The reproductive ecology of the semi-serotinous species black spruce (Picea mariana (Mill.) BSP) in northern boreal forests remains poorly understood. There is a general lack of data on cone/seed production and viability as a function of biotic tree-level characteristics and abiotic variables. No studies currently exist to quantify these differences over a large gradient in temperature, elevation, and precipitation. Extensive physical, ecological, dendrometric, and reproductive data were collected from young to very old black spruce stands in northern Quebec. ANOVA and general linear mixed models were used to examine interannual cone production, and the relative importance of the biotic and abiotic explanatory factors in determining total cone production; length of the cone-bearing zone; filled seeds per cone; proportion of filled seeds; and seed viability. The results illustrate that the reproductive ecology of black spruce in northern cold forests is mainly explained by biotic variables such as age and diameter at breast height, and by abiotic variables related to temperature such as elevation, length of the growing season, and growing degree-days. Black spruce exhibits a lower reproductive potential in northern cold forests, making it possibly less resilient to increased fire frequency, particularly in unproductive and very young or very old stands.

Successive disturbances such as fire can affect post-disturbance regeneration density, with documented adverse effects on subsequent stand productivity. We conducted a simulation study to assess the potential of reactive (reforestation) and proactive (variable retention harvesting) post-fire regeneration failure mitigation strategies in a 1.37 Mha fire-prone boreal landscape dominated by black spruce (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) and jack pine (Pinus banksiana Lamb.). We quantified their respective capacity to maintain landscape productivity and post-fire resilience, as well as their associated financial returns under current and projected (RCP 8.5) fire regimes. While post-fire reforestation with jack pine revealed to be the most effective strategy to maintain potential production, associated costs quickly became prohibitive when applied over extensive areas. Proactive strategies such as an extensive use of variable retention harvesting, combined with replanting of fire-adapted jack pine only in easily accessible areas, appeared as a more promising approach. Despite this, our results suggest an inevitable erosion of forest productivity due to post-fire regeneration failure events, highlighting the importance of integrating fire a priori in strategic forest management planning as well as its effects on long-term regeneration dynamics.

Le Rapport du Comité scientifique chargé d’examiner la limite nordique des forêts attribuables (Ministère des Ressources naturelles du Québec 2013) distinguait des portions de la forêt boréale où le risque pour la pratique d’un aménagement durable était qualifié de modéré à élevé. Le présent projet portait sur deux de ces zones où l’aménagement peut être durable à condition d’y développer des stratégies d’aménagement adaptées selon les recommandations du rapport scientifique.  

Le projet a permis de prendre la mesure du risque que posent les accidents de régénération dans les territoires où les cycles de feu sont courts ou très courts. Après quelques décennies, des pertes de superficies productives s’accumuleront de manière significative. Ces pertes de territoire productif auxquelles s’ajoutent les diminutions de production sur d’autres territoires demeurés productifs affecteraient considérablement la production ligneuse attendue dans les prochaines décennies. Le projet a également permis de prendre la mesure du risque que pose la paludification dans les territoires situés sur le till de Cochrane, c’est-à-dire la partie nord-ouest de la ceinture d’argile qui parcourt l’Ontario et le Québec, entre le district de Cochrane et l’Abitibi-Témiscamingue. Dans la portion Ouest du territoire pilote, l’historique d’évitement des peuplements susceptibles à la paludification fait en sorte que des superficies récoltables susceptibles à la paludification occuperont une proportion significative des superficies récoltables au cours des 40 prochaines années. Les prochaines décennies apparaissent donc cruciales dans la gestion durable des peuplements susceptibles à la paludification. Le feu présente aussi un risque important pour la stabilité des approvisionnements. Au fil du temps, le feu prélèvera une quantité de bois qui devra être soustrait des approvisionnements. Comme à mesure du rajeunissement de la structure d’âge de la forêt, de plus en plus de peuplements jeunes et non marchands brûleront, les coupes de récupération offre peu d’options de mitigation. À long terme, la quantité de bois disponible à la récolte demeure similaire, peu importe le niveau de coupe choisi. Les aménagistes ne peuvent que décider du moment où cette même quantité de bois peut être récoltée le long de l’horizon de planification.  

Des solutions existent pour diminuer l’ampleur des problèmes documentés, mais leur efficacité est variable et elles mobiliseront des parts importantes des budgets sylvicoles et de voirie. De plus, les actions requérant des investissements accrus sont risquées en considérant les cycles de feu actifs sur le territoire. Les simulations montrent que les risques de voir les investissements sylvicoles anéantis par l’action du feu sont d’autant plus grands que le cycle de feu est court et que l’âge de maturité est élevé. Les résultats du projet aideront à la mise au point d’une approche de gestion du risque qui permettra de prendre des décisions d’aménagement en contrôlant les facteurs de risque qui peuvent compromettre le succès des stratégies d’aménagement. Il y aurait probablement avantage à canaliser les investissements de façon à valoriser davantage le territoire des zones à sensibilité faible. Toutefois, même si dans les autres portions de la forêt boréale les problèmes sont moins aigus, elles présentent, à des degrés variables, les mêmes risques identifiés dans le rapport. Les stratégies d’aménagement devraient prendre en compte les problèmes potentiels selon le niveau de risque que l’on peut leur associer dans toutes les portions de la forêt boréale.  

Les changements dans le régime des feux peuvent affecter le potentiel de régénération après perturbation des espèces d’arbres de la forêt boréale, modifiant ainsi la densité et la fermeture des peuplements forestiers. Cela pourrait nuire à la durabilité de la gestion forestière, en particulier dans les régions caractérisées actuellement par un cycle de feu court et une faible productivité. À titre d’étude de cas, nous utilisons un véritable paysage (1.3 Mha) de la forêt boréale du nord-ouest du Québec, caractérisé par une superficie annuelle brûlée élevée et pour laquelle l’activité des feux devrait augmenter fortement, pour modéliser l’effet des cycles de feux actuel et ceux induits par le climat, et le taux de récolte sur le potentiel de régénération des peuplements purs d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) BSP) et de pin gris (Pinus banksiana Lamb.). Des simulations ont été effectuées sur une période de 50 ans selon trois seuils de maturité reproductive par espèce, représentant l’âge auquel un approvisionnement suffisant en semences est atteint afin d’assurer l’auto-remplacement du peuplement. Les résultats montrent une augmentation progressive de la superficie affectée par les accidents de régénération naturelle au cours de la période de simulation dans les deux scénarios climatiques, montrant une perte de 18.5 % (149?210 ha) de superficie productive sous le cycle de feu actuel et de 65.8 % (532?141 ha) sous les cycles de feux futurs. Les variations dans le cycle de feu ont eu le plus grand effet sur le taux des accidents de régénération, suivi par le seuil d’âge de régénération et le taux de récolte. Nous décrivons les pratiques proactives de gestion forestière et la planification stratégique qui inclut le risque de feu peuvent réduire la probabilité par des accidents de régénération après feu. Cela comprend la gestion intensive des peuplements et les stratégies de rétention variable après la récolte. De même un réseau de suivi des sites après feu aiderait à évaluer les accidents de régénération au fil du temps et serait utile pour valider à la fois les résultats du modèle et l’efficacité des stratégies visant à en minimiser la probabilité.

Il est récemment devenu clair que la densité de la régénération des espèces sérotineuses dans une zone brûlée diminue avec l’intensité locale du feu. On assume que cela se produit parce qu’une variation de l’intensité locale du feu entraîne une variation des flux de chaleur incidente et, ultimement, la nécrose des graines. Nous prétendons ici que cette même relation entre le flux de chaleur incidente et la nécrose des graines est importante à l’échelle de la cime des individus. À partir de l’étude de Picea mariana (Mill.) B.S.P. (épinette noire), nous montrons que la viabilité des graines après feu augmente avec la hauteur de la cime, la profondeur dans la cime et l’angle formé avec la direction du vent (le côté exposé au vent profitant d’une plus grande viabilité). Les trois effets correspondent à ce à quoi on s’attendrait étant donné les caractéristiques physiques des panaches flottants, les interactions des lignes de feu mobiles avec le sillage de l’écoulement autour de cylindres et le transfert de chaleur dans les corps poreux tels que la cime des arbres. Nous concluons en discutant des conséquences plus larges de la taille des grappes de cônes et des changements globaux sur la régénération des espèces sérotineuses. [Traduit par la Rédaction]

The resilience of closed-crown coniferous stands within the boreal forest of North America is highly dependent on successful re-establishment of tree species following fire. A shift from closed-crown forest to open lichen woodland is possible following poor natural regeneration during the initial establishment phase, followed by the development of extensive lichen cover, which may hinder ongoing recruitment. We examined the development of the crustose lichen Trapeliopsis granulosa (Hoffm.) 18 to 21 years following fire within six sites in the boreal forest of northwestern Quebec, and explored its potential to affect ongoing recruitment during early successional stages of stand development. Germination and survivorship trials were conducted within the laboratory to determine the establishment rate of Pinus banksiana Lamb. (jack pine) on T. granulosa, mineral soil, and burnt duff under two separate watering frequencies (observed and drought). Survival and establishment rates of jack pine were highest on burnt duff, and poor on both T. granulosa and mineral soil. Under the drought treatment, no seedlings survived on any substrates. In the field, T. granulosa cover had a positive relationship with mineral soil cover, and negative relationships with duff cover, ericaceous shrub cover, organic layer depth, other lichen cover, and Sphagnum moss cover. No discernable relationship was found between T. granulosa and tree density, rock cover, dead wood cover or other moss cover. The development of extensive T. granulosa cover in fire-initiated stands can impede ongoing recruitment of conifer species due to its poor seedbed quality, thereby maintaining open forests.

Early successional competition among boreal forest tree and shrub species and its effects on growth of commercial tree species have been a major source of uncertainty in establishing efficient precommercial thinning and brushing prescriptions. We examined the effect of prethinning competitor density, postthinning competitor regrowth density, prethinning stem diameter, and the timing of thinning operations on the growth response of black spruce (Picea mariana [Mill.] BSP) and jack pine (Pinus banksiana Lamb.). In addition, we examined the mortality rate of hardwoods after thinning and the number of new shoots produced per surviving thinned stem. For jack pine, growth response was greatest when thinning occurred between 4 and 9 years after establishment, whereas for black spruce we observed no significant relationship between growth response and the timing of treatment. For jack pine, growth response was significantly affected by pretreatment competitor density, posttreatment competitor regrowth density, and pretreatment stem diameter. For black spruce, no significant relationship was observed between growth response and any variables. Mortality rates and production of new shoots in hardwoods varied significantly between species. Considering the high regrowth potential of willow (Salix spp.) and alder (Alnus spp.), we recommend that stands exhibiting low densities of these species should be left unthinned. Our results help foresters identify stands that require precommercial thinning and call for modification of currently used thinning strategies.

We present a landscape-level operational natural regeneration assessment tool, created by linking a validated forest regeneration model with forest inventory maps. Using basal areas obtained from temporary plots and seedbed distributions from field data, seedling densities are simulated for pure Picea mariana (Mill.) and Pinus banksiana (Lamb.) stands under burned intact, and traditional first winter and delayed salvage scenarios. These stands are grouped by age-class, pre-fire stand cover, surficial deposit, and drainage. Following this classification scheme, simulated seedling densities are transferred onto forest inventory maps for the Lake Matagami lowland ecological region (6a) in the boreal forest of Quebec (used as a case study to illustrate the potential of the tool). The final output of the model is an estimate of seedlings/m2 following moderate to severe fire, and fire followed by 100% salvage in pure P. mariana and P. banksiana stands, however it is also capable of simulating partial salvage. Results are expressed as seedlings/ha, and illustrate that in our study area, only 35% of intact P. mariana and 6% of intact P. banksiana stands need to be planted following fire; however under the traditional 100% first winter salvage scenario, 100% of P. mariana and 74% of P. banksiana stands necessitate planting. If salvage logging is delayed until the second, third, or fourth winter following fire, planting will be required in 98%, 88%, and 66% of P. mariana, and 65%, 56%, and 56% of P. banksiana stands respectively. This type of tool allows managers and foresters to quickly assess reforestation needs following fire and salvage at the landscape level, and can be used to better plan the timing and location of salvage operations and subsequent silvicultural treatment application. In addition to being able to schedule operations faster, foresters will also be able to quickly identify regions where natural regeneration could be inadequate or excessive. Potential cost estimates of future interventions such as planting, aerial seeding, and pre-commercial thinning could be made. Foresters can also assess the current vulnerability of management units to fire and can identify regions at particular risk.

Le feu est la perturbation dominante dans la forêt boréale de l'Amérique du Nord et il influence de manière significative la structure et la composition des communautés forestières en réinitialisant la succession des peuplements. Dans les peuplements brulés, l'épinette noire et le pin gris vont généralement se régénérer avec des densités similaires qui existaient avant feu, maintenant ainsi leur prédominance en raison de leurs nombreux caractères adaptatifs. Toutefois, la coupe de récupération est souvent employée, réduisant ainsi la régénération naturelle et nécessitant donc des investissements couteux en termes d'efforts de reboisement. En outre, l'éclaircie précommerciale est souvent nécessaire dans les peuplements denses, afin de contrôler la compétition et l'espacement dans le but d'augmenter la croissance radiale des conifères résiduels et de diminuer l'âge de révolution du peuplement. L'objectif principal de cette thèse est d'améliorer l'aménagement durable des peuplements d'épinette noire et du pin gris. Avec une meilleure compréhension des facteurs responsables de la régénération après feu et coupe de récupération, on pourra fournir aux gestionnaires forestiers des outils et des recommandations sylvicoles qui pourront réduire le besoin d'interventions après feu tout en augmentant leur succès lorsqu'elles sont utilisées, minimisant ainsi les couts d'investissements. Ce projet de doctorat porte sur l'amélioration de la gestion durable des peuplements d'épinette noire et du pin gris, les deux espèces de conifères les plus abondantes et commercialement importantes dans la forêt boréale du nord-ouest du Québec. Plus précisément, il examine deux étapes importantes de la régénération après feu et coupe de récupération : (1) la phase d'établissement initial, et (2) la réponse de croissance suite à des opérations d'éclaircie précommerciale dans le stade juvénile du développement. Les deux premiers chapitres se concentrent sur la phase d'établissement. Un modèle de régénération après feu est utilisé pour créer un outil à l'échelle du peuplement et du paysage pour évaluer rapidement la densité de la régénération naturelle de l'épinette noire et du pin gris après feu et coupe de récupération. Les troisième et quatrième chapitres se concentrent sur l'amélioration de la réussite et la réduction des couts d'opérations d'éclaircie précommerciale appliquées durant le stade juvénile. Ces deux derniers chapitres s'appuient principalement sur des données de terrain et de dendrochronologie. L'outil à l'échelle du peuplement présenté dans le premier chapitre identifie le pourcentage de lits de germination optimal nécessaire qui donnerait une densité de semis concordante avec le plein boisement selon les écarts de surfaces terrières généralement observées sur le terrain. Cet outil peut être utilisé pour guider les décisions de gestion sur la planification de la construction routière et la séquence de la récolte. Par opposition aux inventaires de semis classiques, l'outil tient compte de la phase d'établissement en entier. De plus, cet outil peut être utilisé pour ajuster le calendrier de récolte, pour minimiser le besoin de reboisement et pour estimer le coût final probable de plantation pour un feu donné. L'outil à l'échelle du paysage présenté dans le deuxième chapitre combine l'utilisation de SIG, de données terrain, de données des placettes temporaires et de données d'inventaire forestier. Il permet aux gestionnaires forestiers d'évaluer rapidement les besoins de reboisement au niveau du paysage et peut être utilisé pour mieux planifier les opérations de récupération et l'application de traitements sylvicoles ultérieurs. L'estimation des couts potentiels de futures interventions telles que la plantation, l'ensemencement aérien et l'éclaircie précommerciale peuvent être calculées. Les forestiers peuvent également évaluer la vulnérabilité actuelle des unités de gestion au feu et identifier les régions particulièrement à risque. Le troisième chapitre examine l'impact du moment où sont réalisées les opérations d'éclaircie précommerciale et de la composition des peuplements sur la réponse de la croissance radiale de l'épinette noire et du pin gris. Il examine aussi la nouvelle production de pousses et la mortalité des feuillus éclaircis. Les résultats peuvent guider les gestionnaires de la forêt pour l'amélioration de la sélection des sites pour l'éclaircie précommerciale, ainsi que la période et l'intensité des opérations afin d'accroître la croissance radiale des arbres résiduels et de minimiser les couts. Le quatrième chapitre se concentre sur l'impact de la hauteur de l'éclaircie précommerciale et du calendrier des opérations sur la régénération des tiges de pin gris éclaircies. Des recommandations sont faites sur la hauteur de l'éclaircie et le calendrier des opérations afin de minimiser la repousse des tiges éclaircies, améliorant ainsi la réussite du traitement et minimisant les chances de devoir faire d'autres interventions. Aussi, divers indicateurs sont présentés afin de mieux planifier les opérations d'éclaircies. Les résultats présentés dans cette thèse augmentent la compréhension des dynamiques de régénération et de croissance après feu et récupération de l'épinette noire et de pin gris. En plus d'ajouter à nos connaissances fondamentales, ils fournissent aux forestiers de nouveaux outils pour l'évaluation de la régénération naturelle et des recommandations sur où et comment employer des traitements sylvicoles tels que la plantation et l'éclaircie précommerciale. Minimiser la planification opérationnelle et le temps de réponse après feu et récupération, augmenter l'utilisation de la régénération naturelle, augmenter la réponse de croissance radiale des tiges résiduelles dans les peuplements éclaircis et minimiser les couts d'interventions conduiront à une meilleure gestion durable de cette ressource naturelle importante.

Un outil a été élaboré afin de permettre aux gestionnaires et aux forestiers d’évaluer rapidement les besoins en matière de régénération des peuplements ravagés par le feu et exploité peu après, tant dans le cas des pessières noires pures et mélangées que dans le cas des pinèdes grises. Cet outil d’évaluation utilisable sur place a été élaboré à partir d'un modèle de régénération forestière qui simule les densités de régénération naturelle des pessières noires et des pinèdes grises à la suite d'un feu et des travaux de récupération. Les surfaces terrières des arbres utilisées lors des simulations sont représentatives de la variation naturelle retrouvée dans la nature. Des paramètres supplémentaires comme le délai d'abscission des espèces, le pourcentage de lits propices à la germination (sol minéral exposé ou humus) et le calendrier des opérations de récupération ont été ajoutés au modèle. L'outil permet également la planification rapide des opérations de récupération et de plantation. Il constitue un avantage important relativement aux inventaires conventionnels de semis du fait qu'il peut être utilisé immédiatement après un feu, qu'il permet de guider la gestion des décisions reliées à planification de la construction des chemins et à la séquence des opérations de récolte, en plus de prendre en considération l'ensemble de la réalisation des opérations. L'emploi de l'outil pour ajuster le calendrier de récolte dans le but de minimiser les coûts de reboisement, permet également d'estimer les coûts totaux de reboisement pour l'ensemble d'une superficie ravagée par le feu. L'outil indique qu'un plus fort pourcentage de lits propices à la germination est requis à la suite des opérations de récupération suivantes: (1) pour la régénération adéquate des pessières par comparaison aux pinèdes grises (par ex., la plantation d’épinettes noires sera presque toujours nécessaire); (2) dans le cas où la surface terrière des espèces recherchées est faible; et (3) pour régénérer adéquatement les peuplements ravagés par le feu laissés tel quel et ceux récupérés à la fin de la saison des feux de forêts comparativement à ceux ayant été ravagés au début de la saison des feux.

L’éclaircie précommerciale des peuplements de pin gris (Pinus banksiana) est une application sylvicole courante pour contrôler la densité et la croissance des peuplements forestiers boréaux sous aménagement. Si elle est appliquée trop tôt, la reprise vigoureuse de la croissance des conifères peut réduire la croissance radiale et le rendement potentiel des arbres résiduels, ce qui entraîne des coûts additionnels d’éclaircie et rallonge la période de révolution. Nous avons étudié la proportion de la reprise de croissance chez le pin gris après éclaircie en tant que fonction des verticilles retrouvés sur la souche des tiges coupées et de la hauteur de l’éclaircie à la suite d’un feu et d’une coupe de récupération. Quatre peuplements ayant fait l’objet d’une coupe de récupération et d’une éclaircie précommerciale sur le site de deux feux de forêt survenus en 1995 dans la région de l’Abitibi- Témiscamingue au Québec ont été échantillonnés. Des relations significatives ont été relevées entre le nombre de verticilles présents sur chacune des tiges après l’éclaircie précommerciale et la proportion de la mortalité, ainsi qu’entre le nombre de verticilles présents sur chaque tige après l’éclaircie commerciale et la hauteur de souche moyenne. Nous suggérons que l’éclaircie précommerciale dans le cas de peuplements denses de pin gris soit réalisée entre 7 et 10 ans après l’établissement du peuplement et à hauteur de 10 cm à 13 cm au-dessus de la souche. De plus, nous identifions les différents indicateurs que les forestiers peuvent utiliser sur le site pour mieux planifier les opérations d’éclaircie.

In this paper, we model the post-fire recruitment dynamics of two aerial seedbank species, Picea mariana and Pinus banksiana, in response to salvage logging. The model incorporates: (1) initial seed availability as a function of source tree basal area and proportion of stand salvaged; (2) seed abscission as a function of time; (3) seedling survivorship as a function of seed mass, seedbed proportion, and granivory; and (4) seedling and seed mortality as a function of salvage operations. We also elaborate a simulation of the effect of direct seeding via cone-bearing branches fed into a moving chipper. The model performed adequately when tested against data sets from two fires in Quebec and one in Saskatchewan. In particular, it showed that P. mariana was more adversely affected by early salvage than P. banksiana because of its far slower seed abscission rate. The model predicted that a delay in salvage or a decrease in salvage proportion would enhance tree regeneration densities, especially for P. mariana. Finally, model projections indicate that the use of a chipper to disseminate seeds during the harvesting would permit either species to be adequately regenerated cheaply even with low pre-fire basal area per area or very early salvage.

For aerial seedbank species, the seed abscission schedule following fire is of practical interest as it affects the optimal timing of post-fire salvage operations designed to maximize natural regeneration. It is also of theoretical interest as we would expect that the rapid deterioration of the better (very thin duff or exposed mineral soil) post-fire seedbeds due to leaf-fall from regenerating plants ought to select for rapid dissemination of seeds following burning. Nonetheless, there are no published reports of the abscission schedule of an aerial seedbank species that include the full temporal range from the fire date to several years after. In northwestern Quebec, we used eight burnt, non-salvaged stands, four dominated by black spruce (Picea mariana) and four dominated by jack pine (Pinus banksiana), in three different fires to examine the seed abscission schedule of these aerial seedbank species for the first 3 years after fire. We found that (1) the abscission schedules of populations of each species differed between fires and (2) black spruce dispersed seeds from the cones at a significantly slower rate than jack pine at all fires. Extrapolating from the regressions (all fires lumped), we conclude that approximately 90% of jack pine and black spruce seeds will have been dispersed by 1 and 5 years, respectively, after a fire. Further, we argue that due to its protracted abscission schedule, early post-fire salvage will invariably require that black spruce be planted. The approach adopted here should be useful for optimizing post-fire salvage timing for all commercially valuable species with aerial seedbanks.

It is well known that post-fire duff layers that are thin or of lower porosity greatly enhance juvenile survivorship of sexually recruiting boreal plant species. Nonetheless, there has been no study on duff compaction by snow following charring. We examined post-fire duff depth for the first 3 years (two winters) after a 2006 wildfire in the boreal forest of north-western Quebec. We found that (1) significant compression was common, with (2) a positive relationship between the initial thickness of the burned organic layer depth and the subsequent amount of compression. The proportional compression rate was, however, roughly constant: ¡­14% after 2 years regardless of initial post-fire duff depth. We conclude that this amount of compression is too little to significantly impact post-fire seedling recruitment.