Risques passés et futurs de feux de forêts et leurs incidences sur la résilience de la forêt boréale de l’Est Canadien

Past and future wildfire risks and their impacts on the eastern Canadian boreal forest resilience

• Auteur / Autrice : Émeline Chaste
• Direction : Christelle Hély-Alleaume, Martin Girardin, Yves Bergeron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Analyse et modélisation des systèmes biologiques
• Date : Soutenance le 20/11/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE) en cotutelle avec Université du Québec à Montréal
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'École pratique des hautes études (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École pratique des hautes études (Paris ; 1868-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de l'évolution (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Peng Changui
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christelle Hély-Alleaume, Martin Girardin, Yves Bergeron, Peng Changui, David Price, Sylvie de Blois, Roger Prodon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peng Changui, David Price

Mots clés

Mots clés contrôlés

Changements climatiques

Mots clés libres

Productivité forestière

LPJ-LMfire

Changements climatiques

Aménagement forestier

Variabilité

Forest productivity

LPJ-LMfire

Climate change

Forest management

Variability

Résumé

Des changements de composition et de structure forestière sont projetés en réponse au climat futur potentiellement plus propice aux feux et au stress hydrique. Une réduction importante des stocks de carbone et de biomasse pourraient influencer considérablement l’industrie forestière et le réchauffement global. Malgré son importance écologique et socioéconomique, le devenir de la forêt est incertain car les impacts du changement climatique sur les processus écosystémiques et la biomasse sont encore mal compris. L’objectif principal est donc d’évaluer les effets potentiels du changement climatique sur la dynamique de végétation et des incendies, et de caractériser leurs effets conjoints sur la résilience de la forêt boréale de l’Est canadien de part et d’autre de la limite nordique des forêts sous aménagement (LNFA). Des simulations ont été réalisées avec le modèle LPJ-LMfire pour répondre à trois objectifs spécifiques : (1) reconstruire l’activité de feux au 20ème siècle et analyser l’évolution des tendances spatio-temporelles des feux avec la végétation et le climat, (2) projeter la réponse de la forêt au changement climatique et à l’augmentation prévue des feux pour déterminer si des changements brusques de biomasse des espèces dominantes pourraient survenir, (3) simuler les trajectoires passées des feux et de la végétation en réponse aux variations climatiques holocènes afin de comprendre les relations ayant existé entre le climat, le feu et la végétation. Pour la première fois, des simulations sont effectuées avec LPJ-LMfire sur plus de 6000 ans et à haute résolution spatiale (100 km2) sur la forêt boréale de l'Est canadien. Les types fonctionnels de plantes correspondant aux quatre genres d’arbres dominants (Picea, Abies, Pinus, Populus) ont été paramétrés. Les capacités prédictives de LPJ-LMfire ont été examinées en comparant nos simulations des taux annuels de combustion et de biomasse avec des ensembles indépendants de données disponibles pour le dernier siècle et des reconstructions paléoécologiques obtenues à partir des enregistrements lacustres de charbons et de pollens. Enfin, la version LPJ-LMfire développée a été utilisée avec des scénarios climatiques de l’IPCC pour analyser les trajectoires sur le 21ème siècle. Les résultats principaux de cette étude ont révélé que LPJ-LMfire reproduit correctement les tendances spatio-temporelles de la fréquence des feux observée au cours du dernier siècle et les tendances spatiales de la biomasse aérienne totale, à l’exception de la biomasse à la limite nord des arbres qui est surestimée. Les trajectoires des feux et de la végétation simulées sur l'Holocène sont décalées spatialement par rapport aux reconstructions paléoécologiques et serait dû aux données climatiques IPSL-CM5A-LR fournies en entrée du modèle. La variabilité climatique et les impacts de foudre sont les facteurs déterminants de la répartition de la fréquence des feux au cours du 20ème siècle alors que les rétroactions de la végétation sur les feux contrôlent la distribution de leur fréquence sur de longues échelles de temps. Nos résultats contredisent l’augmentation prévue du risque de feu futur, suggérant plutôt une diminution de la fréquence des feux d’ici 2100, surtout dans le sud, associée à une augmentation de la proportion des taxons feuillus et à une ouverture des paysages qui devraient limiter les allumages et la propagation des feux. Dans les zones les plus méridionales, l’effet fertilisant de l’augmentation des concentrations en CO2 atmosphériques sur la productivité forestière ne compensera pas les pertes de biomasse causées par les feux de forêt et les épisodes de mortalité attribuables aux sécheresses. En 2100, la baisse des stocks de biomasse et l’enfeuillement au sud de la LNFA pourraient menacer l’économie du secteur forestier. Des pratiques sylvicoles préservant la productivité et la résilience de la forêt sont donc à recommander pour permettre une gestion durable des forêts.

Changes in forest composition and structure are projected in response to the future climate likely more conducive to fire and water stress. A decrease in carbon and biomass stocks could significantly affect the forest industry and global warming by high carbon emissions during fires. However, despite its ecological and socio-economic importance, the future of the forest is uncertain because the impacts of climate change on ecosystem processes and standing biomass are still poorly understood. The primary objective is therefore to assess the potential effects of climate change on vegetation dynamics and fires, and to characterize their joint effects on the resilience of eastern Canada's boreal forest on both sides of the northern limit of managed forests (NLMF). Simulations were carried out with the LPJ-LMfire dynamic global vegetation model and focused on three specific objectives: (1) to reconstruct fire activity during the 20th century and analyze changes in spatial and temporal fire trends related to vegetation and climate, (2) to analyze the forest response projection to climate change and to fire increase to assess if abrupt changes in biomass of dominant species could occur, (3) to simulate trajectories of past fires and vegetation in response to Holocene climatic variations to understand the relationship between climate, fire and vegetation. For the first time, simulations are performed on the eastern boreal forest with LPJ-LMfire over 6000 years and at high spatial resolution (100 km 2) over a study area stretching west to east, from Manitoba to Newfoundland. The plant functional types for the four dominant tree genera (Picea, Abies, Pinus, Populus) have been parameterized. The predictive capabilities of the model were tested over the 20th century by comparing simulated annual rates of combustion and biomass with independent observations. The same variables, simulated over the past 6,000 years, have been compared to paleoecological reconstructions from lacustrine records of microcharcoals and pollen. Finally, the present version of LPJ-LMfire has been used with IPCC climate scenarios to analyze trajectories along the 21st century. The results show that LPJ-LMfire correctly reproduces the spatio-temporal trends in fire frequency observed in the 20th century, particularly in Manitoba and Ontario. The simulated spatial distribution of plant biomass is also consistent with observations, except at the northern limit of trees where it is overestimated, especially for Picea. The trajectories of simulated fires and vegetation over the last 6,000 years were spatially shifted compared to paleoecological reconstructions: too far south in the west and too far north in the east. The observed difference would be due to the IPSL-CM5A-LR climate data provided as input of LPJ-LMfire. Climate variability and lightning impacts are the determining factors in the distribution of fire frequency during the 20th century, while vegetation feedbacks on fires control the distribution of their frequency over long time scales. Our results contradict the predicted increase in future fire risk, suggesting a decrease in fire frequency by 2100, especially in the south, associated with an increase in the proportion of deciduous taxa and an opening of landscapes that should limit ignition and spread of fires. The frequency and intensity of droughts induced by climate change are expected to increase and favor tree mortality south of the NLMF. Rising temperatures and atmospheric CO2 will only temporarily increase forest productivity. By 2100, declining biomass stocks and increasing broadleaf proportion south of the NLMF could threaten the economy of the forest sector. Silvicultural practices that preserve productivity and boreal forest resilience are therefore recommended to maintain sustainable forest management.