An integrated model of stand dynamics, soil carbon and fire regime : pplications to boreal ecosystem response to climate change

Les forêts d'épinettes noires (Picea mariana (Mill.) BSP) contiennent de grandes quantités de carbone stockées dans la biomasse vivante et dans le sol. Les feux de forêt et leur régime (ex. l’intervalle de retour de feu, l’intensité, la saisonnalité et la sévérité) jouent un rôle central dans le stockage et le flux du carbone, en modifiant la distribution et le transfert de carbone. Il y a peu de doute dans la communauté scientifique que le changement climatique provoquera des modifications dans les variables temporelles et spatiales qui contrôlent la fréquence et la sévérité des feux. Un modèle démographique structuré par classes de diamètre a été développé pour simuler le stockage du carbone sous divers régimes de feu. Cette approche intègre l’effet de l’intensité du feu et les mesures de la structure du peuplement sur la sévérité mesurée par la proportion de la mortalité des arbres. Le modèle permet aussi de quantifier et de cartographier les estimations régionales du carbone actuelles et futures pour le domaine bioclimatique de la pessière à mousses du nord du Québec. Les résultats de simulations suggèrent que la sévérité du feu augmente avec l’intensité initiale du feu. La variation de la structure du peuplement est l'un des facteurs qui explique la variation observée dans la sévérité du feu des régions boréales. Nous avons simulé les stocks et fluctuations de carbone sous sept niveaux d’intervalle de retour de feu et deux saisons de feu. Nous avons testé pour un effet de ces paramètres sur la moyenne des stocks de carbone. Les stocks de carbone étaient sensibles aux intervalles entre 60 et 300 ans. Le stock de carbone dans le sol fut plus faible pour les incendies d'été qui se produisaient durant de plus courts IRF. Finalement, les impacts à court terme du changement climatique ont été investigués au cours de quatre périodes climatiques : 1980-2010, 2010-2040, 2040-2070 et 2070-2100. Des cartes d’intervalle de retour du feu historique et futur et des données météorologiques projetées par CanESM2 RCP8.5 ont été utilisées pour simuler la croissance des forêts, le taux de décomposition, le régime du feu et la dynamique du C. Dans nos expériences de simulation, l’accumulation de carbone dans l’écosystème était réduite de 11% d’ici à la fin de 2100. Les forêts d'épinette noire du Québec seraient possiblement en train de perdre leur capacité à séquestrer et à stocker le carbone organique durant les prochaines décennies, à cause des effets du changement climatique sur le régime de feu et la croissance des forêts.Boreal black spruce forests (Picea mariana (Mill.) BSP) store great amounts of carbon in the living biomass and in the soil. Fire regime characteristics (e.g. fire return interval, fire intensity, fire season and severity) play a central role in the storage and flow of carbon, by modifying the distribution and transfer of material among pools. There is little doubt in the scientific community that climate change will cause changes in the temporal and spatial variables that control the frequency and severity of fires. A demographic diameter-class structured model was developed to simulate boreal carbon storage under different fire regimes. This approach incorporates the effect of fire intensity and stand structure measures to simulate fire severity, measured as the proportion of overstory tree mortality. The model allows quantifying and mapping average regional estimates of current and future carbon stocks for the black spruce-feathermoss bioclimatic domain of northern Québec. Simulation results suggest that fire severity increases with fire the intensity. Stand structure is one of the factors that explains the observed variation in boreal fire severity. We simulated carbon stocks and fluxes under seven levels of fire return interval (FRI) and two fire seasons. We tested for an effect of these parameters on average carbon stocks. Carbon stocks were sensitive to IRF's between 60 and 300 years. Soil C stocks were lower for summer fires that occurred during shorter IRF. Finally, we investigated the short-term impacts of climate change under four climatic periods: 1980-2010, 2010-2040, 2040-2070 and 2070-2100. Historical and future FRI maps and historical and forecasted weather data estimated by CanESM2 RCP8.5 were used to drive the growth of forests, decomposition rates, fire regime and C dynamics. In our simulation experiments, the accumulation of carbon in the ecosystem was reduced by 11% by the end of 2100. The results of this study suggest that black spruce forest could be losing their capacity to sequester and store organic C over the next coming decades due to climate change effects on the fire regime and on forest growth