Low productivity caused by paludification in some parts of the closed black spruce (Picea mariana (Mill.) B.S.P) dominated boreal forest threatens the provision of ecosystem services, including wood fiber production. The accumulation, over time, of organic matter in paludified soils leads to an anaerobic environment that reduces microbial activity, decelerates decomposition of organic matter, and generates nutrient-poor microsites for regeneration. Consequently, it results in significant impacts on site productivity. Considering its ability to disturb the soil, mechanical site preparation (MSP) is viewed as a potential treatment that can help restore productivity of paludified sites following harvesting. We conducted a field experiment to verify if (1) the availability of microsites conducive to reforestation varies with MSP, microtopography (slope and aspect) and initial OLT conditions; (2) the growth of planted seedlings depends on the intensity of mechanical disturbance of the organic layer, type of microsite, planting density, presence of Ericaceae, and the planting position and depth; (3) there are direct and indirect causal relationships between microsites availability after MSP, OLT, microtopography, planting quality and seedlings growth; and (4) if mechanical site preparation and microsite type exposed affect the Ericaceae cover after planting. Our results confirmed that MSP is effective in establishing conditions that permit a productive regeneration cohort on these paludified sites. To ensure successful establishment of plantations on these sites, it is necessary, however, to distinguish between those that are slightly or moderately paludified from those that are highly paludified, as treatment effectiveness of different MSP types depends on organic layer thickness. Our results also show that preference should be given to some microsite types as clay and mixed-substrate microsites for planting to ensure sufficient availability of water and nutrients for seedlings.

In eastern Canada, spruces (Picea spp.) and pines (Pinus spp.) are among the main commercial species being logged for their lumber or wood fiber. Annually, about 175 million seedlings are planted in areas totaling ~100,000 ha. Appropriate microsite selection is essential during reforestation operations, given that it can improve the chances of survival and initial growth of the seedlings. In fir (Abies spp.) and spruce forests of eastern Canada, the optimal characteristics of establishment microsites have yet to be identified; these would be determined by different physical and climatic variables operating at several scales. Our study determined the influence of climatic (regional-scale), edaphic (stand-scale), local (microsite-scale) and planting conditions on the establishment substrate and initial growth of black spruce (Picea mariana Britton, Sterns and Poggenb.) and jack pine (Pinus banksiana Lamb.). Substrate characterization and growth monitoring (three growing seasons) for the two species were conducted on 29 planted cutblocks that were distributed over an east–west climatic gradient (precipitation and temperature) in the balsam fir and black spruce–feather moss forests of Quebec (Canada). Linear mixed models and multivariate analyses (PCAs) determined the effects of climatic, edaphic and micro-environmental variables and their interactions on the establishment substrate and seedling initial growth. The predictive models explained, respectively, 61% and 75% of the growth variability of black spruce and jack pine. Successful establishment of black spruce and jack pine depended upon regional conditions of precipitations and temperature, as well as on their interactions with stand-scale edaphic variables (surface deposit, drainage and slope) and local variables (micro-environmental) at the microsite-scale (establishment substrate types and substrate temperature). Mineral, organo-mineral and organic establishment substrates exerted mixed effects on seedling growth according to regional precipitation and temperature conditions, as well as their interactions with edaphic and local variables at the stand and microsite-scales, respectively. View Full-Text

The accumulation of organic material on top of the mineral soil over time (a process called paludification) is common in Northern Boreal coniferous forests. This natural process leads to a marked decrease in forest productivity overtime. Topography both at the surface of the forest floor (i.e., above ground) and the subsurface (i.e., top of mineral soil which is underground) is known to play a critical role in the paludification process. Until recently, the availability of more accurate topographic information regarding the surface and subsurface was a limiting factor for land management and modeling of spatial organic layer thickness (OLT) variability, a proxy for paludification. However so far, no research has assessed which of these two topographic variables has the greatest influence on paludification. This study aims to assess which topographic variable (surface or subsurface) better explains paludification, using high-resolution remote sensing technology (i.e., Light Detection and Ranging: LiDAR and Ground Penetrating Radar: GPR). To this end, field soil measurements were made in over 1614 sites distributed throughout the reference Valrennes Experimental site in Canadian northern coniferous forests. Then, a machine learning model (i.e., Random Forest, RF) was implemented to rank a set of selected predictor topographic variables (i.e., slope, aspect, mean curvature, plan curvature, profile curvature, and topographic wetness index) using the Mean Decrease Gini (MDG) index as an indicator of importance. Results showed that overall 83% of the overall variance was explained by the RF selected model, while the derived subsurface topography predictors had the lowest MDGs for predicting paludification. On the other hand, the surface slope predictor had the highest MDGs and better explained paludification. This finding would be particularly useful for implanting sustainable management strategies based on the surface variables of paludified northern boreal forests. This study has also highlighted the potential of LiDAR data to provide surface topographic spatial detail information for planning and optimizing forest management activities in paludified boreal forests. This is even of great importance when we know that LiDAR variables are easier to obtain compared to GPR derived variables (subsurface topographic variables).

La forêt boréale de l’Est canadien présente un fort potentiel de production ligneuse; l'industrie forestière y réalise des activités importantes de récolte et d'aménagement forestier. Les résineux, notamment les épinettes (Picea spp.) et les pins (Pinus spp.), sont les principales essences commerciales récoltées et utilisées pour le sciage et la pâte à papier. Dans le domaine bioclimatique de la pessière noire à mousses, certaines régions sont caractérisées par une faible productivité dans les sites paludifiés. La paludification est un phénomène naturel par lequel la matière organique s'accumule graduellement sur le sol minéral en absence de feu sévère. Ce phénomène est accéléré par plusieurs facteurs climatiques (climat froid) et édaphiques (imperméabilité du sol, topographie plane, faible drainage). La paludification mène à une baisse de croissance et à des taux de mortalité élevés de la régénération pré-établie due à la mauvaise qualité des substrats organiques surfaciques, souvent gorgés d’eau et pauvres en éléments nutritifs. Le reboisement précédé par une perturbation des horizons organiques, via la préparation mécanique du sol (PMS), a été proposée comme une solution prometteuse pour limiter la paudification et remettre en production les sites paludifiés. Cependant, peu d’informations sont disponibles concernant les conditions sous lesquelles certains traitements sylvicoles peuvent s’avérer efficaces à faciliter la remise en production des sites paludifiés.

La préparation mécanique du sol (PMS) vise à créer des conditions favorables à l’établissement des plants dans des microsites propices afin de maximiser leur chance de survie et leur croissance initiale. En effet, la croissance initiale des plants est déterminée par des variables environnementales à plusieurs échelles, qui incluent le climat régional (température, précipitations et humidité de l’air), les caractéristiques édaphiques à l’échelle du peuplement (drainage, dépôt de surface, pente), et le microenvironnement des plants à l’échelle du microsite (substrat d’établissement, température du substrat, position de mise en terre, épaisseur de l’humus). L’objectif général de cette thèse était d’analyser un ensemble de facteurs environnementaux qui déterminent la survie et la croissance des plants installés sur des sites ayant subi des perturbations sylvicoles à différentes intensités. Pour ce faire, via 3 chapitres, l’analyse s’est réalisée à trois différentes échelles dans la forêt boréale de l’Est canadien, soit à l’échelle régionale, du peuplement et du microsite.

Une caractérisation des microsites et un suivi de croissance de jeunes plants d’épinette noire (hauteur, diamètre) ont été réalisés sur un réseau de 15 placettes disposées aléatoirement sur des sites paludifiés et préparés mécaniquement dans l’Est canadien. Nos résultats ont confirmé que la PMS (scarificateur, herse forestière) était efficace pour établir une cohorte de régénération productive dans les sites paludifiés. Également, à court terme, la PMS permettait un contrôle adéquat des éricacées. Lors des opérations de reboisement, il convient de privilégier les microsites argileux et mélangés (organo-argileux et argileux-humiques) afin de garantir une disponibilité suffisante en eau et en nutriments. Pour assurer une remise en production efficace des sites paludifiés, il est important de distinguer préalablement les zones faiblement-modérément paludifiées des zones fortement paludifiées; ceci permettra d’utiliser les traitements de PMS (scarificateur, herse forestière) adéquats pour chaque zone et d’exposer davantage de microsites propices à l’établissement des plants.

Dans une expérience de six mois sous serre (milieu contrôlé : accès illimité en eau, températures favorables), nous avons déterminé les effets des substrats extraits de sites paludifiés, tels que : organiques et mélanges organiques, minéraux et mélanges organo-minéraux sur la croissance et le développement racinaire de 130 plants d’épinette noire pendant une saison de croissance. Les résultats ont montré que les substrats ont eu un effet significatif sur la croissance des plants et leurs concentrations foliaires en nutriments (N, P, K). L’accroissement en hauteur et en diamètre était supérieur dans les substrats argileux et organique-mésique respectivement. Nous n’avons pas noté d’effet significatif des substrats sur l’accroissement de la biomasse totale et sur la biomasse racinaire finale. Les concentrations foliaires en nutriments (N, P, K) étaient relativement élevées dans les plants établis sur les substrats mésiques et relativement faibles dans ceux établis sur les substrats argileux. De ce fait, à court terme, pour garantir le succès d’établissement des plants, nous recommandons l’utilisation de techniques de PMS aptes à exposer davantage de microsites argileux et organiques-mésiques sur les sites présentant un accès limité et illimité en eau dans le sol, respectivement.

Dans le but de déterminer l’influence des variables climatiques (échelle régionale), édaphiques (échelle du peuplement), locales (échelle du microsite) et les conditions de reboisements sur le substrat d’établissement et la croissance initiale des plants d’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P) et de pin gris (Pinus banksiana Lamb.), un suivi a été réalisé sur 29 parterres de coupe reboisés (5 placettes/parterre) par la Direction de la recherche Forestière (DRF, Québec), et répartis sur un gradient climatique (précipitations et température) d’est en ouest, dans les domaines de la sapinière et de la pessière à mousse de l’Est canadien. Les résultats ont montré que les substrats d’établissement de types minéraux, organo- minéraux et organiques avaient des effets mitigés sur la croissance des plants selon l’influence et l’interaction des variables climatiques régionales, édaphiques à l’échelle du peuplement et locales à l’échelle du microsite. Cette étude a permis, à terme, de mieux comprendre les conditions d’établissement de la régénération en forêt paludifiée et les interactions existantes entre la croissance initiale des plants et les conditions environnementales à différentes échelles (régionale, peuplement et microsite) suite à leur mise en terre, et ce, afin d’assurer le maintien de la productivité des sites forestiers récoltés. Les recommandations sylvicoles de cette étude permettront aux aménagistes forestiers d’adapter les pratiques de reboisement aux conditions climatiques régionales dans l’est canadien, notamment dans le contexte des changements climatiques.

Ce travail a permis de mieux comprendre les conditions d’établissement de la régénération en forêt boréale de l’Est canadien. L’aménagement des sites reboisés dans les différentes régions bioclimatiques de l’Est canadien, dépend des caractéristiques édaphiques à l’échelle du peuplement et locales (types de substrats d’établissement ou de mise en terre) à l’échelle du microsite. La PMS est un traitement sylvicole que les aménagistes forestiers pourraient considérer dans l'aménagement des sites boréaux, notamment les sites paludifiés. Après la PMS, le choix des microsites et des substrats propices à l’établissement lors des opérations de reboisement est indispensable pour garantir une meilleure croissance et survie des plants dans les sites boréaux aménagés.