Towards sustainable Canadian boreal forest management: long-term response of natural regeneration, microbial diversity, and water stress after a gradient of silvicutural systems / Vers un aménagement durable de la forêt boréale canadienne : réponse à long terme de la régénération naturelle, de la diversité microbienne et du stress hydrique le long d’un gradient d’intensité de systèmes sylvicoles

Kim, Sanghyun (2025). Towards sustainable Canadian boreal forest management: long-term response of natural regeneration, microbial diversity, and water stress after a gradient of silvicutural systems / Vers un aménagement durable de la forêt boréale canadienne : réponse à long terme de la régénération naturelle, de la diversité microbienne et du stress hydrique le long d’un gradient d’intensité de systèmes sylvicoles. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1855

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Résumé

RÉSUMÉ

Les procédés de régénération comportant des coupes partielles, telles que les procédés par coupes progressives, sont des alternatives prometteuses à la coupe totale pour équilibrer les objectifs écologiques, économiques et sociaux en aménagement forestier. Ces méthodes sont au coeur de l’aménagement écosystémique, car elles visent à reproduire les effets de perturbations naturelles modérées. Cependant, les procédés par coupes progressives ont été initialement conçus sur la base de modèles forestiers Européens et peuvent ne pas être totalement adaptés au régime de perturbations naturelles et aux conditions écologiques de la forêt boréale canadienne. Ainsi, la compréhension de la réponse à long terme de la régénération naturelle, de la diversité microbienne du sol et du stress hydrique des semis après coupe partielle est cruciale pour le développement d’une sylviculture adaptée à la forêt boréale. Cette thèse évalue les effets de différents procédés des régénération (coupe totale, coupe avec réserve de semenciers et trois variantes de coupe progressive régulière) sur ces variables, 18 à 19 ans après coupe dans des pessières noires de l'est du Canada. Dans le chapitre 2, l’étude de la régénération naturelle montre que le procédé de régénération par coupes progressives en mini-bandes a considérablement amélioré la densité des semis d'épinette noire (39 765 semis/ha), laquelle était trois fois plus grande qu’en coupe totale. La croissance des semis était cependant deux fois plus grande en coupe totale qu’en mini-bande. Les principaux facteurs environnementaux influençant la réussite de la régénération étaient la disponibilité du sol minéral, le scarifiage, la couverture de mousse Polytrichum et la proximité des bandes résiduelles de forêt. Dans le chapitre 3, l’étude des communautés microbiennes de la rhizosphère associées aux semis d'épinette noire n'a révélée aucune différence significative de la diversité microbienne globale entre les procédés de régénération. Cependant, les sites de coupe totale présentaient une plus grande abondance de bactéries fixatrices d'azote (par exemple, Roseiarcus spp.), ce qui pourrait contribuer au cycle des nutriments et à la croissance des semis. Les sites de coupe progressive ont montré une augmentation notable de 77 % des champignons ectomycorhiziens bénéfiques (par exemple Piloderma spp.), ce qui indique des relations symbiotiques robustes en cas de perturbations modérées. Les changements dans la composition microbienne étaient étroitement liés à l'altération des propriétés physico-chimiques du sol, en particulier la teneur en calcium, la saturation en bases et la présence de métaux dans les couches organiques. Dans le chapitre 4, l’évaluation du stress hydrique chez les semis d'épinette noire et de sapin baumier par analyse des isotopes stables du carbone (δ¹³C) a révélé que les procédés de régénération à forte intensité de récolte (coupe totale et coupe avec réserve de semenciers) ont des valeurs de δ¹³C plus élevées, indiquant un stress hydrique accru. Inversement, les procédés de régénération par coupes progressives ont maintenu des valeurs δ¹³C comparables aux contrôles non récoltés, soulignant que leur efficacité à réduire le stress de sécheresse des semis peut être due aux conditions microclimatiques favorables fournies par le couvert partiel formé par les arbres résiduels. Cette thèse démontre les avantages écologiques du procédé de régénération par coupes progressives, qui en maintenant un couvert partiel, favorise la régénération naturelle, les interactions microbiennes bénéfiques et réduit le stress hydrique physiologique des semis de conifères. Ces preuves intégrées soulignent le potentiel des pratiques de gestion basées sur l'écosystème, telles que les coupes progressives, pour améliorer durablement la résilience et la productivité des forêts.

ABSTRACT

Silvicultural systems comprising partial harvests, such as shelterwood systems, have emerged as promising alternatives to the conventional and dominant harvesting practice, clearcutting, aiming to balance ecological, economic, and social objectives. These silvicultural systems are central to ecosystem-based forest management to emulate the effects of moderate natural disturbances. However, shelterwood systems were initially designed in European forests and may not be fully adapted to the natural disturbance regimes and ecological conditions of the Canadian boreal forest. Thus, to understand the long-term response of natural regeneration, soil microbial diversity, and drought stress to partial harvest is crucial for the development of a silviculture adapted to the boreal forest. This thesis evaluates the effects of different silvicultural systems (clearcut, seed-tree method, and three variants of uniform shelterwood) on natural regeneration dynamics, rhizosphere microbial communities, and water stress responses of conifer seedlings 18–19 years post-harvest in eastern Canadian boreal forests. 1) The study of natural regeneration highlights that the mini-strip shelterwood system significantly enhanced black spruce seedling density (39 765 seedlings/ha; 50 751 seedlings/ha in younger stands and 28 780 seedlings/ha in older stands), compared to three times lower densities but two times higher growth rates observed in clearcut areas. Key environmental factors influencing successful regeneration included mineral soil, scarification, Polytrichum moss cover, and proximity to residual strips. Further, ericaceous shrubs significantly reduced black spruce regeneration, potentially altering future stand structure. 2) The study of rhizosphere microbial communities in black spruce seedlings revealed no significant differences in overall microbial diversity among silvicultural systems. However, clearcut sites displayed higher abundances of nitrogen-fixing bacteria (e.g., Roseiarcus spp.), potentially aiding nutrient cycling and seedling growth. Shelterwood sites showed a notable increase in ectomycorrhizal fungi (e.g., Piloderma spp.), indicative of robust symbiotic relationships under moderate disturbances. Changes in microbial composition were closely linked to altered soil physicochemical properties, particularly calcium content, base saturation, and metals in organic layers. 3) The study of physiological water stress in black spruce and balsam fir seedlings using stable carbon isotope analysis (δ¹³C) revealed high-intensity harvest treatments (clearcut and seed-tree) led to enriched δ¹³C values, indicating increased water stress. Conversely, shelterwood systems maintained δ¹³C values comparable to unharvested controls, underscoring their efficacy reducing seedling drought stress may be due to the favorable microclimatic conditions provided by residual trees. This thesis demonstrates that partial harvest can enhance natural regeneration, produce symbiotic microbial interactions, and reduce physiological water stress on conifer seedling. The integrated evidence underscores the potential of partial harvest to reach sustainable forest management in the boreal forests.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Montoro Girona, Miguel
Codirecteurs de mémoire/thèse:	Bergeron, Yves
Mots-clés libres:	épinette noire, métabarcodage de l'ADN, aménagement écosystémique, régénération naturelle, rhizosphère, coupes progressives, microbiote, stress hydrique, sylviculture, isotopes stables du carbone, black spruce, DNA metabarcoding, Ecosystem-based management, Natural regeneration, Rhizosphere, Shelterwood system, Soil microbes, Water stress, stable carbon
Divisions:	Forêts > Doctorat en sciences de l'environnement
Date de dépôt:	03 juill. 2026 15:13
Dernière modification:	03 juill. 2026 15:13
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1855

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