Natural dynamics and sustainable management of the boreal forest : Contribution of Graph Transformation models to characterize some trajectories and suggest recommendations
Dynamique naturelle et aménagement durable de la forêt boréale : apports des modèles basés sur les Transformations de Graphes pour caractériser les trajectoires et fournir des recommandations
Résumé
The boreal forest represents a third of the planet's forest cover, i.e. 400 million hectares in North America and more than double that in Eurasia (Johnson 1992, Shugart et al. 1992). It is one of the largest terrestrial reservoirs of carbon (sequestered mainly in soils and biomass) and therefore plays a part in balancing the planet's climate (Dixon et al. 1994). Since the end of the last ice age, the two disturbances that have governed its natural dynamics have been fires and insect invasions (Johnson 1992, Shugart et al. 1992, Jardon et al. 2003, Hély et al. 2010, Blarquez et al. 2015), but forest cutting has also played a significant role over the last century or so (Gauthier et al. 2015b). In Canada, fires are very intense (crown fires) and destroy standing stands (Johnson 1992), but species have developed very effective regeneration strategies (Gauthier et al. 1996, Ali et al. 2008). Over the last few thousand years, climate change has led to significant changes in fire regimes (frequency and surface area), yet the few species that make up the boreal forest have been maintained (Remy et al. 2017b). In fact, it is on this basis of the impact of natural disturbances that sustainable forest management in Canada has been based for about two decades (Bergeron et al. 1999, Harvey et al. 2002, Gauthier et al.
La forêt boréale représente un tiers de la couverture forestière de la planète, soit 400 millions d'hectares en Amérique du Nord et plus du double en Eurasie (Johnson 1992, Shugart et al. 1992). Elle constitue l'un des plus grands réservoirs terrestres de carbone (séquestré principalement dans les sols et la biomasse) et participe donc à l'équilibre climatique de la planète (Dixon et al. 1994). Depuis la fin de la dernière glaciation, les deux perturbations qui régissent sa dynamique naturelle sont les incendies et les invasions d'insectes (Johnson 1992, Shugart et al. 1992, Jardon et al. 2003, Hély et al. 2010, Blarquez et al. 2015), mais à celles-ci vient s'ajouter, de manière significative depuis un siècle environ, la coupe forestière Gauthier et al. 2015b). Au Canada, les incendies sont très intenses (feux de couronne) et détruisent les peuplements sur pieds (Johnson 1992), mais les espèces ont développé des stratégies de régénération très efficaces (Gauthier et al. 1996, Ali et al. 2008). En effet, au cours des derniers milliers d'années les changements climatiques ont induit des changements significatifs dans le régime des feux (fréquences et surfaces) et pourtant les quelques espèces qui constituent la forêt boréale se sont maintenues (Remy et al. 2017b). C'est d'ailleurs sur cette base de l'impact des perturbations naturelles que l'aménagement forestier durable au Canada se fonde depuis deux décennies environ (Bergeron et al. 1999, Harvey et al. 2002, Gauthier et al. 2009, 2015b). En Eurasie, les incendies sont généralement de faible intensité (feux de surface) et les essences forestières ont donc aussi dû s'adapter mais à des conditions différentes (De Groot et al. 2013). Cependant, l'aménagement forestier en Scandinavie ou en Russie tient compte de ce genre d'information et rares sont les études paléoécologiques permettant à ce jour de connaître l'histoire des incendies et la réponse des écosystèmes boréaux eurasiens. Le sujet de la thèse consiste donc à définir, puis implémenter, un modèle d'écosystème intégrateur et qualitatif qui permettra d'étudier les forêts boréales des deux continents. Ce modèle se basera sur les Graph Transformation (Ehrig 2006), un outil en science de l'informatique encore peu utilisé en biologie et qui pourtant permet l'intégration d'un plus grand nombre de variables que ne le permettent les modèles basés sur les équations différentielles classiquement utilisés en Biologie. Une première étape consistera à élaborer un modèle de « forêt boréale » générique, qui sera inspiré des dynamiques naturelles passées depuis les derniers 8000 ans environ, date de la fin de la déglaciation dans l'Est du Canada (Vincent and Hardy 1977). Les trajectoires obtenues par le modèle seront analysées et appréciées par comparaison avec des reconstructions paléoécologiques (composition végétale, incendies...) réalisées notamment dans le laboratoire d'accueil, qu'elles correspondent aux conditions de la forêt boréale mixte dans la frange sud de la zone boréale (e.g. Carcaillet et al. 2001, Ouarmim et al. 2014, 2015) ou bien plus au nord dans la pessière (e.g. Ali et al. 2008, Remy et al. 2017a, 2017b). D'ici le démarrage de cette thèse, des nouvelles reconstructions paléoécologiques seront également disponibles au laboratoire pour la zone eurasienne (Barhoumi et al. submitted, Magne et al. submitted). En effet, nous pourrons faire varier l'état initial du système en se positionnant à différents endroits et moments de l'Holocène afin d'évaluer le comportement du modèle se comporte et quelles sont les trajectoires les plus réalistes au regard des reconstructions paléoécologiques incluant notamment les feux et la composition forestière. Une seconde étape consistera à décliner ce modèle générique dans le cadre des changements globaux (climat et land use) en plusieurs cas d'étude contrastés, naturels ou aménagés, en intégrant donc de nouvelles composantes et processus en lien avec différents aménagements (Canada, Suède-Finlande, Russie). Il s'agira alors d'analyser l'ensemble de toutes les trajectoires afin d'identifier celles (et les processus responsables) permettant de rester dans des états stables ou au contraire celles à risque (collapse de la forêt). Nous serons en effet particulièrement sensibles aux questions de stabilité (e.g. résilience) et de changements catastrophiques (tipping points) des écosystèmes forestiers (Scheffer et al. 2012, Gauthier et al. 2015a).