How does climate change influence the growth of beech (Fagus sylvatica L.) along the bioclimatic gradient of Belgium? A dendroecological approach.

Les nombreuses pertes de vitalité observées sur le hêtre (Fagus sylvatica L.) un peu partout en Europe ont suscité des craintes grandissantes auprès des forestiers, en particulier quant au comportement futur de l’essence face au changement climatique. Les recherches doctorales se sont intéressées à la relation entre le hêtre et son environnement dans le contexte des changements globaux par l’intermédiaire de la dendroécologie, association de la dendrochronologie et de l’écologie forestière. L’accroissement radial a été utilisé pour évaluer l’effet des changements globaux, et plus particulièrement du changement climatique, sur le développement et la vitalité du hêtre au cours du temps le long du gradient bioclimatique de Belgique. Les diverses analyses ont été réalisées à l’aide des outils dendrochronologiques (années caractéristiques, sensibilité moyenne, corrélations accroissement-climat, etc.) et par diverses approches de modélisation (modèles linéaires et non linéaires mixtes, régression des moindres carrés partiels, etc.) tout en considérant plusieurs échelles : l’arbre, le peuplement et la région. Les résultats montrent que le climat a eu une influence prépondérante sur l’accroissement du hêtre depuis le milieu du 20ème siècle, d’une manière relativement uniforme à l’échelle de la Belgique. La sensibilité climatique du hêtre a augmenté, en particulier, sous l’effet de l’augmentation de la fréquence et de l’intensité des canicules estivales et sécheresses printanières. En parallèle, l’accroissement moyen a progressivement diminué suite aux fortes réductions d’accroissement annuel induites par les années climatiques stressantes. L’influence grandissante du climat a masqué l’effet des conditions stationnelles locales et a synchronisé l’accroissement le long du gradient bioclimatique. L’augmentation de la sensibilité climatique et la diminution de l’accroissement moyen sont plus marquées en plaine qu’en zone submontagnarde et, pour un site donné, les jeunes arbres sont moins sensibles que les vieux. Bien que la sensibilité augmente et que l’accroissement diminue naturellement avec l’âge, l’effet du changement climatique a été largement supérieur à celui de l’âge. Par ailleurs, au sein d’un arbre, le long de sa tige principale, la sensibilité climatique diminue légèrement depuis la hauteur de poitrine jusqu’à la base du houppier puis elle augmente fortement jusqu’au sommet. Ces résultats sont interprétés sur base des connaissances sur l’écophysiologie du hêtre, à l’échelle de la Belgique mais aussi dans le contexte plus large de son aire de distribution. Les rôles relatifs de l’intensification de la sylviculture, de la compaction des sols et des retombées azotées (pollution atmosphérique), ainsi que les conséquences du changement climatique passé et futur sur le hêtre sont discutés. Des recoupements avec d’autres études sur le hêtre réalisées en Europe tendent à montrer que l’espèce est affectée sur la quasi-totalité de son aire de distribution (hormis en haute altitude et haute latitude). Contrairement à ce que l’on pourrait penser, le hêtre n’est donc pas seulement affecté à la limite Sud de sa distribution (Méditerranée). Même si les conditions environnementales sont plus favorables en Belgique, le hêtre y a aussi d’autant plus à perdre. Jusqu’à aujourd’hui, le hêtre a résisté à son environnement changeant. Malgré l’augmentation de la sensibilité climatique et la diminution de l’accroissement moyen, les dépérissements observés durant ces dernières années en Belgique ont été peu fréquents et généralement isolés. Toutefois, au vu du changement climatique à venir, le risque phytosanitaire ne pourra qu’augmenter. La politique forestière devrait dès à présent intégrer ce risque et préparer les gestionnaires à anticiper et à prévenir.Health anomalies (e.g., worsening crown conditions) on beech (Fagus sylvatica L.) observed throughout Europe since the 1990s have raised growing concerns among foresters, particularly about the future behavior of the species in the face of climate change. This PhD research examined the relationship between beech and its environment in the context of global changes using dendroecology, combination of dendrochronology and forest ecology. The radial growth was used to evaluate the effects of global changes, particularly climate change, on beech development and vitality over time along a bioclimatic gradient in Belgium. Various analyses were carried out using dendrochronological tools (pointer years, mean sensitivity, growth-climate correlation, etc.) and modeling approaches (linear and non-linear mixed models, partial least squares regression, etc.) considering several scales: tree, stand and region. Results show that climate predominantly influenced beech growth since the mid-20th century and did so rather uniformly across Belgium. Beech mean sensitivity increased mainly in response to the higher frequency and intensity of summer heat waves and spring droughts. Isolated but pronounced annual growth reductions induced a gradual diminution of mean growth. The increasing influence of climate progressively concealed the effect of local site growing conditions inducing strong between-sites synchronization along the bioclimatic gradient. Increasing mean sensitivity and decreasing mean growth were more pronounced in lowlands than in uplands, and for a given site, older trees are more affected than younger ones. Although mean sensitivity increases and mean growth decreases naturally with age, the climate change effect was much more important than the age effect. Furthermore, within a tree, along the main stem, climate sensitivity slightly decreased from breast height to crown base and strongly increased from crown base to tree top. These results were interpreted based on ecophysiological knowledge of beech. The influences of silviculture, soil compaction and nitrogen deposition (as part of atmospheric pollution) as well as the consequences of the past and future climate change on beech were discussed. Comparisons with other studies in Europe highlighted that beech is affected on a large part of its natural distribution range (except in high altitude and high latitude). Contrary to what one might think, beech is not only affected in the southern limit (Mediterranean). Although growing conditions are more favorable in Belgium, beech has also more to lose. Beech has coped with global change up to now. Although its climate sensitivity increased and its mean growth decreased, diebacks observed these last years in Belgium were scarce and generally scattered. However, considering the upcoming climate change, the phytosanitary risk will undeniable increased. Forest policy should now integrate that risk and prepare managers to anticipate and prevent it.Accord cadre de recherche et vulgarisation forestière

Influence du changement climatique sur l'accroissement du hêtre en Wallonie

Depuis quelques décennies, des signes d’affaiblissement de plus en plus marqués ont été observés sur le hêtre (Fagus sylvatica L.) un peu partout en Europe. L’inquiétude grandissante des gestionnaires forestiers s’inscrit dans la problématique complexe du changement climatique. Une étude dendroécologique a donc été réalisée afin de mieux comprendre la relation entre l’accroissement du hêtre et son environnement. Des mesures de cernes ont été effectuées sur des échantillons de bois issus de 158 hêtres sélectionnés dans douze hêtraies (de 84 à 206 ans) situées le long du gradient climatique de Wallonie (de 67 à 590 m d’altitude). L’analyse de l’évolution temporelle de l’accroissement et de sa relation avec le climat a abouti à 3 résultats majeurs : (1) l’accroissement du hêtre a augmenté à partir des années 30 puis à diminuer de manière soutenue à partir des années 1980, (2) la sensibilité climatique des hêtraies a aussi fortement augmenté et cette augmentation est plus forte pour les peuplements de base altitude, et (3) les températures plus élevées en été et en début d’automne ont un impact négatif de plus en plus prononcé sur l’accroissement. Le réchauffement global rend les arbres de plus en plus dépendants de l’eau disponible (précipitation et sol). Les sécheresses et canicules plus fréquentes et intenses semblent progressivement affaiblir les arbres que puissent de plus en plus dans leur réserve. L’étude comprend une discussion complète intégrant l’interprétation écophysiologique des résultats mis en évidence.Accord Cadre de Recherches et de Vulgarisation Forestière

Le LiDAR aérien au service des inventaires forestiers : Application à la futaie feuillue ardennaise

Ce poster présente les premiers résultats d’une étude dont l’objectif est d’évaluer la capacité du lidar aérien à être utilisé pour estimer des données dendrométriques au niveau des forêts feuillues d’Ardenne. Les résultats présentés correspondent à la cartographie et à l’estimation du recouvrement par stade de développement de la régénération ainsi qu’à l’estimation de la distribution du nombre de tiges par classes de grosseur.Regiowood

Modeling distribution of trees stem circumference by species using LiDAR data in mixed deciduous temperate forests

Regiowood

National Forest Inventories Pathways for Common Reporting: Belgium (Walloon Region)

peer reviewe

Description of a new procedure to estimate the carbon stocks of all forest pools and impact assessment of methodological choices on the estimates

Forest ecosystems play a major role in atmospheric carbon sequestration and emission. Comparable organic carbon stock estimates at temporal and spatial scales for all forest pools are needed for scientific investigations and political purposes. Therefore, we developed a new carbon stock (CS) estimation procedure that combines forest inventory and soil and litter geodatabases at a regional scale (southern Belgium). This procedure can be implemented in other regions and countries on condition that available external carbon soil and litter data can be linked to forest inventory plots. The presented procedure includes a specific CS estimation method for each of the following forest pools and subpools (in brackets): living biomass (aboveground and belowground), deadwood (dead trees and snags, coarse woody debris and stumps), litter, and soil. The total CS of the forest was estimated at 86 Tg (185 Mg ha-1). Soil up to 0.2 m depth, living biomass, litter, and deadwood CSs account, respectively, for 48, 47, 4, and 1 % of the total CS. The analysis of the CS variation within the pools across ecoregions and forest types revealed in particular that: (1) the living biomass CS of broadleaved forests exceeds that of coniferous forests, (2) the soil and litter CSs of coniferous forest exceed those of broadleaved forests, and (3) beech stands come at the top in carbon stocking capacity. Because our estimates differ sometimes significantly from the previous studies, we compared different methods and their impacts on the estimates. We demonstrated that estimates may vary highly, from -16 to ?12 %, depending on the selected methods. Methodological choices are thus essential especially for estimating CO2 fluxes by the stock change approach. The sources of error and the accuracy of the estimates were discussed extensively

Mapping tree species proportions from satellite imagery using spectral–spatial deep learning

peer reviewedRemote sensing can be used to collect information related to forest management. Previous studies demonstratedthe potential of using multispectral satellite imagery for classifying tree species. However, methods that canmap tree species in mixed forest stands on a large scale are lacking. We propose an innovative method formapping the proportions of tree species using Sentinel-2 imagery. A convolutional neural network was usedto quantify the per-pixel basal area proportions of tree species considering the neighbouring environment(spectral–spatial deep learning). A nested U-shaped neural network (UNet++) architecture was implemented.We produced a map of the entire Wallonia Region (southern Belgium). Nine species or groups of species wereconsidered: Spruce genus, Oak genus, Beech, Douglas fir, Pine genus, Poplar genus, Larch genus, Birch genus, andremaining species. The training dataset for the convolutional neural network model was prepared using a mapof forest parcels extracted from the public forest administration’s geodatabase of Wallonia. The accuracy of thepredicted map covering the region was independently assessed using data from the regional forest inventoryof Wallonia. A robust assessment method for tree species proportions maps was proposed for assessing the(1) majority species, (2) species composition (presence or absence), and (3) species proportions (proportionvalues). The achieved value of indicator OA (0.73) shows that our approach can map the majority treespecies in mixed and pure forest stands. Indicators MS (0.89), MPS (0.72) and MUS (0.83) support that themodel can predict the species composition in most cases in the study area. Spruce genus, Oak genus, Beech,and Douglas fir achieved the best results, with PAs and UAs close to or higher than 0.70. Particularly, highperformance was achieved for detecting Oak genus and Beech in low area proportions: PAs and UAs higherthan 0.70 from the 0.4 proportion. Predicted proportions had a R2of 0.50. The proposed method, which usesspectral–spatial deep learning to map the proportions of tree species, is innovative because it was adapted tothe complexity of mixed forests and spatial resolution of current satellite imagery. Additionally, it optimisesthe use of available forest data in the model conception by considering all pixels from pure stands to highlymixed forest stands. When forest inventories are available in a broad sense, that is, georeferenced areas withthe proportions of tree species, this method is highly reproducible and applicable at a large scale, offeringpotential for use in forest management

Estimating Species-Specific Stem Size Distributions of Uneven-Aged Mixed Deciduous Forests Using ALS Data and Neural Networks

peer reviewedSustainable forest management requires accurate fine-scale description of wood resources. Stem size distribution (SSD) by species is used by foresters worldwide as a representative overview of forest structure and species composition suitable for informing management decisions at shorter and longer terms. In mixed uneven-aged deciduous forests, tree data required for SSD estimation are most often collected in the field through traditional forest management inventories (FMIs), but these are time-consuming and costly with respect to the sampled area. Combining FMIs with remote sensing methods such as airborne laser scanning (ALS), which has high potential for predicting forest structure and composition, and is becoming increasingly accessible and affordable, could provide cheaper and faster SSD data across large areas. In this study, we developed a method for estimating species-specific SSDs by combining FMIs and dual-wavelength ALS data using neural networks (NNs). The proposed method was tested and validated using 178 FMI plots within 22,000 ha of a mixed uneven-aged deciduous forest in Belgium. The forest canopy was segmented, and metrics were derived from the ALS point cloud. A NN with a custom architecture was set up to simultaneously predict the three components required to compute species-specific SSDs (species, circumference, and number of stems) at segment level. Species-specific SSDs were thereafter estimated at stand level by aggregating the estimates for the segments. A robustness test was set up using fully independent plots to thoroughly assess the method precision at stand-level on a larger area. The global Reynolds index for the species-specific SSDs was 21.2 for the training dataset and 54.0 for the independent dataset. The proposed method does not require allometric models, prior knowledge of the structure, or the predefinition of variables; it is versatile and thus potentially adaptable to other forest types having different structures and compositions

Est-ce la fin de la crise des scolytes ? Suivi du phénomène par télédétection

L’équipe de Gestion des ressources forestières de Gembloux Agro-Bio Tech a réalisé des cartes annuelles de l'état sanitaire de la pessière en Wallonie et dans le Grand-Est pour les années 2017 à 2022, au départ d’images satellitaires, dans l’objectif de retracer l’évolution temporelle des dégâts de scolytes et de mettre en lumière les facteurs prédisposant l’épicéa aux attaques de ces insectes. Les analyses des cartes d’état sanitaire ont montré que les pertes d'épicéas ne sont pas uniformément reparties. Elles sont particulièrement importantes dans les régions de plaines où les dégâts ont causé la perte de la moitié des peuplements. Considérant les prévisions climatiques des prochaines décennies, la plantation d'épicéas en Wallonie ne semble plus opportune en dehors de l’Ardenne en dessous de 400 m, à l'exception de certaines stations forestières particulièrement favorables à l’épicéa. Par ailleurs, on peut raisonnablement émettre l’hypothèse que l’année 2021 a marqué la fin de la crise avec un retour en 2022 à un niveau d'attaque de scolytes endémique similaire à l'année 2017.Het Team van het Beheer van de bosbouwrijkdommen van Agro-Bio Tech van Gembloers heeft jaarkaarten opgemaakt van de gezondheidstoestand van de sparrenbossen in Wallonië en in de Franse regio Grand-Est voor de jaren 2017-2022, vertrekkend van satellietbeelden, om zo een zicht te krijgen op de evolutie gedurende die periode van de door de schorskever (letterzetter) aangerichte schade, en aan het licht te brengen welke factoren de fijnspar kwetsbaar maken voor de aanvallen door dit insect. Uit een analyse van de kaarten blijkt dat de fijnsparren niet overal gelijkmatig werden aangetast. De aantasting van de fijnsparren is het grootst in de laagvlakten, waar de schade heeft geleid tot het verlies van de helft van de bestanden. Gelet op de klimaatvoorspellingen voor de komende decennia, lijkt het niet langer een goed idee om nog fijnsparren aan te planten in Wallonië buiten de Ardennen beneden de 400 m, met uitzondering van bepaalde bossites die bijzonder geschikt zijn voor de fijnspar. Daarenboven kunnen we redelijkerwijze stellen dat het jaar 2021 het einde inluidde van de crisis met een terugkeer in 2022 naar een niveau van endemische aanvallen van de letterzetter vergelijkbaar met 2017

Monitoring selective logging intensities in central Africa with sentinel-1: A canopy disturbance experiment

peer reviewedForest degradation is a major threat to tropical forests, and effective monitoring using remotely sensed data is subject to significant challenges. In particular, consistent methods for detecting subtle changes in the forest canopy structure caused by selective logging are lacking. Here, using a unique dataset collected in southeastern Cameroon, covering over 22,000 ha of monthly harvesting areas, >6000 locations of harvested trees, and an independent canopy gap dataset developed from an uninhabited aerial vehicle flight (UAV; RGB camera) of approximately 1500 ha, a new method was designed to monitor canopy disturbance and logging intensity in Central Africa. Using Sentinel-1 synthetic aperture radar (SAR) data, the method was conceptualised using a twostep, two-scale approach, which better matched logging practices. First, (non-)harvesting activity areas were identified using textural indices at a spatial resolution of 300 m (step 1), and within these harvesting activity areas, canopy gaps were detected at a resolution of 10 m (step 2). Both steps were based on monthly differences in the Sentinel-1 SAR time series computed using the average of the 12 months preceding and the average of the three months following the month of interest. This method identified harvesting activity areas (step 1 at 300 m resolution) of over 12,004 km2 with high accuracy (omission and commission errors for both classes ≤0.05) and, within them, detected canopy gaps (step 2 at 10 m resolution) with a global accuracy of 0.89. Although some canopy gaps were subject to omission and commission errors (0.39 and 0.05, respectively), this method yielded better results than other available approaches. Compared to the UAV canopy gaps, this method detected most of the small gaps (≤ 500 m2), which represent 80% of all disturbed areas, whereas other available approaches missed at least 70% of these and consequently missed most of the disturbance events occurring in a selectively logged forest. Furthermore, the predictions were correlated with logging intensity, i.e., the number of trees and volume cut per hectare, which are two important criteria for assessing the sustainability of logging activities. This two-step two-scale method for short-term, monthly monitoring of logging disturbances and intensity has strong practical implications for forest administration and certification bodies in Central Africa.15. Life on land13. Climate action9. Industry, innovation and infrastructur