Editorial: “Fifty years Annals of Forest Science”

International audienceKey MessageAnnals of Forest Scienceis publishing a series of review papers to celebrate 50 years of activities as a journal in forest and wood science. The reviews emphasize the extent to which forest and wood sciences changed and developed as a large array of disciplines devoted to complex objects with sometimes many conflicting issues

Background mortality drivers of European tree species: climate change matters

International audienceIncreases in tree mortality rates have been highlighted in different biomes over the past decades. However, disentangling the effects of climate change on the temporal increase in tree mortality from those of management and forest dynamics remains a challenge. Using a modelling approach taking tree and stand characteristics into account, we sought to evaluate the impact of climate change on background mortality for the most common European tree species. We focused on background mortality, which is the mortality observed in a stand in the absence of abrupt disturbances, to avoid confusion with mortality events unrelated to long-term changes in temperature and rainfall. We studied 372 974 trees including 7312 dead trees from forest inventory data surveyed across France between 2009 and 2015. Factors related to competition, stand characteristics, management intensity, and site conditions were the expected preponderant drivers of mortality. Taking these main drivers into account, we detected a climate change signal on 45% of the 43 studied species, explaining an average 6% of the total modelled mortality. For 18 out of the 19 species sensitive to climate change, we evidenced greater mortality with increasing temperature or decreasing rainfall. By quantifying the mortality excess linked to the current climate change for European temperate forest tree species, we provide new insights into forest vulnerability that will prove useful for adapting forest management to future conditions

Modelos para el apoyo a la gestión forestal bajo un ambiente cambiante

Forests are experiencing an environment that changes much faster than in at least the past several hundred years. In addition, the abiotic factors determining forest dynamics vary depending on its location. Forest modeling thus faces the new challenge of supporting forest management in the context of environmental change. This review has focused on three types of models that are used in forest management: empirical, process-based and hybrid models. Recent approaches might lead to the applicability of empirical models under changing environmental conditions, such as (i) the dynamic state-space approach, or (ii) the development of productivity-environment relationships. 25 process-based models in use in Europe were analyzed in terms of its structure, inputs and outputs having in mind a forest management perspective. Two paths for hybrid modeling were distinguished: (i) coupling of EMs and PBMs by developing signal-transfer environment-productivity functions; (ii) hybrid models with causal structure including both empirical and mechanistic components. Several gaps of knowledge were identified for the three types of models reviewed. The strengths and weaknesses of the three model types differ and all are likely to remain in use. There is a trade-off between how little data the models need for calibration and simulation purposes, and the variety of input-output relationships that they can quantify. PBMs are the most versatile, with a wide range of environmental conditions and output variables they can account for. However, PBMs require more data making them less applicable whenever data for calibration are scarce. The EMs, on the other hand, are easier to run as they require much less prior information, but their simplicity makes them less reliable in the context of environmental changes. These different deficiencies of PBMs and EMs suggest that hybrid models may be a good compromise, but a more extensive testing of these models is required in practice.Los bosques están experimentando un ambiente que cambia más rápidamente que en, al menos, varios cientos de años en el pasado. Además, los factores abióticos que determinan la dinámica forestal varían dependiendo de su localización. La modelización forestal, por tanto, se enfrenta al nuevo reto de apoyar la gestión forestla en el contexto del cambio climático. Esta revisión se enfoca en tres tipos de modelos que se usan en gestión forestal: empíricos, basados en procesos e híbridos. Las aproximaciones reciente pueden conducir a la aplicabilidad de los modelos empíricos bajo condiciones de cambio ambiental, tales como (i) aproximaciones de la dinámica de estado-espacio, o (ii) el desarrollo de relaciones de productividad-ambiente. Se han analizado 25 modelos basados en proceso que están en uso en Europa en términos de su estructura, entradas y salidas teniendo en cuenta una perspectiva de gestión forestal. Se han distinguido dos pasos para modelos híbridos: (i) acoplamiento de modelos EM y PBM mediante el desarrollo de funciones de transferencia de señal ambiente-productividad; (ii) modelos híbridos con una estructura causal incluyendo tanto componentes empíricos como mecanicistas. Se han identificado varias lagunas de conocimiento para los tres tipos de modelos revisados. Las fortalezas y debilidades de los tres tipos de modelos difieren y es probable que se sigan utilizando. Hay un compromiso entre la cantidad mínima de información necesaria para la calibración y la simulación, y la variedad de relaciones input-output que pueden cuantifiar. Los modelos PBM requieren más datos, haciéndolos menos aplicables cuando los datos para la calibración son escasos. Los modelos EM, por otra parte, son más fáciles de correr puesto que requieren mucha menos información previa, pero la representación agregada de los efectos ambientales los hace menos fiables en el contexto del cambio climático. Las distintas desventajas de los modelos PBM y EM sugieren que los modelos híbridos pueden ser un buen compromiso, pero se requiere una mayor evaluación práctica de estos modelos

Modelling natural disturbances in forest ecosystems: a review

Natural disturbances play a key role in ecosystem dynamics and are important factors for sustainable forest ecosystem management. Quantitative models are frequently employed to tackle the complexities associated with disturbance processes. Here we review the wide variety of approaches to modelling natural disturbances in forest ecosystems, addressing the full spectrum of disturbance modelling from single events to integrated disturbance regimes. We applied a general, process-based framework founded in disturbance ecology to analyze modelling approaches for drought, wind, forest fires, insect pests and ungulate browsing. Modelling approaches were reviewed by disturbance agent and mechanism, and a set of general disturbance modelling concepts was deduced. We found that although the number of disturbance modelling approaches emerging over the last 15 years has increased strongly, statistical concepts for descriptive modelling are still largely prevalent over mechanistic concepts for explanatory and predictive applications. Yet, considering the increasing importance of disturbances for forest dynamics and ecosystem stewardship under anthropogenic climate change, the latter concepts are crucial tool for understanding and coping with change in forest ecosystems. Current challenges for disturbance modelling in forest ecosystems are thus (i) to overcome remaining limits in process understanding, (ii) to further a mechanistic foundation in disturbance modelling, (iii) to integrate multiple disturbance processes in dynamic ecosystem models for decision support in forest management, and (iv) to bring together scaling capabilities across several levels of organization with a representation of system complexity that captures the emergent behaviour of disturbance regimes. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved

Les avancées de la recherche dans le domaine de la modélisation des interactions sol-arbre

Les outils de modélisation au service de la politique, de la planification et de la gestion forestière ne permettent pas encore une évaluation simultanée de l’impact des changements globaux et de la gestion sur les différentes fonctions écologiques et productives assurées par les écosystèmes forestiers. Nous proposons un état des lieux des modèles disponibles dans les différentes disciplines que sont la dendrométrie, l’écophysiologie et les sciences du sol et comment l’intégration des concepts de ces trois disciplines peut permettre d’élaborer les outils nécessaires au gestionnaire. In fine, ces nouveaux outils devront être suffisamment complets pour répondre à des questions à l’échelle de l’écosystème ; distinguer ce qui relève du processus générique de ce qui reste site-dépendant ; permettre de définir puis simuler des scénarios de gestion variés et innovants en environnement incertain, avec des contraintes de plus en plus fortes ; et être documentés et référencés pour garantir leur pérennité et leur utilisation

Evolution de la productivité des peuplements réguliers et monospécifiques de hêtre (Fagus silvatica L.) et de chêne sessile (Quercus petraea Liebl.) dans la moitié Nord de la France au cours du XXe siècle

Historical evolution of forest productivity is investigated for the French main two social broadleaved species - common beech (Fagus sylvatica L.) and sessile oak (Quercus petraea Liebl.) - in pure even-aged stands from State forests, with an aim of description and quantification at stand scale. The analysis therefore focuses on dominant height growth, a classical proxy for forest productivity. Using a retrospective approach (stem analysis), increments were sampled from two generations of stands associated couples to ensure control of site conditions. The evolution of growth rate is estimated by statistical modelling of increments, accounting for the effect of stand developmental stage and site differences between couples. Growth trends were assessed at a regional scale, leading to the constitution of 2 samples for beech (Normandie/Picardie, Lorraine/Alsace) and 4 samples for oak (Normandie, val de Loire, plaine d'Allier, Lorraine/Alsace). COmplementary analysis of dominant radial growth (ring measurements) and wood density (X-ray microdensitometry) at breast height was performed for beech on the Lorraine/Alsasce sample. Climatic and trophic conditions in sampled stands were also assesed.The increase in dominant height growth rate is widespread on the territory, although its intensity varies along a longitudinal gradient. Whereas it appears to be more pronounced in the Northeastern area for both species, it remains weak or recent in the Northwestern area. Most of the evolution formed in the second half of the century and is affected by crises of climatic origin, specific or common to both species, of which the most marked took place in the 1940's. Contrary to beech, the 1990's were beneficial to oak and it is a reason why trends detected on oak stands culminate at a higher level compared to those on beech. The secular increase in dominant height growth rate varies between +20% and +100% in extreme situations and reaches an approximate +50-60% common to both species in Northeastern France when eluding the effect of recent years. In thi area, radial growth increase is similar to that of height growth. Wood density remained stable, so that biomass productivity could follow the trend estimated on dominant height growth. Analysis of site - growth relationships allows to tackle the issue of the origin of productivity changes and suggests multi-causal determinism. So far, climate would have had essentially short-term consequences. Moreover, opposite seasonal effects on tree growth could be awaited. Faster growth rate evolution in recent decades, together with its organisation in space and the sensitivity of species to trophic conditions, emphasize the possible key role of atmospheric nitrogen deposition in the response to environmental changes.Le thème de l'évolution historique de la productivité forestière est abordé pour les deux grands feuillus sociaux du territoire, hêtre commun (Fagus sylvatica L.) et chêne sessile (Quercus petraea Liebl.), conduits en futaie régulière et pure, en forêt domaniale, avec un objectif de description et quantification du phénomène à l'échelle du peuplement. L'analyse privilégie la croissance en hauteur dominante, indicateur classique de la productivité forestière. Elle repose sur la comparaison d'accroissements reconstitués de façon rétrospective (analyses de tiges) de deux générations de peuplements, associés en couples pour assurer un contrôle efficace des conditions de fertilité. L'évolution de la vitesse de croissance est estimée par une modélisation statistique des accroissements, qui prend en compte l'effet du stade de développement des peuplements et les différences de fertilité entre couples. Le diagnostic a été régionalisé, conduisant à échantillonner les hêtraies dans 2 secteurs (Normandie/Picardie et Lorraine/Alsace) et les chênaies dans 4 secteurs (Normandie, val de Loire, plaine d'Allier, Lorraine/Alsace). Une analyse complémentaire de la croissance radiale dominante (lectures de cernes) et de la densité du bois (microdensitométrie aux rayons X) à 1,30 m a été réalisée dans les hêtraies du Nord-Est. Les conditions trophiques et climatiques des peuplements ont été caractérisées. L'augmentation de la vitesse de croissance en hauteur dominante a un caractère général sur le territoire, structuré selon un gradient longitudinal. Pour chaque essence, elle est plus marquée dans le Nord-Est, tandis qu'elle reste faible ou récente dans le Nord-Ouest. L'essentiel de l'évolution a été acquis dans la seconde moitié du siècle. La progression est ponctuée de crises d'origine climatique, communes ou spécifiques, dont la plus marquée est celle de la décennie 1940. Défavorable au hêtre, la décennie 1990 a été bénéfique au chêne, et explique que l'évolution constatée pour cette essence culmine en fin de siècle à un niveau bien supérieur à celui du hêtre. L'augmentation séculaire est comprise pour les extrêmes entre +20% et +100%, et atteint dans le Nord-Est un niveau commun aux deux essences de +50-60% en excluant la période récente. Dans ce secteur, les évolutions de croissance radiale et en hauteur du hêtre sont similaires. La densité du bois est restée stable. En conséquence, la productivité en biomasse a pu suivre l'évolution estimée sur la hauteur dominante. L'analyse des relations croissance - facteur du milieu permet d'aborder la causalité des changements de productivité, et suggère un déterminisme multifactoriel. Le climat aurait eu jusqu'alors des conséquences essentiellement conjoncturelles. Des effets saisonniers opposés sur la croissance sont de plus possibles. Le caractère récent des évolutions constatées, leur organisation spatiale, conjugués à une sensibilité des essences aux conditions trophiques, font ressortir le rôle clé possible des dépôts atmosphériques azotés dans la réponse aux changements de l'environnement

De la modélisation des effets des facteurs et ressources de l’environnement abiotique sur la productivité forestière

Context – Research conducted addresses the dynamics of temperate forests, especially forest productivity and its modelling, based on quantitative observations conducted at spatio-temporal scales ranging from regional to national, pluri-decennial to centennial, and at organizational levels defined by tree species, tree population, and forest trees, hereby defining “large-scale” research. Issues addressed refer to spatio-temporal variations in forest growth and its dimensional and wood density components, its co-variations with factors of the abiotic environment, and the joint effects of forest management. This work has been conducted through 3 PhD theses following that of the author. Main results obtained include evidence and quantitative estimation of often pronounced temporal changes in forest growth and wood density, their regional to local variations and the diversity of species responses, the comparison and consistency of productivity indicators, the analysis of causal factors including the link with climate, eutrophication and climatic change whose footprint is more recent. From a methodological perspective, this research has led to test and implement quantitative methods covering sampling, growth modelling, and multi-dimensional correlative aspects. Approach – This research also stresses the limitations of correlative observation to assess and interpret the relationship between productivity variations and environmental factors and their changes, and to implement a predictive approach, increasingly requested in the current climatic context. It further emphasizes the conceptual weaknesses of forest science in this respect, and the lack of simple and robust models that would meet these expectations. As a consequence, it is proposed to investigate concepts available and regularities identified for the analysis, formalization and modelling of the relationship between forest ecosystem productivity and environmental factors, at aggregated scales consistent with the aforementioned researches, i.e. in exploring disciplinary fields provided by agronomy, ecology, biogeosciences and ecophysiology, as soon as mechanistic models in this field are exploited holistically.Research facts – A literature review aiming at presenting the state-of-the-art on identifying and incorporating environmental factors of importance in agronomic, ecological and eco-physiological models is conducted. It presents the main contributing schools of thought, investigates the concepts and hierarchy of resources et factors of the abiotic environment, the notion of dose-response curve or response function to these resources/factors since seminal works operated in agronomy, inquires the issue of articulation or joint effect of these resources/factors on productivity, and associated concepts of essential resource, co-limitations and interactions, resource ratio, and aggregation operator. A synthesis provides a preliminary quantitative framework, and allow enquire difficulties arising for its identification, and resulting from usual observation resolutions and temporal integration, the heterogeneity of sampled populations on wider geographic domains, and the challenge raised by acclimation phenomena or shifts in the functioning of organisms and ecosystems, and questioning such deterministic modelling approach. Research perspectives – Research perspectives are finally presented, aiming at i) a renewal of observation practices as regards forest growth and its links with environmental factors and resources, and namely observation modes, study scales, and statistical tools implemented, ii) a « weak » or synthetic exploitation of mechanistic models in order to identify regularities that would be suggested by knowledge of processes involved in these relationships, iii) an assessment of the reliability of observational conditions used to infer these relationships, and especially temporal aggregation and population heterogeneity, combining experimental simulation and statistical modelling. These directions should lead to formulate a new generation of synthetic models expressing the relationships between the abiotic environment and forest growth.Contexte – Les recherches examinées portent sur la dynamique des forêts tempérées, plus particulièrement sur la productivité forestière et sa modélisation, à partir d’observations quantitatives opérées à des échelles spatiotemporelles régionale à nationale et pluri-décennale à centennale, et à des niveaux d’organisation définis par l’espèce ligneuse, la population d’arbres, et l’arbre forestier, et caractérisant une recherche à « grande échelle ». Les questions abordées ont trait aux variations spatio-temporelles de la productivité forestière, analysée au travers de la croissance dimensionnelle et de la densité du bois, ses co-variations avec les facteurs de l’environnement abiotique, et l’effet conjoint des facteurs de gestion. Les principaux résultats exposés comprennent la mise en évidence et la quantification de changements temporels, souvent marqués, de laproductivité et de la densité du bois, leurs variations régionales à locales et la diversité des réponses spécifiques, la comparaison entre indicateurs de productivité, l’analyse des facteurs causaux et le lien avec le climat, l’eutrophisation et le changement climatique dont la signature est plus récente. Au plan méthodologique, ces recherches ont conduit à tester et mettre en place des procédures quantitatives couvrant des aspectsd’échantillonnage, de modélisation de la croissance, et de lien avec les facteurs environnementaux.Démarche – Ces recherches mettent aussi en évidence les limites de l’observation corrélative pour l’interprétation du lien entre les variations de productivité et les facteurs et environnementaux et leurs changements, et pour la mise en œuvre d’une démarche prédictive, dont le besoin est amplifié par le contexte climatique actuel. Elles soulignent la faiblesse conceptuelle de la science forestière sur ce plan, et le défaut de modèles parcimonieux et robustes permettant d’atteindre cet objectif. On propose en conséquence de s’interroger sur les concepts disponibles et les régularités identifiées pour l’analyse, la formalisation et la modélisation du lien entre productivité des écosystèmes forestiers et facteurs environnementaux, à des échelles agrégées qui restent cohérentes avec celles des recherches présentées, en explorant les champs disciplinairesde l’agronomie, l’écologie, les bio-géosciences, et l’éco-physiologie, pour peu que les modèles à base mécaniste de ce domaine soient exploités de façon synthétique.Faits de la recherche – Une revue large de la littérature visant à présenter l’état de l’art sur la prise en compte des facteurs environnementaux dans les modèles agronomiques, écologiques, et éco-physiologiques est menée. Elle présente les principales écoles de pensée contributrices, aborde la notion et la hiérarchisation des ressources et facteurs de l’environnement abiotique, examine et interroge la notion de courbe ou fonction deréponse à ces ressources/facteurs depuis les travaux séminaux de l’agronomie, aborde la question de l’articulation ou d’effet conjoint de ces ressources/facteurs sur la productivité, et les notions de ressources essentielles, de co-limitation et d’interaction. Une synthèse suggère un premier cadre de formalisation, et permet d’examiner les difficultés de son identification, résultant des résolutions d’observation usuelles et de l’intégrationtemporelle, de l’hétérogénéité des populations échantillonnées sur des grands domaines géographiques, et du défi posé par les phénomènes d’acclimatation ou les changements de régime de fonctionnement des organismes ou écosystèmes, et pouvant remettre en cause une démarche de modélisation déterministe.Perspectives de recherche – Des perspectives de recherche sont enfin exposées, visant i) à renouveler l’observation de la productivité et son lien avec les facteurs/ressources environnementaux, au travers des façons d’observer, des échelles d’études, et des outils statistiques mis en œuvre, ii) à exploiter les modèles mécanistes, de façon faible ou synthétique, pour identifier les régularités que suggère la connaissance des processus écophysiologiques sur ces relations, iii) à évaluer enfin la fiabilité des conditions de l’observation pour restituer ces relations, et notamment l’agrégation temporelle et les hétérogénéités entre populations, au moyen d’approches de simulation expérimentale et de modélisation statistique. Ces axes doivent conduire à formuler une nouvelle génération de modèles synthétiques exprimant la relation entre l’environnement abiotique et la productivité forestière

Productivity changes in pure and regular stands of beech (Fagus sylvatica L.) and sessile oak (Quercus petraea Liebl.) in the Northern half of France during the XXth century

Historical evolution of forest productivity is investigated for the French main two social broadleaved species - common beech (Fagus sylvatica L.) and sessile oak (Quercus petraea Liebl.) - in pure even-aged stands from State forests, with an aim of description and quantification at stand scale. The analysis therefore focuses on dominant height growth, a classical proxy for forest productivity. Using a retrospective approach (stem analysis), increments were sampled from two generations of stands associated couples to ensure control of site conditions. The evolution of growth rate is estimated by statistical modelling of increments, accounting for the effect of stand developmental stage and site differences between couples. Growth trends were assessed at a regional scale, leading to the constitution of 2 samples for beech (Normandie/Picardie, Lorraine/Alsace) and 4 samples for oak (Normandie, val de Loire, plaine d'Allier, Lorraine/Alsace). COmplementary analysis of dominant radial growth (ring measurements) and wood density (X-ray microdensitometry) at breast height was performed for beech on the Lorraine/Alsasce sample. Climatic and trophic conditions in sampled stands were also assesed.The increase in dominant height growth rate is widespread on the territory, although its intensity varies along a longitudinal gradient. Whereas it appears to be more pronounced in the Northeastern area for both species, it remains weak or recent in the Northwestern area. Most of the evolution formed in the second half of the century and is affected by crises of climatic origin, specific or common to both species, of which the most marked took place in the 1940's. Contrary to beech, the 1990's were beneficial to oak and it is a reason why trends detected on oak stands culminate at a higher level compared to those on beech. The secular increase in dominant height growth rate varies between +20% and +100% in extreme situations and reaches an approximate +50-60% common to both species in Northeastern France when eluding the effect of recent years. In thi area, radial growth increase is similar to that of height growth. Wood density remained stable, so that biomass productivity could follow the trend estimated on dominant height growth. Analysis of site - growth relationships allows to tackle the issue of the origin of productivity changes and suggests multi-causal determinism. So far, climate would have had essentially short-term consequences. Moreover, opposite seasonal effects on tree growth could be awaited. Faster growth rate evolution in recent decades, together with its organisation in space and the sensitivity of species to trophic conditions, emphasize the possible key role of atmospheric nitrogen deposition in the response to environmental changes.Le thème de l'évolution historique de la productivité forestière est abordé pour les deux grands feuillus sociaux du territoire, hêtre commun (Fagus sylvatica L.) et chêne sessile (Quercus petraea Liebl.), conduits en futaie régulière et pure, en forêt domaniale, avec un objectif de description et quantification du phénomène à l'échelle du peuplement. L'analyse privilégie la croissance en hauteur dominante, indicateur classique de la productivité forestière. Elle repose sur la comparaison d'accroissements reconstitués de façon rétrospective (analyses de tiges) de deux générations de peuplements, associés en couples pour assurer un contrôle efficace des conditions de fertilité. L'évolution de la vitesse de croissance est estimée par une modélisation statistique des accroissements, qui prend en compte l'effet du stade de développement des peuplements et les différences de fertilité entre couples. Le diagnostic a été régionalisé, conduisant à échantillonner les hêtraies dans 2 secteurs (Normandie/Picardie et Lorraine/Alsace) et les chênaies dans 4 secteurs (Normandie, val de Loire, plaine d'Allier, Lorraine/Alsace). Une analyse complémentaire de la croissance radiale dominante (lectures de cernes) et de la densité du bois (microdensitométrie aux rayons X) à 1,30 m a été réalisée dans les hêtraies du Nord-Est. Les conditions trophiques et climatiques des peuplements ont été caractérisées. L'augmentation de la vitesse de croissance en hauteur dominante a un caractère général sur le territoire, structuré selon un gradient longitudinal. Pour chaque essence, elle est plus marquée dans le Nord-Est, tandis qu'elle reste faible ou récente dans le Nord-Ouest. L'essentiel de l'évolution a été acquis dans la seconde moitié du siècle. La progression est ponctuée de crises d'origine climatique, communes ou spécifiques, dont la plus marquée est celle de la décennie 1940. Défavorable au hêtre, la décennie 1990 a été bénéfique au chêne, et explique que l'évolution constatée pour cette essence culmine en fin de siècle à un niveau bien supérieur à celui du hêtre. L'augmentation séculaire est comprise pour les extrêmes entre +20% et +100%, et atteint dans le Nord-Est un niveau commun aux deux essences de +50-60% en excluant la période récente. Dans ce secteur, les évolutions de croissance radiale et en hauteur du hêtre sont similaires. La densité du bois est restée stable. En conséquence, la productivité en biomasse a pu suivre l'évolution estimée sur la hauteur dominante. L'analyse des relations croissance - facteur du milieu permet d'aborder la causalité des changements de productivité, et suggère un déterminisme multifactoriel. Le climat aurait eu jusqu'alors des conséquences essentiellement conjoncturelles. Des effets saisonniers opposés sur la croissance sont de plus possibles. Le caractère récent des évolutions constatées, leur organisation spatiale, conjugués à une sensibilité des essences aux conditions trophiques, font ressortir le rôle clé possible des dépôts atmosphériques azotés dans la réponse aux changements de l'environnement

Evolution de la productivité des peuplements réguliers et monospécifiques de hêtre (Fagus sylvatica L.) et de chêne sessile (Quercus petraea Liebl.) dans la moitié Nord de la France au cours du XXe siècle

PARIS- AgroParisTech. Engref (751152303) / SudocSudocFranceF

Editorial: “Forest inventories at the European level”

Editorial: “Forest inventories at the European level