Dynamique spatio-temporelle des forêts dans l’écotone boréal-tempéré en réponse aux changements globaux

Le principal objectif de ma thèse était de comprendre et de quantifier l’effet combiné du changement climatique récent et des perturbations sur la dynamique des communautés forestières de l’écotone boréal-tempéré au cours des dernières décennies. Pour ce faire, j’ai analysé les changements au niveau de la composition en espèces, de la dynamique de transition et du recrutement dans les forêts du Québec de 1970 à 2018.   Dans le premier chapitre, j’ai montré que les perturbations naturelles et anthropiques étaient les principaux moteurs des changements de composition, i.e. la diversité β temporelle. Malgré la prévalence des perturbations, l’analyse des traits écologiques de la communauté a révélé une thermophilisation des forêts à travers le Québec, i.e. une augmentation des espèces de climat chaud au détriment des espèces de climat froid. Ce phénomène de thermophilisation a même été amplifié par les perturbations modérées, soulevant une nouvelle question : si les perturbations peuvent favoriser une telle réorganisation des communautés, pourraient-elles catalyser un basculement des forêts vers des états alternatifs ?   Le second chapitre a apporté des réponses à cette question en analysant la dynamique de transition des forêts du Québec avec un modèle à quatre états, soit boréal, mixte, tempéré et pionnier. La dynamique de transition était principalement influencée par les perturbations et secondairement par le climat et les conditions édaphiques. Les perturbations majeures ont entraîné surtout des transitions vers l’état pionnier, tandis que les perturbations modérées ont favorisé les transitions de mixte à tempéré. À long terme, les perturbations modérées pourraient catalyser un déplacement plus rapide de l’écotone boréal-tempéré vers le nord sous l’effet du changement climatique. Toutefois, le recrutement des espèces tempérées a joué un rôle négligeable dans cette dynamique comparativement aux processus de mortalité et de croissance.    Les deux premiers chapitres s’appuient sur des analyses de l’évolution des communautés d’arbres matures. Cependant, pour comprendre la dynamique forestière, une analyse de la dynamique de régénération est nécessaire, étude que j’ai menée au troisième chapitre. J’ai d’abord mis en lumière des déplacements de plusieurs kilomètres vers le nord pour les gaulis de Acer rubrum, Acer saccharum et Betula alleghaniensis dans les forêts non perturbées. Toutefois, sous l’influence des perturbations modérées, seuls les Acer spp. ont migré ; aucune espèce ne s’est déplacée sous l’influence des perturbations majeures. En revanche, les gaulis de Fagus grandifolia n’ont pas du tout migré. Bien que les coupes partielles aient favorisé une augmentation du recrutement des quatre espèces, elles n’ont pas entraîné de migration plus au nord, possiblement parce que le recrutement était freiné par une faible capacité de dispersion, une forte compétition par les espèces boréales et des conditions édaphiques défavorables.   Dans l’ensemble, mes résultats ont souligné que les communautés forestières de l’écotone boréal-tempéré répondent déjà au changement climatique récent et que les perturbations accélèrent cette réponse. En effet, le réchauffement érode la résilience des forêts mixtes tandis que les perturbations éliminent les espèces boréales en place, ce qui accélère le processus de succession et facilite l’établissement des espèces tempérées. The main objective of my thesis was to understand and quantify the combined effect of recent climate change and disturbances on forest community dynamics in the boreal-temperate ecotone over the past decades. To do so, I analysed the evolution of forest composition, transition dynamics and recruitment dynamics in Quebec from 1970 to 2018. In the first chapter, I showed that natural and anthropogenic disturbances were the main drivers of forest compositional change, i.e. temporal β diversity. Despite the prevalence of disturbances, analysis of community ecological traits revealed a thermophilization of forests across Québec, i.e. an increase of warm-adapted species at the expense of cold-adapted species. This thermophilization was further amplified by moderate disturbances, leading to a new question: if disturbances can favour such a community reorganization, could they catalyse a permanent shift to alternative states? The second chapter provided answers to this question with an analysis of forest transition dynamics in Québec based on a four-state model, i.e. boreal, mixed, temperate and pioneer. Transition dynamics was primarily influenced by disturbances and secondarily by climate and edaphic conditions. Major disturbances mainly triggered transitions to the pioneer state, while moderate disturbances promoted transitions from mixed to temperate states. In the long run, moderate disturbances may catalyse a faster northward shift of the temperateboreal ecotone under climate change. However, contrary to my expectations, temperate species recruitment played a negligible role in this dynamic compared to mortality and growth processes. The first two chapters were focussing on the evolution of mature tree communities. However, to understand forest dynamics, a detailed analysis of regeneration dynamics is necessary. Such a study was conducted in the third chapter where I highlighted northward shifts of several kilometres for the saplings of Acer rubrum, Acer saccharum and Betula alleghaniensis in undisturbed forests. However, under the influence of moderate disturbances, only Acer spp. had migrated and there were no shifts under the influence of major disturbances. In contrast, I found no evidence of migration for the saplings of Fagus grandifolia. Although partial cutting increased recruitment success of all four species, it did not result in larger northward range shifts, presumably because recruitment was constrained by short-distance dispersal, strong competition by boreal species, and unfavourable edaphic conditions. Overall, my results highlighted that forest communities in the temperate-boreal ecotone are already changing in response to recent climate warming and that disturbances are accelerating this response. While climate warming erodes the resilience of mixed forests, disturbances remove resident boreal species, thereby accelerating the successional process and facilitating the establishment of temperate species.

Keyphrases: Changement climatique, Diversité beta, Dynamique de transition, Écologie des communautés, Écotone boréal-tempéré, Équilibre et dynamique transitoire, Forêts, Inventaire forestier du Québec, Migration des arbres, Perturbations naturelles et coupes forestières, Recrutement des gaulis, Thermophilisation