Effects of climate change on fire for a deciduous forest landscape in Témiscamingue, Québec

Le paradigme de la gestion durable des forêts demande aux gestionnaires de s'inspirer des perturbations naturelles lors de l'application des coupes forestières tant en fréquence qu'en répartition spatiale dans le paysage. Mais est-ce que ce paradigme peut vraiment maintenir la résilience écologique des forêts sous aménagement? La théorie écologique suppose qu'une gestion basée sur le régime des perturbations naturelles pourrait maintenir la résilience si les stratégies forestières maintiennent les patrons et les processus qui perpétuent les états désirés à l'intérieur de leur fourchette de variabilité naturelle tout en réduisant ceux qui augmentent la résilience des états indésirables. Mettre en application ces idées dans un contexte de gestion exige cependant une articulation soignée des états d'écosystème en considération ainsi que des perturbations et des stress qui affectent la persistance des états alternatifs possibles. De plus, ces états doivent être caractérisés aux échelles spatiales et temporelles pertinentes à leur expression afin de traduire ceux-ci en modalités de gestion adéquatement ajustés à ces échelles. Dans cette thèse, je pose la question suivante: comment les changements climatiques affecteront-t-ils la fréquence des grands feux dans les forêts feuillues du Témiscamingue dans le Québec méridional? J'examine cette question en faisant le lien entre la résilience des écosystèmes forestiers et le régime des perturbations naturelles dans un contexte de changements climatiques. Dans ce système, les états alternatifs considérés sont des peuplements de feuillus tolérants, des peuplements dominés par des pins et ceux dominés par des espèces pionnières où la principale perturbation naturelle considérée est le feu. Au tout début, je fais dans le premier chapitre une revue de la littérature concernant la résilience écologique. Après, j'analyse l'histoire du feu au Témiscamingue, avec une emphase sur son influence sur la composition forestière dans le paysage; j'étudie ensuite un gradient régional de feux afin de développer des modèles prédictifs en fonction de variables du climat; et finalement, j'estime les effets du changement de climat au Témiscamingue sur la végétation forestière dans un contexte dynamique avec le régime de feu en employant les modèles prédictifs du feu utilisant les sorties d'un modèle climatique global de circulation. Le deuxième chapitre me permet de reconstituer l'historique des grands feux au Témiscamingue à l'aide d'archives provinciales sur les feux, de l'interprétation de photos aériennes anciennes et de données dendrochronologiques. Sur la base de cette information, la fréquence du feu est estimée et l'hypothèse selon laquelle le temps écoulé depuis le dernier feu est une cause déterminante sur la composition en arbres est testée. En dépit de sa proximité à la forêt boréale mixte, ce paysage brûle relativement rarement, avec plus de 60% du paysage n'ayant pas brûlé depuis les dernières 413 années. Le cycle global du feu estimé, une évaluation du temps requis pour brûler une aire de taille équivalente au secteur d'étude, est de 494 ans (IC de 95% : 373-694 ans). Des analyses multivariées ont permis de distinguer des assemblages distincts en espèces d'arbre selon le temps écoulé depuis le dernier feu: les assemblages de Populus-Pinus dominent la canopée lorsque le temps écoulé depuis le dernier feu est court alors que des assemblages dominés par l'érable à sucre, le bouleau jaune et la pruche de l'est dominent lorsque temps écoulé depuis le dernier feu est long. Comparativement aux autres variables écologiques examinées, le temps écoulé depuis le dernier feu est celle qui explique le plus la composition forestière. Ces résultats suggèrent aussi que les plus longs cycles de feu observés récemment devraient favoriser une augmentation de la proportion des espèces évitant le feu dans le paysage, avec des conséquences potentiellement négatives sur la résilience de l'écosystème si un tel phénomène favorise l'exclusion locale d'espèces adaptées au feu. Pour comprendre le rôle que joue le climat sur le système forêt-feu de la forêt feuillue, les caractéristiques climatiques, humaines et biophysiques du paysage ont été mises en relation avec l'occurrence des grands feux et les superficies brûlées pour tout le territoire Grands Lacs/Fleuve St-Laurent du Canada. Cette évaluation a été faite en (i) caractérisant les grands feux (> 200 ha) récents (1959-1999) dans 26 paysages et (ii) en analysant ces données dans le cadre de la théorie de l'information que pour comparer six hypothèses concernant les rôles des conditions météorologiques propices aux incendies de forêt, impliquant les normales de climat, les densités de population et de route, et les caractéristiques écologiques telles que les dépôts de surface et la présence des coupe-feu. Trois cents quatre-vingt-douze grands feux ont brûlé 833.698 ha pendant la période d'étude, brûlant annuellement en moyenne 0.07% ± 0.42% (± écart-type) de la superficie forestière des paysages. L'activité du feu était fortement saisonnière, avec la plupart des feux se produisant en mai et juin. Une combinaison 1) des précipitations de l'hiver précédent, 2) du déficit ou du surplus en précipitation pendant la saison de feu et 3) du pourcentage de paysage couvert par les dépôts de surface bien drainées explique le mieux l'occurrence des feux et la superficie brûlée. L'occurrence du feu change seulement en fonction des variables du climat, tandis que la superficie brûlée est également expliquée par l'importance du tremble et du pin dans le couvert forestier, la densité de population humaine et deux caractéristiques durables du paysage, soit la superficie occupée par de grands plans d'eau et celle occupée par les dépôts fluvioglaciaires. Ces résultats peuvent aider à concevoir des stratégies d'adaptation pour les augmentations prévues de l'occurrence des conditions météorologiques propices aux feux sévères, surtout dans l'ouest de la région. ils permettent aussi de mettre en priorité les paysages selon les caractéristiques durables mentionnées ci-dessus et donnent des indications sur les modalités de gestion à définir dans un contexte de contrôle des effets du feu sur les ressources forestières et le maintien de l'intégrité écologique. Basé sur le modèle développé au chapitre 3, le dernier chapitre présente comment les changements climatiques pourraient affecter la dynamique forêt-feu au Témiscamingue. Cette évaluation est réalisée en trois étapes. D'abord, j'identifie le rôle relatif de différentes variables des conditions météorologiques propices au feu en expliquant l'occurrence des grands feux et la superficie brûlée à travers la forêt de la zone de végétation des Grands Lacs/Fleuve St-Laurent de l'est du Canada. En second lieu, j'examine comment ces variables météorologiques ont changé historiquement au Témiscamingue et, troisièmement, comment ils peuvent changer selon différents scénarios de changements climatiques selon le modèle global canadien de circulation. Au Témiscamingue, les moyennes des températures maximales mensuelles pendant la saison de feu (mai à octobre) et des périodes sèches ont expliqué le mieux l'occurrence du feu et la superficie brûlée. Depuis 1910, les températures moyennes mensuelles maximales sont restées stationnaires au Témiscamingue tandis que les périodes sèches sont devenues moins fréquentes. Chacun des trois scénarios de changement climatique montre une augmentation des températures maximales mensuelles moyennes et une diminution des périodes sèches pendant le \ud 21ème siècle, combinaison impliquant une augmentation faible des superficies annuelles brûlées. En dépit de cette augmentation, et étant donné que les coupes forestières affectent des superficies plusieurs fois plus grandes que celles affectées par les feux, les effets du changement de climat sur le feu n'affecteront probablement pas la structure et la composition des forêts autant que la foresterie, la succession ou les perturbations naturelles telles que le chablis. La résilience des peuplements dominés par les pins diminuera probablement tandis que celle des peuplements dominés par les feuillus tolérants augmentera. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Résilience écologique, Forêt feuillue, Témiscamingue, Feu, Changements climatiques

Effects of climate on occurence and size of large fires in a northern hardwood landscape: historical trends, forecasts, and implications for climate change in Témiscamingue, Québec

Questions: What climate variables best explain fire occurrence and area burned in the Great Lakes-St Lawrence forest of Canada? How will climate change influence these climate variables and thereby affect the occurrence of fire and area burned in a deciduous forest landscape in Témiscamingue, Québec, Canada?\ud Location: West central Québec and the Great Lakes-St Lawrence forest of Canada.\ud Methods: We first used an information-theoretic framework to evaluate the relative role of different weather variables in explaining occurrence and area burned of large fires (4200 ha, 1959-1999) across the Great Lakes- St Lawrence forest region. Second, we examined how these weather variables varied historically in Témiscamingue and, third, how they may change between the present and 2100 according to different scenarios of climate change based on two Global Circulation Models.\ud Results: Mean monthly temperature maxima during the fire season (Apr-Oct) and weighted sequences of dry spells best explained fire occurrence and area burned. Between 1910 and 2004, mean monthly temperature maxima in Témiscamingue showed no apparent temporal trend, while dry spell sequences decreased in frequency and length. All future scenarios show an increase in mean monthly temperature maxima, and one model scenario forecasts an increase in dry spell sequences, resulting in a slight increase in forecasted annual area burned.\ud Conclusion: Despite the forecasted increase in fire activity, effects of climate change on fire will not likely affect forest structure and composition as much as natural succession or harvesting and other disturbances, principally because of the large relative difference in area affected by these processes

Fire and the relative roles of weather, climate and landscape characteristics in the Great Lakes-St. Lawrence forest of Canada

Question: In deciduous-dominated forest landscapes, what are the relative roles of fire weather, climate, human and biophysical landscape characteristics for explaining variation in large fire occurrence and area burned? Location: The Great Lakes-St. Lawrence forest of Canada. Methods: We characterized the recent (1959-1999) regime of large (≥ 200 ha) fires in 26 deciduous-dominated landscapes and analysed these data in an information-theoretic framework to compare six hypotheses that related fire occurrence and area burned to fire weather severity, climate normals, population and road densities, and enduring landscape characteristics such as surficial deposits and large lakes. Results: 392 large fires burned 833 698 ha during the study period, annually burning on average 0.07% ± 0.42% of forested area in each landscape. Fire activity was strongly seasonal, with most fires and area burned occurring in May and June. A combination of antecedent-winter precipitation, fire season precipitation deficit/surplus and percent of landscape covered by well-drained surficial deposits best explained fire occurrence and area burned. Fire occurrence varied only as a function of fire weather and climate variables, whereas area burned was also explained by percent cover of aspen and pine stands, human population density and two enduring characteristics: percent cover of large water bodies and glaciofluvial deposits. Conclusion: Understanding the relative role of these variables may help design adaptation strategies for forecasted increases in fire weather severity by allowing (1) prioritization of landscapes according to enduring characteristics and (2) management of their composition so that substantially increased fire activity would be necessary to transform landscape structure and composition

Fire and canopy species composition in the Great Lakes-St. Lawrence forest of Témiscamingue, Québec

Large severe fires are typically rare in the northern hardwood forests of eastern North America, with estimated return intervals as high as 1400-4500 years. We investigated the history of large severe fires in western Qu

Can forest management based on natural disturbances maintain ecological resilience?

Given the increasingly global stresses on forests, many ecologists argue that managers must maintain ecological resilience: the capacity of ecosystems to absorb disturbances without undergoing fundamental change. In this review we ask: Can the emerging paradigm of natural-disturbance-based management (NDBM) maintain ecological resilience in managed forests? Applying resilience theory requires careful articulation of the ecosystem state under consideration, the disturbances and stresses that affect the persistence of possible alternative states, and the spatial and temporal scales of management relevance. Implementing NDBM while maintaining resilience means recognizing that (i) biodiversity is important for long-term ecosystem persistence, (ii) natural disturbances play a critical role as a generator of structural and compositional heterogeneity at multiple scales, and (iii) traditional management tends to produce forests more homogeneous than those disturbed naturally and increases the likelihood of unexpected catastrophic change by constraining variation of key environmental processes. NDBM may maintain resilience if silvicultural strategies retain the structures and processes that perpetuate desired states while reducing those that enhance resilience of undesirable states. Such strategies require an understanding of harvesting impacts on slow ecosystem processes, such as seed-bank or nutrient dynamics, which in the long term can lead to ecological surprises by altering the forest's capacity to reorganize after disturbance

Effects of a wide gradient of retained tree structures on understory light in coastal Douglas-fir forests.

Abstract: We characterize understory light of seven stands that varied along a gradient of tree retention. Using hemispherical canopy photographs and digital image, we estimated gap light or solar radiation reaching the understory through the canopy. Using nonlinear regressions, we related gap light to several structural attributes in the examined silvicultural treatments. The silvicultural treatments affected both the median and range of gap light in the understory. As overstory removal increased from uncut second growth to green-tree retention, the median value of light increased from 8 to 68% full sun, while the range of light increased from 3-22% to 26-88% full sun. We found strong, significant, and negative nonlinear relationships between gap light at a particular microsite (0.04 ha) in the understory and the height, diameter at breast height, density, and volume of surrounding retained trees (r a 2 0 77 = . -0.94). These relationships can aid planning of treatments that retain forest structure, such as variable retention, by allowing predictions of understory light from commonly used field data. These predictions allow forest managers to understand some of the ecological consequences and tradeoffs associated with retaining structure during harvesting. Résumé : Nous avons caractérisé la lumière du sous-bois de sept peuplements situés le long d'un gradient de coupe avec réserves. À l'aide de photographies hémisphériques du couvert et de l'analyse d'images digitales, nous avons estimé la quantité de lumière dans les trouées, c'est-à-dire la radiation solaire atteignant le sous-bois après avoir traversé le couvert. À l'aide de la régression non linéaire, nous avons corrélé la quantité de lumière dans les trouées à plusieurs attributs structuraux en fonction des traitements sylvicoles examinés. Les traitements sylvicoles ont altéré à la fois la médiane et le domaine des valeurs de quantité de lumière dans les trouées. Lorsque l'enlèvement du couvert augmente en passant des peuplements de seconde venue non coupés à ceux coupés avec préservation d'arbres vivants, la valeur médiane de la quantité de lumière augmente de 8 à 68 % de la pleine lumière, alors que le domaine des valeurs observées passe d'entre 3 à 22 % à entre 26 à 88 % de la pleine lumière. Nous avons trouvé des relations non linéaires fortes, significatives et négatives entre la quantité de lumière dans une trouée, pour un microsite particulier (0,04 ha) dans le sous-bois, et la hauteur, le diamètre à hauteur de poitrine, la densité et le volume des arbres restants avoisinants (r a 0,77 2 = et 0,94). Ces relations peuvent aider à planifier des traitements qui conservent la structure de la forêt comme la coupe à rétention variable pour permettre de prédire la quantité de lumière du sous-bois à partir de mesures récol-tées de façon usuelle. Ces prédictions permettent aux aménagistes forestiers de comprendre quelques-unes des consé-quences écologiques et les compromis associés au maintien de la structure au moment de la récolte. [Traduit par la Rédaction] Drever and Lertzman 14

Conservation planning for boreal birds in a changing climate: a framework for action

The boreal forests of North America support billions of birds of over 300 species. The region remains mostly intact but is expected to undergo major changes over the next century due to anthropogenic climate change. This warming, and resulting changes in moisture regimes, are altering vegetation and disturbance dynamics, and will likely result in expansion of grasslands and deciduous forests, strongly challenging bird species to keep pace. We present a vulnerability-adaptation framework to guide bird conservation based on species' individual vulnerability and exposure to climate change. For sensitive species with declining populations, conservation should focus on management of current threats and species recovery in situ to improve adaptive capacity and facilitate future shifts in distribution. Sensitive species with high exposure to climate change may warrant more extensive intervention, such as habitat manipulation or even translocation. For species with lower sensitivity and stable populations, but high climate change exposure, long-term investments in protecting refugia and "stepping stones" will be most effective. In general, across all species, land-based approaches that "conserve nature's stage" by promoting geophysical diversity and habitat connectivity, maintaining natural disturbance dynamics, and facilitating broad shifts in bird distribution may prove most effective in maintaining species diversity. Implementation of this framework will require large-scale, interagency coordination on recovery plans, as well as adaptive forest management, designation of critical habitat, and land protection. Challenges include data gaps, uncertainty about future conditions, coordination of conservation actions during the nonbreeding periods, and the region's vast scale. However, given the region's continental importance, successful implementation of this framework could benefit birds throughout the western hemisphere

Natural climate solutions for Canda

Alongside the steep reductions needed in fossil fuel emissions, natural climate solutions (NCS) represent readily deployable options that can contribute to Canada’s goals for emission reductions. We estimate the mitigation potential of 24 NCS related to the protection, management, and restoration of natural systems that can also deliver numerous co-benefits, such as enhanced soil productivity, clean air and water, and biodiversity conservation. NCS can provide up to 78.2 (41.0 to 115.1) Tg CO2e/year (95% CI) of mitigation annually in 2030 and 394.4 (173.2 to 612.4) Tg CO2e cumulatively between 2021 and 2030, with 34% available at ≤CAD 50/Mg CO2e. Avoided conversion of grassland, avoided peatland disturbance, cover crops, and improved forest management offer the largest mitigation opportunities. The mitigation identified here represents an important potential contribution to the Paris Agreement, such that NCS combined with existing mitigation plans could help Canada to meet or exceed its climate goals