Doctoral thesis (Dissertations and theses)
Managing understory light to maintain the coexistence of forest tree species with different shade tolerances
Ligot, Gauthier
2014
 

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Keywords :
shade-tolerance; natural regneration; radiations; continuous cover forestry; oak; beech
Abstract :
[fr] Tout comme la gestion des autres ressources environnementales, la gestion des forêts a été remise en question et de nouvelles pratiques, dites plus durables et plus proches de la nature, sont recherchées. Ces dernières minimisent les interventions humaines et préfèrent utiliser les processus naturels. Bien souvent, cela se traduit par le maintien de forêts irrégulières et mélangées avec un couvert continu et en utilisant la régénération naturelle. L’une des principales difficultés est de pouvoir maintenir un mélange d’espèces sciaphiles et semi-héliophiles, c’est-à-dire des espèces avec différents niveaux de tolérance à l’ombre. Réussir à maintenir un tel mélange avec une gestion proche de la nature demande une bonne connaissance de l’écologie de la régénération naturelle, notamment afin de pouvoir prédire l’issue de la compétition interspécifique en fonction de la quantité de lumière disponible dans le sous-bois. La lumière disponible pour la régénération détermine, au moins en partie, la future composition de la régénération puisque les espèces en mélange ont différents niveaux de tolérance à l’ombre et que leur croissance et survie diffèrent en fonction de la quantité de lumière disponible. Cependant, il est difficile de prédire la quantité de lumière disponible pour la régénération en peuplements irréguliers et mélangés. Le but de cette thèse de doctorat est de déterminer comment une gestion proche de la nature peut maintenir un mélange d’essences forestières avec différents niveaux de tolérance à l’ombre. J’étudie cette problématique pour des conditions écologiques avec de bons apports en eau et en nutriments. Dans ces conditions, la lumière est le facteur prédominant de la composition de la régénération car seul une fraction de la lumière disponible au-dessus de la canopée est transmise jusqu’à la régénération dans le sous-bois. J’étudie donc le développement de la régénération naturelle en fonction de la lumière disponible ainsi que l’interception de la lumière par la canopée de peuplements hétérogènes. L’étude de l’écologie de la régénération de deux espèces avec des niveaux de tolérance à l’ombre contrastés (Fagus sylvatica L. et Quercus petraea (Matt.) Liebl.) montre que l’espèce sciaphile grandit plus vigoureusement que l’espèce semi-héliophile dans toutes les conditions d’éclairement. Bien que le contrôle de la lumière transmise à la régénération soit nécessaire pour promouvoir la croissance de la régénération de l’espèce semi-héliophile, ce contrôle est dans certains cas insuffisant pour maintenir la coexistence d’espèces sciaphiles et semi-héliophiles. Dans le but d’examiner la disponibilité de la lumière dans le sous-bois en fonction de la structure et de la composition de forêts irrégulières, j’utilise un modèle d’interception de la lumière par la canopée après avoir synthétisé et discuté les différentes approches de modélisations proposées dans la littérature. Ce modèle prédit bien les mesures de l’éclairement disponible dans le sous-bois, bien que ce soit un modèle relativement simple. J’explore l’effet de différentes stratégies sylvicoles visant à contrôler l’éclairement disponible pour la régénération. Ces stratégies correspondent à des éclaircies sélectives de différentes natures prélevant, par exemple, plutôt les gros arbres, les petits arbres, les arbres des espèces les plus tolérantes à l’ombre, ou formant des trouées circulaires. Les résultats soulignent qu’il est possible d’apporter suffisamment de lumière pour la régénération d’espèces semi-héliophiles avec des stratégies sylvicoles très variées. Il convient néanmoins d’ajuster l’intensité des éclaircies en fonction de la stratégie sylvicole choisie. En particulier, l’ouverture de trouées de 500 m2 apporte suffisamment de lumière pour de petits groupes de régénération. Les éclaircies qui prélèvent préférentiellement les petits arbres et les arbres des espèces tolérantes à l’ombre permettent également d’apporter suffisamment d’éclairement pour la régénération mais demandent une intensité d’éclaircie plus forte. Les coupes qui prélèvent préférentiellement les gros arbres n’augmentent que faiblement l’éclairement disponible pour la régénération et favorisent ainsi la régénération des espèces tolérantes à l’ombre. Afin de maintenir la coexistence de certaines espèces sciaphiles et héliophiles, le gestionnaire forestier doit contrôler l’éclairement disponible pour la régénération et réduire manuellement la compétition exercée par la régénération des espèces tolérantes à l’ombre. Cette étude propose un outil permettant de manipuler différentes stratégies sylvicoles pour produire des conditions d’éclairement favorables à la coexistence d’espèces sciaphiles et semi-héliophiles. Des recommandations sylvicoles sont en outre proposées pour les gestionnaires forestiers soucieux de maintenir la coexistence d’espèces sciaphiles et semi-héliophiles.
[en] Similar to the management of the other environmental resources, forest management has been questioned and more sustainable practices of forest management are being sought. New close-to-nature practices aim to favor natural processes over human interventions. Particularly, continuous-cover forestry has the goal of relying on natural regeneration, and maintaining irregular stand structure and tree species mixture. However, maintaining mixture of species with different shade tolerances appears arduous with such a silvicultural system. Successfully managing irregular and mixed forests, relying on natural processes, requires a strong knowledge of the ecology of natural regeneration. In particular, strong knowledge is required to predict the result of the interspecific competition in the understory depending upon light availability. The amount of radiation transmitted to the understory is indeed a critical factor determining regeneration dynamics. It determines, at least in part, regeneration composition because of interspecific differences of growth and survival under shade. Moreover, our quantitative understanding of understory light in uneven-aged and mixed stands remains incomplete. A better quantitative understanding of understory light is needed to provide quantitative guidelines for the management of understory light in uneven-aged and mixed stands and, hence, for the management of natural regeneration. The purpose of this thesis is to determine how close-to-nature forest management can maintain mixtures of species with contrasting shade tolerances. I consider ecological conditions with good water and nutrient supplies. In these conditions, partially closed canopy limits the amount of light that reaches the understory, and light is the major factor driving regeneration composition. Consequently, I study the dynamics of natural regeneration with regards to light availability as well as the interception of light by the canopy of heterogeneous stands. Studying the regeneration ecology of two species with contrasting shade tolerances (Fagus sylvatica L. and Quercus petraea (Matt.) Liebl.), I find that the shade-tolerant species outgrow the less shade-tolerant species in all light conditions. Even though the control of understory light with continuous-cover silviculture is required to sustain the growth of less shade-tolerant regenerations, it might not be sufficient to maintain the coexistence of species with contrasting shade tolerances. In order to examine the effects of canopy structure and composition on understory light availability, I use a model of light interception by heterogeneous canopies after synthesizing and discussing the approaches reported in the literature. The model predicts satisfactorily measures of transmitted light even though it is a relatively simple radiative transfer model. I next explore how various silvicultural treatments can be manipulated to provide favorable understory light conditions for natural regeneration. These silvicultural strategies correspond to selective thinnings of five different types, e.g., harvesting preferentially small trees, large trees, or trees of shade-tolerant species or creating circular gaps. The results underline that creating favorable understory light conditions for natural regeneration can be achieved with various regeneration treatments. However, the adequate reduction of stand density depends upon the chosen silvicultural strategies. In particular, creating gaps of about 500 m2 provides adequate light for small regeneration clumps. Harvesting preferentially small and trees of shade-tolerant species are also appropriate but required higher harvest intensity. Harvesting preferentially large trees slightly increases understory light and promotes more shade-tolerant species than less shade-tolerant species. In order to maintain the coexistence of species with contrasting shade tolerances, forest manager must control understory light and manually suppress the regeneration of the shade-tolerant species. The outcome of this study provides foresters with the necessary tools to evaluate how silvicultural treatments can be manipulated to create or maintain favorable light conditions for the regeneration of species of different shade tolerances. Guidelines are additionally proposed for forest managers wanting to maintain the coexistence of species with contrasting shade tolerances.
Disciplines :
Phytobiology (plant sciences, forestry, mycology...)
Author, co-author :
Ligot, Gauthier ;  Université de Liège - ULiège > Forêts, Nature et Paysage > Gestion des ressources forestières et des milieux naturels
Language :
English
Title :
Managing understory light to maintain the coexistence of forest tree species with different shade tolerances
Alternative titles :
[fr] Gestion de l'éclairement dans le sous-bois pour maintenir la coexistence d'essences forestières sciaphiles et semi-héliophiles
Defense date :
22 October 2014
Number of pages :
112
Institution :
ULiège - Université de Liège
Degree :
docteur en sciences agronomiques et ingénierie biologique
Promotor :
Lejeune, Philippe ;  Université de Liège - ULiège > Département GxABT > Gestion des ressources forestières et des milieux naturels
Funders :
F.R.S.-FNRS - Fonds de la Recherche Scientifique [BE]
SPW DG03-DGARNE - Service Public de Wallonie. Direction Générale Opérationnelle Agriculture, Ressources naturelles et Environnement [BE]
Available on ORBi :
since 26 September 2014

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