Disentangling climate and human influences on fire regimes and forest composition dynamics in the temperate and boreal zones of the northern hemisphere

Robles, Daniela (2025). Disentangling climate and human influences on fire regimes and forest composition dynamics in the temperate and boreal zones of the northern hemisphere. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1663

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Résumé

RÉSUMÉ

Les perturbations sont des agents importants dans les écosystèmes forestiers. Elles façonnent la composition et maintiennent la biodiversité. Les incendies de forêt sont l'une des perturbations naturelles les plus importantes dans les forêts boréales et hémiboréales, le climat ayant été leur principal moteur tout au long de l'Holocène. L'influence croissante de l'homme a modifié les régimes de perturbation et la composition de la végétation dans ces forêts au cours des derniers siècles. Cette thèse a permis de distinguer les contributions relatives de la variabilité climatique et des activités humaines aux changements historiques des régimes d'incendie et de la végétation dans deux sections de la zone boréale.

Dans l'est de l'Amérique du Nord, j'ai réalisé une synthèse de données sur l'historique des incendies dans les forêts de pins rouges (Pinus resinosa Ait.) et j'ai modélisé la dynamique de la végétation sous l'influence du climat, des incendies et de la récolte forestière. Dans cette région, où les changements historiques du régime des incendies ont été principalement attribués aux activités humaines, j'ai pu isoler le signal climatique expliquant l'historique des incendies pour la période 1700-1900. J'ai étudié la relation entre les années de forte activité du feu (HFAY) et la variabilité des indices climatiques à grande échelle. Les résultats ont montré que les années de forte activité du feu étaient associées aux états positifs de la configuration de l'Atlantique Pacifique Nord et de l'oscillation australe El Niño, qui à leur tour étaient liés à des conditions climatiques propices aux incendies (anomalies positives de la pression et de la température de la troposphère moyenne) dans la région. J'ai également examiné les effets individuels du changement climatique, des modifications du régime des incendies et de l'exploitation du bois en tant que facteurs d'évolution de la végétation forestière régionale entre 1830 et 2020. J'ai simulé la composition de la forêt et les perturbations dans le cadre de différents scénarios et j'ai déterminé que l'exploitation du bois avait le plus grand impact sur les changements dans la composition de la végétation, et que lorsque l'on contrôle l'exploitation du bois, l'écosystème était capable de maintenir sa résilience et sa composition forestière d'avant la colonisation.

En Suède, j'ai élaboré la première synthèse nationale de l'histoire des incendies afin de distinguer les effets de la variabilité climatique et de l'utilisation humaine des forêts sur la fréquence des incendies depuis la fin des années 1550. J'ai analysé les patrons spatio-temporels de la suppression des incendies et les effets individuels de la densité de la population humaine et des précipitations estivales sur l'activité des incendies. J'ai constaté que le sud de la Suède avait connu une extinction des incendies plus précoce que le nord, et que la densité de population et les précipitations estivales avaient toutes deux une influence significative sur l'activité des incendies. Dans l'ensemble, mon étude a démontré que même si les activités humaines sont devenues les principaux moteurs de l'activité des incendies au cours des derniers siècles dans les forêts de l'est de l'Amérique du Nord et de la Suède, le signal climatique est resté un moteur important de l'activité des incendies. Toutefois, ce sont les pratiques humaines, en particulier l'exploitation du bois, qui ont le plus contribué à modifier la composition de la végétation dans les forêts de l'est de l'Amérique du Nord.

ABSTRACT

Disturbances are important agents in forest ecosystems, shaping their structure and sustaining biodiversity. Wildfire is one of the most important natural disturbances in boreal and hemiboreal forests, with climate acting as its primary driver throughout the Holocene. Growing human influence has altered disturbance regimes and vegetation composition in these forests over recent centuries. This thesis disentangled the relative contributions of climate variability and human activities to historical changes in fire regimes and vegetation in two sections of the boreal zone.

In eastern North America, I carried out the largest synthesis of fire history data for red pine (Pinus resinosa Ait.) forests and modelled vegetation dynamics as driven by climate, fire and timber harvesting. In this region, where historical fire regime shifts have primarily been attributed to human activities, I isolated the climate signal from the fire history data for the period 1700-1900. I studied the relationship between fire activity and large-scale modes of climate variability, captured by climate indices. The results indicated that high fire activity years were associated with the positive states of the Pacific North Atlantic pattern and El Niño-Southern Oscillation, which in turn were linked to fire-conducive climatic conditions (positive anomalies in mid-tropospheric pressure and temperature) in the region. I also examined the individual effects of climate change, shifts in fire regime, and timber harvesting as factors driving changes in regional forest vegetation from 1830 to 2020. I simulated the forest composition and disturbances under different scenarios and determined that timber harvesting had the greatest impact on changes in vegetation composition, and that when controlling for timber harvesting, the ecosystem was able to maintain resilience and its pre-settlement forest composition.

In Sweden, I developed the first national-level synthesis of fire history to disentangle effects of climate variability and human use of forests on fire occurrence since late 1550s. I analyzed the spatiotemporal patterns of fire suppression and the individual effects of human population density and summer precipitation on fire activity. I found that southern Sweden experienced earlier fire suppression compared to the north, and that both population density and summer precipitation significantly influenced fire activity. Overall, my study demonstrated that while human activities have become major drivers of fire activity in recent centuries in eastern North American and Swedish forests, the climate signal remained an important driver of fire activity. However, human practices, particularly timber harvesting, had the strongest effects on driving vegetation composition changes in forests of eastern North America.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Drobyshev, Igor
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Bergeron, Yves et Kryshen, Alexander
Informations complémentaires:	Doctorat sur mesure en Sciences Naturelles et Dendroclimatologie. / Cette thèse contient des articles publiés dans des revues. Voici les liens vers les versions officielles : l’article « Climatic controls of fire activity in the red pine forests of eastern North America » a été publié par Elsevier dans la revue « Agricultural and Forest Meteorology » en 2024 : https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2024.110219; l’article « Timber harvesting was the most important factor driving changes in vegetation composition, as compared to climate and fire regime shifts, in the mixedwood temperate forests of Temiscamingue since AD 1830 » a été publié par Springer dans la revue « Landscape Ecology  » en 2025 : https://doi.org/10.1007/s10980-025-02043-x.
Mots-clés libres:	wildfire history, dendrochronology, fire-prone climate, forest disturbances, forest composition, historique des feux de forêt, dendrochronologie, climat propice aux incendies, perturbations forestières
Divisions:	Forêts > Doctorat sur mesure
Date de dépôt:	04 avr. 2025 12:55
Dernière modification:	04 avr. 2025 12:55
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1663

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