Partial cutting has lower canopy removal intensities than clearcutting and has been proposed as an alternative harvesting approach to enhance ecosystem services, including carbon sequestration and storage. However, the ideal partial cutting/clearcutting proportion that should be applied to managed areas of the eastern Canadian boreal forest to enhance long-term carbon sequestration and storage at the landscape scale remains uncertain. Our study projected carbon dynamics over 100 years (2010–2110) under a portfolio of management strategies and future climate scenarios within three boreal forest management units in Quebec, Canada, distributed along an east–west gradient. To model future carbon dynamics, we used LANDIS-II, its Forest Carbon Succession extension, and several extensions that account for natural disturbances in the boreal forest (wind, fire, spruce budworm). We simulated the effects of several management strategies on carbon dynamics, including a business-as-usual strategy (clearcutting applied to more than 95 % of the annually managed area), and compared these projections against a no-harvest natural dynamics scenario. We projected an overall increase in total ecosystem carbon storage, mostly because of increased productivity and broadleaf presence under limited climate change. The drier Western region under climate scenario RCP8.5 was an exception, as stocks decreased after 2090 because of the direct negative effects of extreme climate change on coniferous species’ productivity. Under the natural dynamic scenario, our simulations suggest that the Quebec Forest in the Central and Western regions may act as a carbon sink, despite high fire-related carbon emissions, particularly under RCP4.5 and RCP8.5 Conversely, the eastern region periodically switched from carbon sink to source following SBW outbreaks, thus being a weak sink over the simulation period. Applying partial cutting to over 50 % of the managed forest area effectively mitigated the negative impacts of climate change on carbon balance, reducing differences in stand composition and carbon storage between naturally dynamic forests and those managed for timber. In contrast, clearcutting-based scenarios, including the business-as-usual approach, substantially reduced total ecosystem carbon storage— by approximately double (10 tC ha−1 yr−1) compared to partial cutting scenarios (<5 tC ha−1 yr−1). Clearcutting led to higher heterotrophic respiration due to the proliferation of fast-decomposing broadleaves, resulting in lower carbon accumulation compared to partial cuts. Our findings underscore the importance of balancing canopy removal intensities to increase carbon sequestration and storage while preserving other ecosystem qualities under climate change.

La séquestration du carbone par les écosystèmes forestiers fait partie de la stratégie d'atténuation du changement climatique définie par le groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat. Pourtant, les forêts boréales subiront des impacts significatifs sous l'effet des changements climatiques, principalement des modifications aux cycles de perturbations naturelles (incendies de forêt, épidémies, chablis). L'augmentation de la séquestration du carbone dans les forêts boréales et les produits du bois grâce à des méthodes d'exploitation appropriées pourrait contribuer efficacement à l'atténuation du changement climatique à l'échelle régionale. Afin de stabiliser et d'augmenter la capacité de séquestration et de stockage du carbone à l'échelle du peuplement, les traitements des coupes partielles (CP) basées sur des intensités de récolte (IR) faibles et modérées ont été proposés comme alternative à la coupe totale (CT) (correspondant à 95-100 % de IR). Cependant, dans la forêt boréale du Québec, il n’existe pas assez d’information sur la proportion appropriée de la superficie annuelle aménagée par traitement au niveau du paysage pour augmenter/stabiliser la séquestration et le stockage du carbone, maintenir l'habitat forestier, et répondre aux besoins industriels, principalement dans le cadre du changement climatique. Sous différents scénarios de changement climatique, y compris le climat actuel, ce projet vise à projeter et à évaluer la dynamique du bilan de carbone sur 300 ans (2010-2310) dans les forêts aménagées du Québec le long d'un gradient longitudinal, de l'ouest vers l'est : Nord-du-Québec (MU1), Saguenay-Lac-Saint-Jean (MU2) et Côte-Nord (MU3). Plusieurs stratégies d'aménagement variant dans leur utilisation de coupes partielles, des coupes totales et de taux de reboisement, incluant le scénario de référence (CT appliquée sur plus de 95 % de la superficie aménagée) ont été testées et comparées au scénario d'évolution naturelle (pas de récolte). Au cours des simulations, le modèle LANDIS-II a été utilisé comme modèle mécaniste combiné avec les extensions de succession PnET et ForCs dans différents chapitres. À l'échelle du peuplement, nous avons constaté que le changement climatique pourrait augmenter le stock de carbone de la biomasse globale et la productivité primaire nette dans le cadre des scénarios RCP par rapport au climat actuel pour toutes les espèces étudiées, à l'exception des espèces de conifères dans MU1 dans le cadre du RCP8.5 après 2100. Cette augmentation peut s'expliquer par l'extension de la saison de croissance et la réduction des blessures potentielles dues au froid. À l'échelle du paysage, les résultats de l'évolution naturelle montrent que le stock du carbone de la biomasse des feuillus augmentera sous différents scénarios de changement climatique au cours de la période d'étude, ce qui pourrait s'expliquer par l'expansion de la proportion de la forêt mixte, principalement entre l’épinette noire et les feuillus. En outre, notre simulation du scénario d'évolution naturelle (conservation totale) a révélé une augmentation globale des stocks de carbone de la matière organique morte (MOM) et de la biomasse, à l'exception de MU1 sous RCP8.5 où ces stocks ont diminué après 2100. Cette réduction est liée aux effets du stress climatique sur la productivité des conifères. La mortalité des conifères au sein des trois unités a été significativement affectée par la compétition avec les feuillus, les feux et le changement climatique. Le scénario de non-récolte semble conduire à une productivité nette de l'écosystème (PNE) négative ou nulle. Les stratégies basées sur les CT (telles que le scénario de référence) pourraient diminuer le stockage total de carbone de l'écosystème (MOM+biomasse) de -10 tC ha-1 an-1 par rapport au scénario naturel. Aussi, les stratégies fondées sur les CT ont augmenté l'abondance des jeunes forêts de plus de +25 % et ont diminué les forêts matures et anciennes de -10 % et -16 % respectivement par rapport au scénario naturel, tout en augmentant l'abondance des espèces pionnières de feuillus (peuplier faux-tremble et bouleau blanc). Par contre, les stratégies basées sur les CP (appliqué sur plus de 75 % ou 50 % de la surface annuellement aménagée) permettent un stockage du carbone plus proche ou meilleur que le scénario naturel avec une plus grande rétention de la couverture de conifères avec des forêts matures et anciennes. Pour tous les scénarios climatiques, l'application de stratégies basées sur les CP a imité le scénario naturel, en reproduisant des schémas de végétation naturelle et une structure d'âge similaire. Néanmoins, les stratégies basées sur les CP ont montré un PNE plus faible (~0) à long terme par rapport aux stratégies basées sur les CT. Les scénarios basés sur les CT ont le potentiel d'augmenter le PNE (>0) à long terme et d'augmenter le stockage du carbone de la biomasse disponible pour les produits du bois par rapport à ceux basés sur les CP (PNE~0). Dans les hautes latitudes de la forêt boréale Québécoise, un compromis entre les traitements de CT, CPRS et CP est nécessaire pour atteindre de multiples objectifs, y compris l'augmentation de la séquestration et du stockage du carbone et la satisfaction des besoins industriels. À ces fins, nous avons proposé d'augmenter la superficie récoltée par CP à plus de 50 % ou 75 % de la superficie annuellement aménagée comme stratégies alternatives pour guider la gestion durable des forêts au Québec dans le contexte du changement climatique.

Climate change poses a serious risk to sustainable forest management, particularly in boreal forests where natural disturbances have been projected to become more severe. In three Quebec boreal forest management units, biomass carbon storage under various climate change and management scenarios was projected over 300 years (2010–2310) with a process-based dynamic landscape model (PnET-succession for Landis-II). Several strategies varying in their use of partial cuts and clear cuts, including business as usual (BAU) (clear-cut applied on more than 95% of the managed area), were tested and compared to conservation scenarios (no-harvest). Based on simulation results at the landscape scale, the clearcut-based scenarios such as BAU could result in a decrease of biomass carbon stock by 10 tC ha−1 yr−1 compared to the natural scenario. However, this reduction in carbon stock could be offset in the long term through changes in composition, as clearcut systems promote the expansion of trembling aspen and white birch. In contrast, the use of strategies based on partial cuts on more than 75% or 50% of the managed area was closer to or better than the natural scenario and resulted in greater coniferous cover retention. These strategies seemed to be the best to maximize and stabilize biomass carbon storage and ensure wood supply under different climate change scenarios, yet they would require further access and appropriate infrastructure. Furthermore, these strategies could maintain species compositions and age structures similar to natural scenarios, and thus may consequently help achieve forest ecosystem-based management targets. This study presents promising strategies to guide sustainable forest management in Eastern Canada in the context of climate change.

Several recent studies point out that climate change is expected to influence boreal forest succession, disturbances, productivity, and mortality. However, the effect of climate change on those processes and their interactions is poorly understood. We used an ecophysiological-based mechanistic landscape model to study those processes and their interactions and predict the future productivity and composition under climate change scenarios (RCP) for 300 years (2010–2310). The effects of climate change and wildfires on forest composition, biomass carbon sequestration and storage, and mortality were assessed in three management units of Quebec boreal forest, distributed along a longitudinal gradient from west to east: North-of-Quebec (MU1), Saguenay–Lac-Saint-Jean (MU2), and Côte-Nord region (MU3). Coniferous mortality variation was explained by competitive exclusion and wildfires, which are related to climate change. In the studied MU, we found a decrease in coniferous pure occupancy at the landscape scale and an increase in mixed deciduous forests in MU1 and MU2, and an increase in mixed coniferous, mainly black spruce and balsam fir in MU3. On the other hand, for extreme scenarios (RCP4.5 and RCP8.5), in the absence of broadleaves dispersal, the open woodland occupancy could increase to more than 8, 22, and 10% in MU1, MU2, and MU3 respectively. Also, climate change might increase overall biomass carbon stock two times for RCP2.6 and RCP4.5 scenarios compared to the baseline this may be explained by the extension of the growing season and the reduction of potential cold-temperature injuries. Generally, western regions were more sensitive to climate changes than the eastern regions (MU3), in fact under RCP8.5 biomass carbon stock will be decreasing in the long-term for MU1 compared to the current climate. This study provides a good starting point to support future research on the multiple factors affecting forest C budget under global change.

Carbon sequestration and storage in forest ecosystems is often promoted as a solution for reducing CO2 concentrations in the atmosphere. Yet, our understanding is lacking regarding how forest management strategies affect the net removal of greenhouse gases and contribute to climate change mitigation. Here, we present a review of carbon sequestration and stock dynamics, following three strategies that are widely used in boreal, temperate and tropical forests: extensive forest management, intensive forest management and old-growth forest conservation.