Comprendre la relation entre le sol et la croissance des arbres individuels à l'échelle du microsite en forêt tempérée du Québec

Mumvudi, Jethro Katula (2026). Comprendre la relation entre le sol et la croissance des arbres individuels à l'échelle du microsite en forêt tempérée du Québec. (Mémoire de maîtrise). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1830

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Résumé

RÉSUMÉ

À l’échelle de l’arbre, mieux comprendre la relation sol-croissance permet de développer des indicateurs de croissance. Ces derniers sont utiles pour bâtir des modèles de croissance des arbres individuels plus robustes par rapport à la stabilité des variables du sol, avec possibilité de les adapter à grande échelle pour une meilleure planification de la gestion des forêts. Toutefois, la rareté des données de sol à haute résolution spatiale (≤ 20 x 20 m), couplée à la complexité des interactions entre le sol, les caractéristiques structurales des arbres (âge, hauteur et surface de la couronne) et la compétition, qui influencent la croissance, complique la modélisation de cette relation. Afin de pallier ce défi, cette étude s’appuie sur des données de sol à haute résolution spatiale en intégrant des caractéristiques structurales et de la compétition à l’échelle de l’arbre. L’objectif était d’évaluer la relation entre les propriétés du sol et la croissance individuelle des arbres à l’échelle du microsite en forêt tempérée mixte du Québec, plus précisément dans l’extrême sud-ouest de la sapinière à bouleau jaune de l’Est. Quatre espèces dominantes de la forêt tempérée du Québec ont été choisies : bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britton), érable à sucre (Acer saccharum Marsh.), épinette rouge (Picea rubens Sarg.) et sapin baumier [Abies balsamea (L.) Mill.]. Ces espèces présentent des stratégies de croissance et des exigences écologiques distinctes, ce qui permet d’examiner la variabilité des réponses de croissance aux conditions du sol. Nous avons utilisé une base de données de 150 placettes (résolution de 20 x 20 m) réparties aléatoirement dans la zone d’étude. Chaque placette contenait des informations topographiques (pente, élévation et indice d’humidité topographique). Chaque arbre avait des mesures des caractéristiques structurales, de la compétition subie (indice de Hegyi) ainsi que de la croissance individuelle (accroissement moyen de surface terrière entre 2009 et 2018). De plus, des données de sol aux horizons organique et minéral étaient disponibles pour chaque microsite (résolution de 5 x 5 m). Ces données de sol comprenaient principalement les propriétés physiques [épaisseur de la couche organique (OLT ; cm), argile (%) et limon (%)] et chimiques [potentiel hydrogène (pH CaCl₂), rapport entre les concentrations en carbone et en azote (C/N), stock d’azote (N ; kg m-1), concentrations en calcium (Ca; cmolc kg -1) et en magnésium (Mg ; cmolc kg -1), capacité d’échange cationique du sol (CEC ; cmolc kg -1) et capacité de rétention d’eau disponible du sol (CRE ; cm)]. Une première régression linéaire a d’abord permis de retirer les effets des caractéristiques structurales et de la compétition sur la croissance (accroissement moyen de surface terrière) de chaque espèce. Ensuite, les résidus issus de cette régression ont servi de variable réponse. À travers des analyses multivariées, nous avons constaté que les microsites occupés par les quatre espèces sont similaires en termes de propriétés du sol. Par ailleurs, la deuxième régression linéaire a révélé que la croissance individuelle des arbres répond différemment aux propriétés du sol selon les espèces. Les quatre modèles de régression se sont révélés significatifs (p < 0,05), avec des coefficients de détermination (R²) variant de 0,05 pour l’érable à sucre, 0,06 pour le bouleau jaune, 0,07 pour le sapin baumier et 0,38 pour l’épinette rouge. En effet, la croissance du bouleau jaune est positivement affectée par le stock de N dans l’horizon minéral, avec un coefficient (β) de 1,54 ± 0,69 (p < 0,05). La croissance, chez l’érable à sucre et le sapin baumier, est affectée négativement par le pH dans l’horizon minéral, avec respectivement des coefficients de -2,02 ± 0,83 (p < 0,05) et -2,4 ± 1,05 (p < 0,05). Chez le sapin baumier, la croissance est également négativement affectée par la pente (β = -2,04 ± 0,88 ; p < 0,05). Pour l’épinette rouge, la croissance est positivement associée à la CRE dans l’horizon minéral (β = 5,01 ± 1,14 ; p < 0,001) et à l’élévation (β = 3,04 ± 0,94 ; p < 0,001), tandis que la teneur en limon a un effet négatif (β = -4,1 ± 1,26 ; p < 0,05). Dans l’ensemble, ces résultats mettent en évidence le rôle central des variables du sol dans la modulation de la croissance individuelle, tout en montrant que ces effets sont fortement dépendants de l’espèce à l’échelle du microsite. Par ailleurs, l’épinette rouge présente une forte sensibilité aux variables du sol (R² = 0,38), en comparaison avec les autres espèces (R² ≤ 0,07). Cette étude permet d’élucider la relation sol-croissance, permettant une meilleure compréhension et une modélisation de cette relation à l’échelle de l’arbre.

ABSTRACT

At the tree level, a better understanding of the soil-growth relationship enables the development of growth indicators. These indicators are useful for building more robust growth models for individual trees in terms of the stability of soil variables, with the potential to scale them up for improved forest management planning. However, the scarcity of high–spatial-resolution soil data (≤ 20 × 20 m), combined with the complexity of interactions among soil properties, tree structural characteristics (age, height, crown area), and competition—all of which influence growth—complicates the modeling of this relationship. To address this challenge, this study relies on high–spatial-resolution soil data while integrating structural and competition characteristics at the tree scale. The objective was to assess the relationship between soil properties and individual tree growth at the microsite scale in the mixed temperate forest of Quebec, specifically in the extreme southwest of the Eastern Yellow Birch–Fir Forest. Four dominant species of Quebec’s temperate forest were selected: yellow birch (Betula alleghaniensis Britton), sugar maple (Acer saccharum Marsh.), red spruce (Picea rubens Sarg.), and balsam fir (Abies balsamea (L.) Mill.). These species exhibit distinct growth strategies and ecological requirements, allowing us to examine variability in growth responses to soil conditions. We used a database of 150 plots (20 x 20 m resolution) randomly distributed across the study area. Each plot contained topographic information (slope, elevation, and topographic moisture index). For each tree, we had measurements of structural characteristics, competition experienced (Hegyi index), and individual growth (average basal area increment between 2009 and 2018). In addition, soil data for the organic and mineral horizons were available for each microsite (5 x 5 m resolution). These soil data primarily included physical properties [organic layer thickness (OLT; cm), clay (%) and silt (%)] and chemical properties [hydrogen ion concentration (pH CaCl₂), carbon-to-nitrogen ratio (C/N), nitrogen stock (N; kg m⁻¹), calcium (Ca; cmol/kg) and magnesium (Mg; cmol/kg) concentrations, soil cation exchange capacity (CEC; cmolc kg⁻¹) and soil available water holding capacity (AWHC; cm)]. An initial linear regression was used to remove the effects of structural characteristics and competition on growth (average basal area increment) for each species. The residuals from this regression were then used as the response variable. Multivariate analyses showed that the microsites occupied by the four species are similar in terms of soil properties. Furthermore, the second linear regression revealed that individual tree growth responds differently to soil properties depending on the species. All four regression models were significant (p < 0.05), with coefficients of determination (R²) ranging from 0.05 for sugar maple, 0.06 for yellow birch, 0.07 for balsam fir, and 0.38 for red spruce. Yellow birch growth was positively affected by nitrogen stock in the mineral horizon (β = 1.54 ± 0.69; p < 0.05). Growth in sugar maple and balsam fir was negatively affected by mineral-horizon pH, with coefficients of –2.02 ± 0.83 (p < 0.05) and –2.4 ± 1.05 (p < 0.05), respectively. For balsam fir, growth was also negatively affected by slope (β = –2.04 ± 0.88; p < 0.05). For red spruce, growth was positively associated with CEC in the mineral horizon (β = 5.01 ± 1.14; p < 0.001) and with elevation (β = 3.04 ± 0.94; p < 0.001), while silt content had a negative effect (β = –4.1 ± 1.26; p < 0.05). Overall, these results highlight the central role of soil variables in modulating individual tree growth, while showing that these effects are highly species-dependent at the microsite scale. Furthermore, red spruce exhibits strong sensitivity to soil variables (R² = 0.38) compared with the other species (R² ≤ 0.07). This study contributes to a better understanding and modeling of the soil–growth relationship at the tree scale.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Mémoire de maîtrise)
Directeur ou directrice de recherche:	Valeria, Osvaldo
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Buttò, Valentina
Mots-clés libres:	Microsite, propriétés du sol, azote, pH, texture, humidité, productivité forestière, forêt tempérée, surface terrière, soil properties, nitrogen, moisture, forest productivity, temperate forest, basal area
Divisions:	Forêts > Maîtrise en écologie
Date de dépôt:	04 juin 2026 13:02
Dernière modification:	04 juin 2026 13:02
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1830

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