On the Influence of Afforestation on Soil Erosion and Soil Carbon in a Subtropical Chinese Forest Ecosystem - Results from a tree diversity experiment

Die Wälder im subtropischen China erfuhren in den letzten Jahrzehnten große Verände-rungen durch umfassende Entwaldungen. Aufforstungen können nicht nur dazu beitra-gen, die Holzproduktion zu steigern, sondern auch Dienstleistungen von Waldökosys-temen wie z.B. Schutz gegen Bodenerosion, Verbesserung von Bodeneigenschaften oder Kohlenstoffspeicherung sicherzustellen und damit einen Beitrag zur Eindämmung des Klimawandels zu leisten. Die hügelige „Red Soil“ Region in Südchina ist auch trotz zahlreicher, langfristiger Aufforstungsprojekte nach wie vor mit hohen Bodenerosionsra-ten konfrontiert. Dies kann u.a. auf funktionelle Mängel der ausgewählten Baumarten und der für die Aufforstung geplanten Baumartendiversität zurückzuführen sein. Es ist daher von großem Interesse, wie Baumarten und Baumartenvielfalt, sowie insbesonde-re der Zusammenhang zwischen Artenvielfalt und Ökosystemfunktionen die Bodenero-sion beeinflussen. Darüber hinaus befassen sich nur wenige Studien mit der Rolle der Aufforstung für den Kohlenstoff- und Stickstoff-Haushalt, sowie deren Transport durch Bodenerosionsprozesse unter Wald. Diese Fragestellungen sind für die Bodenfrucht-barkeit und die Bewertung von Kohlenstoff- und Stickstoffflüssen vom Boden zu an-grenzenden aquatischen Ökosystemen sowie zur Atmosphäre von großer Wichtigkeit. Weiterhin ist bisher auch nur wenig über die Dynamik des organischen Kohlenstoffs im Boden in frühen Phasen der Aufforstung bekannt. Dies gilt insbesondere für subtropi-sche Waldökosysteme unter intensiver menschlicher Nutzung. Im Rahmen eines Biodiversitätsprojekts innerhalb eines subtropischen chinesischen Waldgebietes (BEF China) wurden in dieser Arbeit zunächst Punktwolkendaten von terrestrischen Laserscannern (TLS) und Splash Cups verwendet, um den räumlichen Blattflächenindex (LAI) zu analysieren und das Potenzial der Splash-Erosion im Be-standsniederschlag (TKE) vorherzusagen. Während der Regenzeiten von 2013 bis 2015 wurden Messungen der Sedimentfracht mit Erosionsmessplots durchgeführt, um zeitli-che Veränderungen der Erosionsraten und der Kohlenstoff- und Stickstoffflüsse im Bo-den zu erfassen und die Auswirkungen von Baumarten und Baumartendiversität auf diese zu untersuchen. In den Jahren 2010 und 2014 wurden 132 Bodenprofile in fünf Tiefenstufen (0-5 cm, 5-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm, 30-50 cm) untersucht, um die Veränderungen der Kohlenstoff-Bestände im Boden zu beurteilen. Die Ergebnisse zeigen, dass lognormale und exponentielle lineare Modelle geeignet sind, die vertikale und horizontale LAI-Verteilung ausgewählter Baumarten zu beschrei-ben. Die vertikalen Verteilungen von LAI und TKE verschiedener Baumarten waren signifikant unterschiedlich. Innerhalb des BEF China Projektes lassen sich auch nach 6 Jahren Baumwachstum noch immer starke Erosionsraten nachweisen. LAI und biologi-sche Bodenkrusten waren die beiden Haupteinflussfaktoren auf Bodenerosionsprozes-se in Baumbeständen mit unterschiedlichem Artenreichtum. Eine höherer Baumarten-diversität führte zu einer abnehmenden Bodenerosion durch positive Auswirkungen der Kronendächer und flächendeckender biologischer Bodenkrusten. Die Konzentrationen von C und N im Sedimentabtrag stiegen im Untersuchungszeitraum an, während die jährlichen Abflüsse von C und N in den beobachteten drei Jahren zusammen mit der Sedimentabgabe signifikant um 50 % zurückgingen. Die C- und N-Flüsse waren auch nach 6 Jahren Baumwachstum so hoch wie in Entwaldungsgebieten. Die junge Auffors-tung im BEF China Experiment führte zu einer Reduktion von insgesamt ca. 274 Mg Bodenkohlenstoff von 2010 bis 2014. Die Reduktion des Kohlenstoffs erfolgte haupt-sächlich im Oberboden (0-20 cm). Aufgeforstete Flächen mit höheren ursprünglichen C-Beständen zeigten höhere Verluste. Baumwachstum und Streufall als wichtiger Koh-lenstoffeintrag in den Boden konnten die Reduzierung des C-Bestands in der frühen Phase der Aufforstung nicht kompensieren.Forests in subtropical China were undergoing great changes in the last decades, mainly caused by extensive deforestation. Afforestation in turn can help not only to increase the production of timber but also to enhance forest ecosystem services such as soil erosion control, soil properties, carbon storage and thus help mitigating climate change. However, even after long-term afforestation projects the hilly red soil region in southern China is still facing serious soil erosion. This might result from structural shortcomings of the tree species chosen and tree species richness planed for afforestation. Therefore, it is urgent to answer the question how tree species and tree diversity and especially the relationship between diversity and ecosystem functioning affect soil erosion. In addition, little research addresses the role of afforestation for carbon (C) and nitrogen (N) turno-ver and transport by soil erosion under forest, which is important for soil fertility and the assessment of carbon and nitrogen fluxes from soil to adjacent aquatic ecosystems as well as to the atmosphere. Moreover, in the earlier stage of afforestation after defor-estation, soil organic carbon (SOC) dynamics are still unclear, especially in subtropical areas with intensive human impacts on forest ecosystems. Based on a biodiversity and ecosystem functioning project in China (BEF China), this dissertation firstly used point cloud data from terrestrial laser scanners (TLS) and splash cups to analyze spatial leaf area index (LAI) and to predict the potential of splash ero-sion in subtropical forests. Measurements of sediment delivery were conducted during the rainy seasons from 2013 to 2015 to detected temporal changes of soil erosion and soil carbon and nitrogen fluxes and investigate the influences of tree species and diver-sity. Finally, 132 soil profiles at five increments (0-5 cm, 5-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm, 30-50 cm) were sampled in 2010 and 2014 to assess changes of SOC stocks. Results showed that lognormal and exponential linear models were suitable to describe the vertical and horizontal LAI distribution of selected tree species, respectively. Vertical distributions of LAI and throughfall kinetic energy (TKE) of different tree species were significantly different. BEF China is still suffering from severe soil erosion even after 6 years of tree growth. Leaf area index (LAI) and biological soil crusts (BSCs) were the two main factors driving soil erosion within tree stands of different species richness. Higher tree species richness lead to decreasing soil erosion by positive effects on tree canopies and surface covering BSCs. Sediment C and N concentrations increased while annual soil C and N fluxes significantly decreased at a rate of 50% in the ob-served three years together with sediment delivery. Soil C and N fluxes in the study were as high as in deforestation areas even after 6 years of tree growth. Earlier affor-estation in BEF China resulted in a reduction of approximately 274 Mg SOC from 2010 to 2014 in total. The reduction of SOC is mainly from the 0-20 cm topsoil. Afforested areas with higher original SOC stock showed higher losses. Tree growth and litter fall as an important carbon input to soil could not compensate SOC stock reduction in the ear-lier stage of the afforestation

Remote Sensing of the Ecosystem Impact of Invasive Alien Plant Species

Invasive Pflanzenarten können Ökosysteme durch Beeinflussung von einheimischen Pflanzengesellschaften und Ökosystemprozessen verändern. Solche Ökosystemauswirkungen wurden mit Hilfe von Experimenten oder Feldaufnahmen umfassend untersucht. Großflächige Auswirkungen, zum Beispiel auf Habitat- oder Landschaftsebene wurden bisher jedoch kaum untersucht. Mit Hilfe von Fernerkundung können räumlich explizite Informationen über die Verteilung von Arten und Ökosystemeigenschaften erfasst werden und somit die Lücke in der Erforschung der großflächigen Auswirkungen invasiver Arten geschlossen werden. Bisher wurde Fernerkundung vor allem zur Kartierung von Vorkommen invasiver Pflanzenarten eingesetzt, jedoch nur selten zur Abschätzung ihrer Auswirkungen. Diese Arbeit zielt darauf ab, das Potential der Fernerkundung für die Bewertung von Ökosystemauswirkungen invasiver Pflanzenarten zu analysieren. Zu diesem Zweck wurden drei Forschungsarbeiten angefertigt, die verschiedene Aspekte dieses Potenzials beleuchten: (1) Die Ermittlung von Vegetationseigenschaften in von Invasionen betroffenen Ökosystemen, (2) die Analyse von Auswirkungen invasiver Arten auf unterschiedlichen räumlichen Skalen und (3) eine räumlich explizite Darstellung von Ökosystemauswirkungen invasiver Pflanzenarten. Die erste Studie beschäftigt sich mit der Kartierung von Blattstickstoff (N) und -phosphorgehalten (P) in einem Laubmischwald mit Vorkommen der frühblühenden Traubenkirsche (Prunus serotina Ehrh.). Für die Kartierung wurden hyperspektrale und Laserscanning (LiDAR) Daten kombiniert. Die Studie ergab, dass die Bestimmung von N und P aus hyperspektalen Fernerkundungdaten in Baumkronen mit hoher struktureller Heterogenität erschwert wird. Allerdings konnte auch ein Zusammenhang zwischen chemischer Zusammensetzung und der Struktur des Kronendaches festgestellt werden. So konnten die von LiDAR-Daten abgeleiteten Strukturinformationen genutzt werden, um die Vorhersagen von N und P zu verbessern. In der zweiten Studie wurden aus Fernerkundungsdaten erstellte Karten von Ökosystemeigenschaften genutzt, um Gebiete mit und ohne P. serotina zu vergleichen. Die Karten umfassten N und P, sowie das N:P-Verhältnis von Blättern, das Holzvolumen und den Blattflächenindex (LAI). Es wurden sowohl Unterschiede in den Werten von Blattinhaltsstoffen als auch in der Waldstruktur für Standorte mit und ohne P. serotina festgestellt. Diese Unterschiede waren auch auf Bestandsebene erkennbar, wenn auch in geringem Maße. In der dritten Studie wurden hyperspektrale Luftbilder verwendet um die prozentuale Deckung des Kaktusmooses (Campylopus introflexus (Hedw.) Brid.) in einem Dünenökosystem großflächig zu kartieren. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen dem Deckungsgrad von C. introflexus und der Artenvielfalt von Pflanzen untersucht. In Kombination wurden diese Ergebnisse verwendet, um potenzielle Bereiche mit hohen Auswirkungen zu kennzeichnen. Basierend auf diesen drei Studien wurden in dieser Arbeit zwei grundlegende methodische Ansätze zur Analyse von Ökosystemauswirkungen invasiver Pflanzenarten per Fernerkundung identifiziert und angewandt. Der erste Ansatz besteht darin, mit Hilfe von Fernerkundung erstellte Karten von Ökosystemeigenschaften zu verwenden, um diese Eigenschaften in Abhängigkeit des Vorkommens invasiver Arten auszuwerten. Wie gezeigt werden konnte, ist dies auch für große Flächen, beispielsweise auf der Habitat- oder Landschaftsebene, möglich. Somit kann Fernerkundung zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen von invasiven Arten beitragen. Der zweite Ansatz basiert auf der Kartierung von Abundanzen invasiver Pflanzenarten. Diese können als Indikator für die Stärke der Auswirkungen genutzt werden. Die resultierenden Karten können verwendet werden, um Bereiche mit hohen Auswirkungen zu identifizieren. Darüber hinaus ermöglicht dieser zweite Ansatz den Vergleich der Auswirkungen zwischen verschiedenen Arten oder Lebensraumtypen und kann somit wertvolle Informationen für Managemententscheidungen liefern. Da die Ableitung vieler Ökosystemeigenschaften aus Fernerkundungsdaten nach wie vor eine Herausforderung darstellt, sollte die zukünftige Forschung darauf abzielen, die Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften und der Reflektanz der Vegetation besser zu verstehen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für eine zuverlässige Vorhersage über verschiedene Lebensräume hinweg. Zukünftige Fernerkundungsstudien, mit dem Ziel invasive Arten zu kartieren, sollten sich auf die Vorhersage von Deckungsgraden konzentrieren. Darüber hinaus sind generalisierte Verfahren wünschenswert, die eine erfolgreiche Identifizierung von Arten unter verschiedenen ökologischen Gegebenheiten gewährleisten. Nicht zuletzt sollte diese Arbeit Invasionsökologen ermutigen, existierende Fernerkundungsprodukte häufiger zu verwenden, um großflächige Auswirkungen von invasiven Pflanzenarten auf Ökosysteme zu analysieren

Remote sensing technology applications in forestry and REDD+

Advances in close-range and remote sensing technologies are driving innovations in forest resource assessments and monitoring on varying scales. Data acquired with airborne and spaceborne platforms provide high(er) spatial resolution, more frequent coverage, and more spectral information. Recent developments in ground-based sensors have advanced 3D measurements, low-cost permanent systems, and community-based monitoring of forests. The UNFCCC REDD+ mechanism has advanced the remote sensing community and the development of forest geospatial products that can be used by countries for the international reporting and national forest monitoring. However, an urgent need remains to better understand the options and limitations of remote and close-range sensing techniques in the field of forest degradation and forest change. Therefore, we invite scientists working on remote sensing technologies, close-range sensing, and field data to contribute to this Special Issue. Topics of interest include: (1) novel remote sensing applications that can meet the needs of forest resource information and REDD+ MRV, (2) case studies of applying remote sensing data for REDD+ MRV, (3) timeseries algorithms and methodologies for forest resource assessment on different spatial scales varying from the tree to the national level, and (4) novel close-range sensing applications that can support sustainable forestry and REDD+ MRV. We particularly welcome submissions on data fusion

Crown plasticity enables trees to optimize canopy packing in mixed-species forests

It has been suggested that diverse forests utilize canopy space more efficiently than species‐poor ones, as mixing species with complementary architectural and physiological traits allows trees to pack more densely. However, whether positive canopy packing–diversity relationships are a general feature of forests remains unclear. Using crown allometric data collected for 12 939 trees from permanent forest plots across Europe, we test (i) whether diversity promotes canopy packing across forest types and (ii) whether increased canopy packing occurs primarily through vertical stratification of tree crowns or as a result of intraspecific plasticity in crown morphology. We found that canopy packing efficiency increased markedly in response to species richness across a range of forest types and species combinations. Positive canopy packing–diversity relationships were primarily driven by the fact that trees growing in mixture had sizably larger crowns (38% on average) than those in monoculture. The ability of trees to plastically adapt the shape and size of their crowns in response to changes in local competitive environment is critical in allowing mixed‐species forests to optimize the use of canopy space. By promoting the development of denser and more structurally complex canopies, species mixing can strongly impact nutrient cycling and storage in forest ecosystems.The research leading to these results received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement n° 265171.This is the accepted manuscript. The final version is available at http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1365-2435.12428/abstract

Integrating Remote Sensing Techniques into Forest Monitoring: Selected Topics with a Focus on Thermal Remote Sensing

A sustainable management of natural resources, in particular of forests, is of great importance to preserve the ecological, environmental and economic benefits of forests for future generations. An enhanced understanding of the current situation and ongoing trends of forests, e.g. through policy interventions, is crucial to managing the forest wisely. In this context, forest monitoring is essential for collecting the base data required and for observing trends. Despite the wide range of approved methods and techniques for both close-range and satellite-based remote sensing monitoring, ongoing forest monitoring research is still grappling with specific and unresolved questions: The data acquired must be more reliable, in particular over a long-term period; costs need to be reduced through advancements in both methods and technology that offer easier and more feasible ways of interpreting data. This thesis comprises a number of focused studies, each with their individual and specific research questions, and aims to explore the benefits of innovative methods and technologies. The main emphasis of the studies presented is the integration of close-range and satellite-based remote sensing for enhancing the efficiency of forest monitoring. Manuscript I discusses thermal canopy photography, a new field of application. This approach takes advantage of the large differences in temperature between sky and non-sky pixels and overcomes the inconsistencies of finding an optimal threshold. For an unambiguously separation of “sky” and “non-sky” pixels, a global threshold of 0 °C was defined. Currently, optical or hemispherical canopy photography is the most widely used method to extract crown-related variables. However, a number of aspects, such as exposure, illumination conditions, and threshold definition present a challenge in optical canopy photography and dramatically influence the result; consequently, a comparison of the results from optical canopy photography at a different point in time derived is not advisable. For forest monitoring, where repeated measurements of the canopy cover on the same plots were undertaken, it is therefore of utmost importance to devise a standard protocol to estimate changes in and compare the canopy covers. This paper offers such a protocol by introducing thermal canopy photography. A feasible and accurate method that examines the strong correlation (R2 = 0.96) of canopy closure values derived from thermal and optical image pairs. Thermal photography, as a close-range remote sensing technique, also aids data collection and analysis in other contexts, for instance to expand our knowledge about bamboo tree species: Information about the maturity of bamboo culms is of utmost importance for managing bamboo stands because only then the process of lignification is finished and the culm is technically stronger and more resistant to insect and fungi attacks. The findings of a study (Manuscript III) conducted in Pereira, Colombia, show small differences in culm surface temperature between culms of different ages for the bamboo species Guadua angustifolia K., which may be a sign of maturity. The surface temperature of 12 culms was measured after sunrise using the thermal camera system FLIR 60Ebx. This study shows an innovative close-range remote sensing technique which may support researchers’ determination of the maturity of bamboo culms. This research is in its inception phase and our results are the first of this kind. In the context of analyzing, in particular of thermal imagery time-series data, Manuscript (IV) offers a new methodology using advanced statistical methods. Otsu Thresholding, an automatic segmentation technique is used in a first processing step. O’Sullivan penalized splines estimated the temperature profile extracted from the canopy leaf temperature. A final comparison of the different profiles is done by constructing simultaneous confidence bands. The result shows an approximately significant difference in canopy leaf temperature. For this study, we successfully cooperated with the Center for Statistics at Göttingen University (Prof. Kneib). The second close-range remote sensing technology employed in this thesis is terrestrial laser scanning which is used here to enhance our understanding about buttressed trees. Big trees with an irregular non-convex shape are important contributors to aboveground biomass in tropical forests, but an accurate estimation of their biomass is still a challenge and often remains biased. Allometric equations including tree diameter and height as predictors are currently used in tropical forests, but they are often not calibrated for such large and irregular trees where measuring the diameter is quite difficult. Against this background, Manuscript II shows the result of the 3D-analysis of 12 buttressed trees. This study was conducted in the Botanical Garden of Bogor, Indonesia, using a state-of-the-art terrestrial laser scanner. The findings allow for new insights into the irregular geometry of buttressed trees and the methodological approach employed in this paper will help to improve volume and biomass models for this kind of tree. The results suggest a strong relationship (R² = 0.87) between cross-sectional areas at diameter above buttress (DAB) height and the actual tree basal area measured at 1.3 m height. The accuracy of field biomass estimates is crucial if the data are used to calibrate models to predict the forest biomass on landscape level using remote sensing imagery. The linkage between technology and methodology in the context of forest monitoring remote sensing enhance our knowledge in extracting more reliable information on tree cover estimation. The pre-processing of satellite images plays a crucial role in the processing workflow and particularly the illumination correction has a direct effect on the estimated tree cover. Manuscript IV evaluates four DEMs (Pleiades DSM, SRTM30, SRTM V4.1 and SRTM-X) that are available for the area of Shitai County (Anhui Province, Southeast China) for the purpose of an optimized illumination correction and tree cover estimation from optical RapidEye satellite images. The findings presented in this study suggest that the change in tree cover is contingent on the respective digital elevation models used for pre-processing the data. Imagery corrected with the freely available SRTM30 DEM with 30 m resolution leads to a higher accuracy in the estimation of tree cover based on the high-resolution and cost intensive Pleaides DEM. These manuscripts eventually seek to resolve some of the issues and provide answers to some of the detailed questions that still persist at different steps of the forest monitoring process. In future, these new and innovate methods and technologies will maybe integrate into forest monitoring programs

Étude de la structure et de la dynamique des houppiers à partir de données de LIDAR terrestre

RÉSUMÉ: La structure de la canopée joue plusieurs rôles importants dans le fonctionnement des écosystèmes forestiers. Elle est définie par l’emplacement, la taille et la forme des arbres qui la compose. Elle peut donc être étudiée à l’échelle du peuplement entier, ou à celle des arbres individuels. Toutefois, les dimensions, la complexité et la longévité des arbres rendent l’étude de leur structure difficile. Depuis une dizaine d’années, des technologies comme le LiDAR (Light Detection And Ranging) ont fait leur apparition dans le monde de l’écologie et de l’aménagement des forêts. Ce type d’outil fournit une représentation tridimensionnelle (3D) très précise de la structure de la canopée. L’objectif global de ma thèse était d’étudier la structure et la dynamique des houppiers d’arbres individuels à l’aide du LiDAR terrestre (LiDAR-t) dans un contexte de réponse à la diversité du peuplement. Dans le premier chapitre, l’objectif était d’étudier l’effet de la mixité sur la structure du houppier de l’érable à sucre et sur la pression de compétition qu’il subit. De nouvelles métriques de structure du houppier et des indices de compétition ont été développées à partir de données de LiDAR-t. Les résultats montrent que la pression de compétition est moins forte en peuplement mixte et que les érables occupent l’espace de façon plus efficace. Ces résultats illustrent la grande plasticité du houppier de l’érable à sucre. Par ailleurs, ils soutiennent l’importance d’un aménagement des forêts plus complexe où la diversité spécifique peut entrainer une complémentarité des traits de houppier et une meilleure exploitation de l’espace. Finalement, la capacité du LiDAR-t à décrire la structure des houppiers et la compétition pour la lumière est mise en évidence au travers de l’approche utilisée. Dans le deuxième chapitre, l’objectif était de quantifier des profils verticaux des feuilles et du bois à partir de données de LiDAR-t et de comparer la forme des distributions entre espèces (érable à sucre et sapin baumier) et types de peuplement (pur et mixte). Une méthode a été mise au point pour discriminer la matière foliaire de la matière ligneuse à partir d’une approche géométrique sur le nuage de point. Les résultats montrent que la distribution du feuillage de l’érable à sucre est plus basse en peuplement mixte qu’en peuplement pur. L’inverse est observé pour le sapin baumier. Ceci suggère une fois de plus que l’érable à sucre est avantagé en peuplement mixte par rapport au peuplement pur. Ce n’est en revanche pas le cas pour le sapin baumier. Finalement les avantages et les limites de la méthode de séparation du feuillage et du bois sont soulevés. L’objectif du troisième chapitre était de mettre au point une méthode permettant de quantifier les changements du houppier des arbres à partir de données multitemporelles de LiDAR-t. Le principe de la méthode est de récupérer tous les points du nuage de points au temps tx qui se trouvent au-delà de la limite du houppier au temps t0 (défini par une enveloppe). L’approche a été appliquée à titre d’exemple pour quantifier la réponse d’érable à sucre et de sapin baumier aux trouées. Les résultats montrent que les érables à sucre ont une réponse beaucoup plus forte que les sapins baumiers. Par ailleurs, les deux espèces ont tendance à ouvrir leur houppier en réponse au dégagement des compétiteurs et à réoccuper l’espace vers le bas. Ces résultats révèlent une fois de plus l’importante plasticité de l’érable à sucre et l’importance de quantifier les changements de la végétation dans toutes les directions. Finalement, les applications potentielles de la méthode à d’autres espèces et à la dynamique des trouées sont discutées. Au travers de ces trois chapitres, ma thèse de doctorat a permis de relever plusieurs défis méthodologiques liés à l’utilisation du LiDAR-t en forêt. À partir de ces méthodes, ma thèse a répondu à des questions d’écologie et du développement des arbres. Ainsi, des approches statiques comparant, des indices de compétition, des métriques 3D et des profils de houppier à un instant donné dans différents types de peuplement ont été utilisées dans le premier et deuxième chapitre. Une approche dynamique permettant un suivi précis de la réoccupation de l’espace par les houppiers a été utilisée dans le troisième chapitre. Ces approches ont permis de caractériser l’occupation de l’espace des deux espèces en fonction de l’environnement local. La plasticité importante du houppier des érables à sucre et les effets bénéfiques de la diversité du peuplement sur son développement ont été mis en évidence. Le sapin baumier montre une réponse à la diversité du peuplement plus mitigé. Ces résultats soulèvent alors plusieurs questions et ouvrent des perspectives de recherche quant à l’effet de la diversité sur l’occupation de l’espace à l’échelle du peuplement. -- Mot(s) clé(s) en français : LiDAR-t, peuplement mixte, plasticité, compétition pour la lumière, structure du houppier, développement du houppier, distribution vertical. -- ABSTRACT: The canopy structure plays many roles in the processes occurring in forest ecosystems. Canopy structure can be defined as the position, size and shape of the tree crowns that compose it. It can be studied at the stand or at the tree scale. The dimensions, complexity and longevity of trees make it hard to study the canopy. In the last decade, LiDAR (Light Detection and Ranging) technologies have increased in popularity in forest ecology and management studies. These tools offer a very accurate three-dimensional representation of the canopy. In the context of tree response to stand diversity, the objective of my thesis was to study the structure and the dynamics of tree crowns using terrestrial LiDAR data (t-LiDAR). The objective of the first chapter was to study the effect of mixing on the competition for light and on sugar maple tree crown structure. New crown metrics and competition indices were developed using t-LiDAR data. Results show that competitive pressure is lower in mixed stands than in pure ones. Moreover, sugar maple occupies the space more efficiently in mixed stands. These results revealed the high plasticity of sugar maple tree crowns and highlighted the potential advantages of managing forests in a more complex way, in order to optimize the use of the canopy space. Finally, our approach underlines the t-LiDAR efficiency to quantify tree crown structure and competition for light. The objective of the second chapter was to quantify vertical distribution profiles of the leaves and wood using t-LiDAR data. The distributions between two species (sugar maple and balsam fir) and between two types of stands (pure and mixed) were compared. We developed a method to separate woody from leafy material from the point cloud using a geometrical approach. Results on sugar maple show that the foliage distribution is lower in the crown in mixed stands than in pure ones and the opposite behaviour was observed for balsam fir. This suggests, once again, that sugar maple can take advantage of the diversity in mixed stands. This is, however, not the case for balsam fir. Finally, advantages and limitations of the wood/leaf separation method were discussed. The objective of the third chapter was to develop a method to quantify crown changes using multi-temporal t-LiDAR data. The idea of the approach was to extract all the points at time tx outside the crown hull of t0. The method was used to quantify sugar maple and balsam fir response to gap formation. Results show that sugar maple has a stronger response than balsam fir to canopy opening and that both species reoccupy the space downward after a gap formation. These results highlight once again the high tree crown plasticity of sugar maple and the importance to quantify changes in all directions. Finally, the potential applications of the method to other species and to study gap dynamics were discussed. My PhD thesis has faced important methodological challenges in t-LiDAR data treatment in forest science. The proposed developments enabled me to answer questions about tree development and ecology. In the first and second chapters, static approaches were used to compare at a given time vertical distributions, three-dimensional metrics and competition indices in different stand types. In the third chapter, a dynamic approach was proposed to accurately follow the space colonization of tree crowns. These approaches quantified canopy space occupation of the two studied species in various local environments. The high plasticity of sugar maple and its positive response to mixing in terms of space occupation was highlighted. Balsam fir responses were, on the other hand, not as strong. These results brings up questions and opens research perspectives about the positive effect of diversity at the stand scale. -- Mot(s) clé(s) en anglais : t-LiDAR, Mixed stands, plasticity, competition for light, crown structure, crown development, vertical distribution