveau de l'arbre et au niveau du paysage régional de l'Abitibi-Ouest. Les études faisant l'objet des trois premiers chapitres ont été effectué au niveau de l'arbre dans deux plantations expérimentales établies en 2002 dans la forêt boréale mixte (Forêt d'enseignement et de recherche du lac Duparquet) et la forêt tempérée (Angliers). Le premier chapitre s'intéresse aux facteurs environnementaux (probabilité de gel, température et photopériode) déterminant la séquence de débourrement des bourgeons. Le deuxième chapitre quantifie à la sévérité des dommages aux cellules cambiales causés par le gel ainsi que son impact sur la croissance en hauteur. Le troisième chapitre quantifie l'importance de la topographie et de la microtopographie sur la température minimale et la probabilité de gel survenant durant la saison de croissance. Le quatrième et dernier chapitre s'effectue au niveau du paysage régional de l'Abitibi-Ouest et s'intéresse aux facteurs topographiques et biotiques (espèces, âge) expliquant le mieux la croissance des arbres et leurs dommages causés par le gel.

Dans le premier chapitre, il a été démontré que la séquence de débourrement des bourgeons était d'abord déclenchée par la probabilité d'occurrence de gel et la photopériode, puis répondait à l'augmentation de la température de l'air. Spécifiquement, l'ouverture plus hâtive des bourgeons de l'épinette blanche comparativement à l'épinette noire et à l'épinette de Norvège était déclenchée par une plus grande sensibilité à la photopériode, surtout en forêt tempérée, ce qui augmente leur exposition aux gelées printanières. De plus, l'analyse intraspécifique a montré que, lorsque planté au nord, les provenances d'épinettes blanches du sud étaient plus sensibles à la photopériode que la provenance naturellement résidente à la forêt boréale mixte, ce qui déclenche l'ouverture plus hâtive de leurs bourgeons. Donc, dans les environnements où le dommage par le gel est rare, l'ouverture des bourgeons est contrôlée par la photopériode alors que dans les environnements où le dommage par le gel est plus fréquent, l'ouverture des bourgeons est contrôlée par la température.

Au deuxième chapitre, il a été établi que la croissance en hauteur des trois espèces d'épinettes étudiées était réduite plus la sévérité des dommages aux cellules cambiales était forte. De plus, l'épinette blanche est l'espèce qui présente la plus forte réduction en hauteur à la forêt boréale mixte. Au niveau intraspécifique, la hauteur des provenances d'épinettes blanches du sud était réduite comparativement à la hauteur de l'épinette blanche locale. Cependant, le gel printanier ne semble réduire la croissance en hauteur que sur les premiers deux mètres de hauteur, donc, planter des arbres plus grands et sur des buttes pourrait réduire la durée de la période de suppression de la croissance. Enfin, la croissance en hauteur des arbres était mieux prédite par la température minimale du mois de mai que par la température moyenne annuelle.

Au troisième chapitre, il est démontré que lors d'évènements de gel, le phénomène d'inversion de la température de l'air a permis la formation de pochettes de gel dans le bas des pentes où la température a atteint -2 °C, comparativement au haut des pentes où la température minimale a atteint 2 °C. L'importance de la microtopographie augmente aux endroits où le gel printanier est moins fréquent, comme en forêt tempérée. Cependant, dans les environnements où le gel printanier est fréquent, comme à la forêt boréale mixte, l'élévation est la variable la plus importante pour prédire l'intensité et la probabilité de gel survenant durant la saison de croissance. Cette forte variation de température sur un court gradient d'élévation peut probablement aussi expliquer la grande variation en hauteur intraspécifique observée à même une plantation.

Au dernier chapitre, il est montré que le phénomène de la stagnation de la croissance est important à l'échelle du paysage régional de l'Abitibi-Ouest, surtout pour l'épinette blanche, puisque même si l'arbre le plus haut de chaque parcelle suit le développement prédit par les courbes de croissance développées par le gouvernement, à l'intérieur d'une parcelle, il y a une forte variabilité en hauteur entre l'arbre le plus grand et l'arbre le plus petit (~2 mètres). Par surcroît, les arbres sont les plus petits lorsqu'ils sont plantés dans le bas des pentes de forme concave.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse ont montré que les évènements de gel survenant durant la saison de croissance se produisent fréquemment à l'écotone de la forêt tempérée et boréale et pourrait causer le phénomène de la stagnation de la croissance des plantations d'épinettes sur la ceinture d'argile. Puisque l'épinette blanche s'expose plus aux gelées printanières, cette espèce est plus sévèrement affectée par le gel que l'épinette noire. Suivant les résultats obtenus par l'analyse de tige nous avons élaborer des recommandations pratiques pour limiter la perte de productivité des plantations associée au gel printanier. Nos travaux ont aussi mené à des avancées théoriques qui remettent en question la mécanique des modèles écophysiologiques expliquant le débourrement des bourgeons en plus de discuter de l'effet des changements climatiques sur la future séquence de développement des bourgeons et de la productivité des plantations d'épinettes à l'avenir. Les connaissances acquises par les travaux de recherche menés dans le cadre de ma thèse montrent que les évènements climatiques extrêmes survenant lors de moments spécifiques du cycle de dormance-croissance ont des conséquences plus importantes sur la physiologie et la croissance des arbres que les variables climatiques agrégées et contribuent à l'aménagement durable de la forêt boréale mixte de l'ouest du Québec.

Increase in frost damage to trees due to earlier spring dehardening could outweigh the expected increase in forest productivity caused by climate warming. We quantified the impact of growing?season frosts on the performance of three spruce species (white, black, and Norway spruce) and various seed sources with different frost tolerance in two plantations, established on both sides of the eastern Canadian boreal?temperate forest ecotone. The objectives of this study were to determine (a) if spruce species and seed sources planted in sites far from their natural provenance would be less adapted to local site conditions, leading to increased frost damage and reduced height growth; (b) at which height above the ground growing?season frosts ceased to damage apical meristems; and (c) if height growth was best predicted by extreme climatic events (growing?season frosts) or by mean annual or summer temperature. At each site and for all spruce species and seed sources, we cross?sectioned spruce trees at different heights above the ground. Tree rings were cross?dated and screened for frost rings, which were then given a severity score based on cellular damage. Frost severity reduced height growth of all spruce species and provenances at both sites. Height growth of the non?native Norway spruce was the most reduced by frost severity and was the smallest species at both sites. Frost caused the highest growth reduction in white spruce at the boreal mixedwood site and had the least effect on black spruce at both sites. For all spruce species, height growth was affected up to 2 m above the ground. Model selection based on corrected Akaike's information criteria (AICc) identified that minimum temperature in May was by far the best climate variable predicting tree growth (AICc weight = 1), highlighting the importance of considering extreme climatic events, which are likely to increase in the future.

Climate warming-driven early leaf-out is expected to increase forest productivity but concurrently increases leaf exposure to spring frosts, which could reduce forests' net productivity. We hypothesized that due to their damaging effect on buds, spring frosts exert a stronger control on bud phenology than do growing degree-days. We monitored bud flush phenology of three white spruce seed sources (one local seed source from the boreal mixedwood forest and two seed sources from the temperate forest), one black spruce seed source originating from the boreal mixedwood forest and four nonlocal Norway spruce seed sources in 2016 and 2017 in two plantations located on both sides of the temperate-boreal mixedwood forest ecotone in eastern Canada (Quebec). We aimed to determine inter- and intraspecies variations in bud break timing and sensitivity to air temperature and photoperiod. We expected that bud break timing for boreal species and seed sources would be better synchronized with the decrease in frost probability than for nonlocal species and seed sources. We used mixed binomial regressions and AICc model selection to determine the best environmental variables predicting each transition from one stage of bud phenology to the next. At both plantation sites, white spruce bud flush began and ended earlier compared to black and Norway spruce. Buds of all spruce species were sensitive to frost probability for early phenological stages, whereas growing degree-days controlled the remaining stages. Photoperiod sensitivity was higher for white spruce compared to black and Norway spruce and reached its maximum in the temperate forest. At intraspecies level, the two southern white spruce seed sources opened their buds earlier than the local source and were more sensitive to photoperiod, which increased their exposure to spring frosts. Onset of spruce bud flush is driven by spring frosts and photoperiod, but once started, bud phenology responds to temperature. The high photoperiod sensitivity in white spruces could counterbalance climate warming and limit future premature leaf-out, whereas the low photoperiod sensitivity in black spruce should not restrain leaf-out advancement with climate warming. Our results call for adapting the temperature-driven hypotheses of ecophysiological models predicting leaf-out to include spring frost probability.