Croissance et propriétés du bois de la tige et des racines de l’épinette noire et du sapin baumier après une coupe partielle en forêt boréale

Les coupes partielles sont de plus en plus utilisées au Québec. Elles consistent à prélever une partie seulement des arbres d’un peuplement forestier, ce qui permet de maintenir un certain couvert forestier. Les coupes partielles permettent généralement une augmentation de la croissance des tiges résiduelles et une récolte plus hâtive des secteurs traités (temps de révolution plus court). La croissance plus rapide pourrait toutefois causer des changements indésirables dans les propriétés du bois qui pourraient éventuellement réduire l’aptitude du bois à être utilisé pour un usage précis. Plus précisément, une augmentation de croissance se traduit généralement au niveau du cerne par une augmentation du nombre de cellules de bois initial, mais souvent sans grand changement au niveau du bois final, ce qui résulte en une diminution du pourcentage de bois final et de la masse volumique chez plusieurs espèces. Toutes les propriétés du bois sont liées de près avec les structures anatomiques des cellules du xylème, de sorte que la quantité et la qualité du bois produit ont toutes deux leur origine dans la région cambiale. Ainsi, tous les facteurs ayant une influence sur l’activité cambiale, comme par exemple les traitements sylvicoles, auront donc également une influence sur la quantité et la qualité du bois qui sera produit par l’arbre. Cependant, bien que les connaissances soient essentielles pour l’utilisation du bois transformé, il existe encore peu d’informations sur les effets des pratiques sylvicoles sur les propriétés du bois de l’épinette noire et du sapin baumier. De plus, l’ouverture du milieu suite à des coupes partielles peut rendre les peuplements forestiers plus susceptibles aux chablis. La stabilité des arbres, qui dépend fortement du développement adéquat du système racinaire, doit être maintenue afin de pouvoir soutenir la croissance améliorée attendue après la coupe partielle. Les racines doivent également être en mesure de puiser et transporter une quantité plus importante d’eau en raison de la transpiration plus élevée après l’ouverture du peuplement. Malgré son importance dans le succès des coupes partielles, le système racinaire des arbres matures reçoit moins beaucoup d'attention que la tige dans les études scientifiques. L’objectif général de la thèse est donc d’évaluer l’effet de différents types de coupes partielles sur la croissance et sur les propriétés du bois produit dans la tige et les racines de l’épinette noire et du sapin baumier. Pour ce faire, trois différents types de coupe partielle ont été étudiés. Tout d’abord, pour évaluer l’effet d’une coupe partielle sur la xylogénèse, une éclaircie expérimentale a été réalisée à la forêt d’enseignement et de recherche Simoncouche, dans la réserve faunique des Laurentides. Les résultats ont montré qu’une augmentation du taux de trachéides produites après la coupe partielle était responsable de l’augmentation de croissance observée dans les années après la coupe et non un changement dans le timing ou la durée des phases de la xylogénèse. Puisque la saison de croissance n’est pas décalée ou étendue sur une plus longue période de temps, cela laisse supposer qu’une coupe partielle ne place pas les arbres dans une situation de risques accrus de dommages dus aux gels au moment de l’initiation de la croissance ou plus tard en fin saison. Par la suite, une coupe avec protection des petites tiges marchandes (CPPTM) a été étudiée pour évaluer la réaction des tiges résiduelles après une coupe partielle. Quatre sites répartis entre le Saguenay-Lac-Saint-Jean et la Côte-Nord ont été utilisés. Les tiges résiduelles d’épinette noire et de sapin baumier ont augmenté leur croissance radiale après l’application de la CPPTM. Cette augmentation de croissance n’a toutefois pas entrainé de changement majeur dans les propriétés du bois mesurées chez l’épinette noire. Dans le cas du sapin baumier, des diminutions ont été observées, mais globalement, le bois produit avant la coupe partielle n’est pas significativement différent de celui produit après la coupe. Cela suggère que la CPPTM peut augmenter la croissance des tiges sans trop affecter les propriétés du bois à court terme. Finalement, un traitement d’éclaircie commerciale a permis de comparer la réaction entre les racines et la tige. Quatre sites répartis dans entre l’Abitibi et la Côte-Nord ont été étudiés. Les résultats ont montré que la masse volumique est plus élevée dans les racines que dans la tige, en particulier dans le bois initial. La majorité du transport d’eau ayant lieu dans cette partie du cerne de croissance, la masse volumique plus élevée rend le réseau hydraulique des racines sécuritaire et confère une protection accrue contre les embolies dues à la cavitation. Cette protection supérieure est nécessaire puisque les racines sont généralement considérées comme étant plus vulnérables à la cavitation que la tige. Les résultats offrent une meilleure compréhension de la fonction des racines chez l’épinette noire et portent à croire que le système racinaire de l’épinette noire est peut-être moins vulnérable à la cavitation que l’on suppose. En somme, l’étude de la formation du bois, de la croissance et des propriétés du bois dans la tige et les racines de l’épinette noire et du sapin baumier après une coupe partielle apporte de précieuses informations sur la structure du xylème et sur la variation des propriétés du bois dans les arbres, en particulier dans les racines, qui sont souvent négligées. Ces résultats, qui confirment le maintien à court terme des propriétés du bois à un niveau satisfaisant chez les deux espèces, intéresseront certainement les gestionnaires de la forêt

Croissance et qualité du bois de l'épinette noire et du sapin baumier après une coupe avec protection des petites tiges marchandes (CPPTM)

La coupe avec protection des petites tiges marchandes (CPPTM) est un traitement sylvicole qui vise la récole de 70 à 90 % du volume marchand d'un peuplement et au cours de laquelle la régénération, les gaules ainsi que les petites tiges marchandes de 10 à 14 cm de diamètre sont soigneusement protégées. L'ouverture du milieu résultant d'un type de coupe partielle comme la CPPTM offre aux arbres résiduels de nouvelles conditions (plus de lumière, d'eau et d'éléments nutritifs disponibles), ce qui résulte en un gain de croissance au niveau de la tige. Par contre, cette augmentation de croissance peut entraîner une diminution de la qualité du bois, notamment en ce qui concerne les propriétés mécaniques et la densité du bois. L'objectif du projet est d'évaluer l'effet de la CPPTM sur la croissance et sur certaines caractéristiques déterminant la qualité du bois chez le sapin baumier et l'épinette noire en forêt boréale. Pour ce faire, la croissance en diamètre et en volume de tiges dominantes et codominantes a été évaluée, de même que la croissance radiale et en longueur des branches. Les propriétés mécaniques (module d'élasticité, module de rupture), le pourcentage de bois final, la masse volumique et le diamètre des branches dans les verticilles ont aussi été évalués. Les tiges résiduelles ont réagi positivement à la CPPTM dans une forte proportion. Un délai de quatre ans pour l'épinette noire et de deux ans pour le sapin baumier a toutefois été nécessaire avant d'observer un effet positif significatif sur la croissance en volume de la tige. Une réponse semblable a été observée au niveau des branches, alors que les branches de la partie inférieure de la cime vivante ont présenté une augmentation de la croissance radiale et en longueur après un délai de deux à cinq ans. Quant à la qualité du bois produit après la CPPTM, aucun changement significatif par rapport aux arbres témoins n'a été observé pour le pourcentage de bois final, les propriétés mécaniques, le diamètre des plus grosses branches et la masse volumique. Les résultats suggèrent que la coupe avec protection des petites tiges marchandes peut améliorer la production en diamètre et en volume des tiges résiduelles sans trop affecter certains paramètres de qualité du bois

Primary and secondary branch growth in black spruce and balsam fir after Careful Logging around small Merchantable Stems (CLASS).

Careful logging around small merchantable stems (CLASS) is a partial cutting treatment that consists of the harvest of 70%–90% of the merchantable volume of an irregular coniferous stand. In this treatment, regeneration, saplings and small merchantable stems (DBH < 15 cm) are preserved and can continue to grow and develop into the dominant layer of the new stand. The aim of this project was to examine the effects of CLASS on the primary and secondary growth of branches, as well as on branch diameter in black spruce and balsam fir trees in the boreal forest of Quebec, Canada. Primary and secondary growth were measured on five branches per tree while branch diameter was analysed from 15 whorls distributed within the crown of the 48 black spruce and 48 balsam fir trees sampled. Branch primary and secondary growth significantly increased after CLASS in the lower part of the crown in both species, and both types of growth increased proportionally. These findings suggest that CLASS may delay crown recession as the lower branches tend to survive and grow for a longer period. However, although radial growth increased in the years post-CLASS, this did not significantly influence the final branch diameter and should not lead to lumber downgrade

Balsam Fir (Abies balsamea (L.) Mill.) Wood Quality after Defoliation by Spruce Budworm (Choristoneura fumiferana Clem.) in the Boreal Forest of Quebec, Canada

Eastern spruce budworm (Choristoneura fumiferana Clem.) is considered the most important disturbing insect in coniferous stands in eastern North America. During an outbreak, spruce budworm can cause severe defoliation in balsam fir (Abies balsamea (L.) Mill.), which can affect wood properties such as moisture content and mechanical properties. This project aimed to assess the influence of the duration of spruce budworm defoliation on the wood quality of mature balsam fir trees. To do this, we studied sapwood proportion, decay, moisture content, mechanical properties and tracheid dimensions in stands that had suffered three, four or five years of defoliation. We also compared living and dead balsam firs and evaluated the change in wood properties with time. Our results showed that dead balsam firs suffered from a loss of wood quality rapidly after their death, particularly in terms of moisture content and decay in the sapwood. Sapwood proportion was similar between living and dead trees, but the sapwood of dead trees contained more decay and had a lower moisture content than living trees. Mechanical properties and tracheid dimensions were 10% and 4% lower in dead trees than in living trees. We did not observe any major differences in wood properties between the three durations of defoliation, suggesting that wood degradation occurs before that. The study did not make it possible to determine the optimal duration of defoliation to harvest the stands

Maximum Branch Diameter in Black Spruce Following Partial Cutting and Clearcutting

Branch diameter is an important aspect of wood quality, as lumber grades can be determined based on the maximum diameter of branches. Crown and branch development can be influenced by the environment surrounding the trees, and silvicultural interventions, which reduce stand density and increase the growth of residual trees, could therefore alter branch properties. We evaluated maximum branch diameter within the crown of residual black spruce (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) subjected to five types of silvicultural intervention&mdash;three partial-cutting and two clearcutting treatments&mdash;as well as trees within unmanaged control stands. We sampled a total of 41 stands and 223 trees. We collected 15 whorls from the live crown of each tree and measured the diameters of the largest branches. For all treatments, we observed a curvilinear relationship between maximum branch diameter and distance from the stem apex, and the largest branches were located in the lower third of the live crown. DBH before treatment and treatment were the variables that best explained maximum branch diameter in the lowest portion of the crown. A generalized additive model showed that maximum branch diameter in black spruce following silvicultural treatment will not differ significantly from trees of unmanaged control stands. Therefore, the studied partial cutting and clearcutting treatments do not have adverse effects on maximum branch diameter when compared to unmanaged control stands. However, DBH prior to treatment must be considered before any treatment is applied in forest management operations if maximum branch diameter is an important wood quality factor at the time of the final harvest of the stands

Croissance et qualité du bois de l'épinette noire et du sapin baumier après une coupe avec protection des petites tiges marchandes (CPPTM) /

La coupe avec protection des petites tiges marchandes (CPPTM) est un traitement sylvicole qui vise la récole de 70 à 90 % du volume marchand d'un peuplement et au cours de laquelle la régénération, les gaules ainsi que les petites tiges marchandes de 10 à 14 cm de diamètre sont soigneusement protégées. L'ouverture du milieu résultant d'un type de coupe partielle comme la CPPTM offre aux arbres résiduels de nouvelles conditions (plus de lumière, d'eau et d'éléments nutritifs disponibles), ce qui résulte en un gain de croissance au niveau de la tige. Par contre, cette augmentation de croissance peut entraîner une diminution de la qualité du bois, notamment en ce qui concerne les propriétés mécaniques et la densité du bois. L'objectif du projet est d'évaluer l'effet de la CPPTM sur la croissance et sur certaines caractéristiques déterminant la qualité du bois chez le sapin baumier et l'épinette noire en forêt boréale. Pour ce faire, la croissance en diamètre et en volume de tiges dominantes et codominantes a été évaluée, de même que la croissance radiale et en longueur des branches. Les propriétés mécaniques (module d'élasticité, module de rupture), le pourcentage de bois final, la masse volumique et le diamètre des branches dans les verticilles ont aussi été évalués. Les tiges résiduelles ont réagi positivement à la CPPTM dans une forte proportion. Un délai de quatre ans pour l'épinette noire et de deux ans pour le sapin baumier a toutefois été nécessaire avant d'observer un effet positif significatif sur la croissance en volume de la tige. Une réponse semblable a été observée au niveau des branches, alors que les branches de la partie inférieure de la cime vivante ont présenté une augmentation de la croissance radiale et en longueur après un délai de deux à cinq ans. Quant à la qualité du bois produit après la CPPTM, aucun changement significatif par rapport aux arbres témoins n'a été observé pour le pourcentage de bois final, les propriétés mécaniques, le diamètre des plus grosses branches et la masse volumique. Les résultats suggèrent que la coupe avec protection des petites tiges marchandes peut améliorer la production en diamètre et en volume des tiges résiduelles sans trop affecter certains paramètres de qualité du bois

Root adaptations of black spruce growing in water-saturated soil

Black spruce is the main tree species growing within peatlands. The difficult growing conditions within peatlands are associated to low individual wood productivity and only tree species tolerant to high ground water level can survive. We examine the effect of water-saturated soil on the growth potential of black spruce trees and specific adaptation of the root system. Experimental mesocosms were constructed with two drainage regimes (saturated and well-drained soil conditions). We measured biomass, height and diameter at stem base of 55 black spruce saplings and noted the location of each horizontal root. Black spruce exhibited a very shallow root system located above saturated commercial peat 19 years after the experiment was initiated. Most roots were adventitious in the water-saturated mesocosms. Overall aerial and root biomass accumulation of the black spruce trees growing under saturated soil conditions was significantly lower than that of the well-drained mesocosms. Interestingly, root-shoot ratios were similar across the two drainage regimes. Soil conditions induced adaptation of the root system in black spruce trees, and physiological stress affected the entire individual with lower biomass productivity in all components (stem, branches, root system). However, biomass distribution remained similar to that of trees growing in well-drained mesocosms.The accepted manuscript in pdf format is listed with the files at the bottom of this page. The presentation of the authors' names and (or) special characters in the title of the manuscript may differ slightly between what is listed on this page and what is listed in the pdf file of the accepted manuscript; that in the pdf file of the accepted manuscript is what was submitted by the author

Comparison of wood density in roots and stems of black spruce before and after commercial thinning.

Roots play an important physiological and mechanical role in the survival and growth of a tree, but also in the success of silvicultural treatments. Studies comparing the xylem in roots and stems have shown that conifer tracheids tend to be wider and longer in roots, which renders root wood less dense and more susceptible to cavitation and embolism. The increased radial growth often observed after thinning may induce changes in wood anatomy that could alter wood properties, such as wood density, in the stem and roots. The aim of this study was to compare growth, wood density and tracheid dimensions between the stem and roots of black spruce trees growing in the boreal forest. We also evaluated whether these wood properties were altered by the application of a commercial thinning treatment. Six black spruce trees were harvested in four commercially thinned stands. Samples were collected from the stem and two locations of each root. Radial growth, wood density and tracheid dimensions were measured on each sample. Results show that all wood density components, especially earlywood density, were higher in the roots than in the stem in black spruce. This denser wood in roots might provide increased safety against cavitation in a part of the xylem where hydraulic stresses are higher. After thinning, growth was increased in the stem and particularly in roots, resulting in slight wood density decreases, which should not influence the vulnerability of roots to cavitation or wood quality in the stem. These results lead us to suppose that the hydraulic network of the black spruce root system may not be so vulnerable to cavitation

Xylogenesis in stems and roots after thinning in the boreal forest of Quebec, Canada.

The reduction of competition through thinning increases radial growth in the stem and roots of many conifer species. However, not much is known about the effect of thinning on the dynamics of wood formation and intra-annual development of the growth ring, especially in the roots, which are an essential part of the tree for stability and resource acquisition. The aim of this study was to evaluate the effect of an experimental thinning on the dynamics and phenology of xylogenesis in the stem and roots of black spruce and balsam fir. Experimental and control trees were selected in two mature even-aged stands, one black spruce (Picea mariana (Mill.) BSP) and one balsam fir (Abies balsamea (L.) Mill.). Wood microcores were collected weekly in the stem and roots from May to October for a period of 4 years. The onset and ending of each cell differentiation phase were computed, as well as growth rate and total cell production. Results show that thinning increased the cell production rate of stem and roots of black spruce and balsam fir. This higher daily growth rate caused an increase in the total number of cells produced by the cambium. The intensity of the treatment was sufficient to significantly increase light availability for residual trees, but insufficient to modify soil temperature and water content to a point at which a significant change in the timing or duration of xylogenesis would be induced. Thus, thinning increased cell production rate and total number of cells produced in both stem and roots, but did not result in a change in the phenology of wood formation that could lead to increased risks of frost damage in the spring or autumn