Modelling forest dynamics to assess and improve forest management at a regional scale: an analysis of forest changes in Wallonia (southern Belgium). | Modéliser la dynamique forestière pour évaluer et améliorer la soutenabilité de la gestion forestière à l'échelle régionale: une analyse des changement forestiers en Wallonie.

English. Covering one-third of the world's land, forests provide many essential resources and services on which more than 25% of the world's population directly depend for their livelihoods. Moreover, because of their importance in the carbon and water cycle and in the production of renewable materials, forests are one of the main means of mitigating the consequences of current and future global climate change. The need to balance ecological, economic and social roles to achieve sustainable management of forest resources is therefore evident from the local to the global scale. Accurate and up-to-date information on forests dynamics is essential to design and implement sustainable forest management plans. In particular, the development of customized management scenarios based on forest stand characteristics require accurate growth and yield estimates that can only be derived from permanent forest inventory data. This thesis focuses on the relevance of forest modelling from permanent forest inventory data to improve knowledge on current forest resource stocks and dynamics and help design sustainable forest management policies. The study concerns the forests of Wallonia, the southern Region of Belgium. Wallonia forests represent an interesting case study as they are intensively managed, highly fragmented, heterogeneous in structure and composition and undergoing fast change to adapt to new environmental and economic conditions. The first part of this thesis concerns the research for an appropriate modelling methodology to assess the level of productivity and species-station suitability of forest plantations. We developed an easily replicable methodology relying on stem analysis data to fit robust site index (SI) models which make it possible to estimate the level of productivity of plantations according to their top-height and age. New SI models were calibrated for the three main plantation species in Wallonia: Norway spruce, douglas-fir and Larches. These new models make it possible to account for the significant changes observed in the SI distribution over time which caused biases in previous ones. Our work suggests that these changes are mainly due to later harvesting and lower replanting rate of softwood plantations located on less productive sites, practices that are not exclusive to Wallonia. The second part of this work concerns the development of forest models able to accurately estimate the effect of original management scenarios on the development of forest resources. Using our new SI models and thousands of field experiment data allowed us to develop new harmonized growth models for even-aged pure stands of Norway spruce, douglas-fir and larches that have a wider validity than is possible with regional data. They highlight the very significant effect of stand density and social status on individual tree growth and demonstrate a lasting effect of early selective thinning on growth which does not decline as rapidly with age as previously thought. We also found that under similar growing conditions, douglas-fir yields are one-third higher than Norway spruce and larches. An economic analysis of the evolution of harvest revenues in Norway spruce and douglas-fir plantations also shows that although the actualized value of final harvests peaks at around 60 years, selective thinning can provide significant regular income until much later. The final part of this thesis concerns the design of a forest modelling methodology that A) provides detailed estimates about stock, growth, yield and harvested volumes, B) allows a direct use of permanent forest inventory data for calibration and initiation of the simulation, and C) can be applied at the regional level. It resulted in the development of the individual-tree distance-independent forest model SIMREG which is based on permanent data from the Permanent Forest Inventory of Wallonia (IPRFW). The tree-level approach made it possible to identify several inconsistencies in previous estimates from the IPRFW. In particular, we conclude that the net growing stock increase between the first and the second IPRFW cycle was previously overestimated by several million m³ while the total yield was underestimated by about 25%. These differences result from SIMREG's consideration of previously unmeasured forest resources and significant methodological changes between the two IPRFW cycles. Our simulations also confirm the rapid decline of spruce in favour of douglas-fir and various hardwood species but suggest that the higher yield of douglas-fir and the renewal of aging/low productive Norway spruce plantations could mostly compensate for the net decline in softwood forest area. We conclude that the standing stock of Walloon forests is managed sustainably overall but not at the species level. The decline of the Norway spruce plantations is arguably justified by numerous relevant reasons such as its presence in unsuitable stations, its sensitivity to drought, bark beetles and windfall damage, the higher yield of douglas-fir, etc. Nevertheless, Norway spruce is still the main production species in Wallonia and our work has resulted in several new recommendations to improve its management and that of its main substitute species: douglas-fir. Forest modelling and simulation is a timely issue and similar work is currently being done worldwide. Although our study has focused on Wallonia, our modelling methods were designed to only use data collected by most permanent NFI. For example, SIMREG was successfully adapted to the Flemish and Brussels forests in order to develop the national forest accounting plan of Belgium. We are thus confident that our modelling framework is generalizable to other countries.

French. Couvrant un tiers des terres de la planète, les forêts fournissent de nombreuses ressources et services essentiels dont plus de 25% de la population mondiale dépend directement pour sa subsistance. En raison de leur importance dans le cycle du carbone et de l'eau et dans la production de matériaux renouvelables, les forêts sont également l'un des principaux moyens d'atténuer les conséquences du changement climatique mondial actuel et futur. La nécessité d'équilibrer les rôles écologiques, économiques et sociaux pour parvenir à une gestion durable des ressources forestières à toutes les échelles est donc évidente. Des informations précises et actualisées sur la dynamique des forêts sont essentielles pour concevoir et mettre en œuvre des plans de gestion durable. En particulier, l'élaboration de scénarios de gestion personnalisés tenant compte des caractéristiques des peuplements forestiers nécessite des estimations précises de la croissance et de la production qui ne peuvent être obtenues qu'à partir de données d'inventaire forestier permanentes. Cette thèse se concentre sur la pertinence de la modélisation à partir des données d'inventaire forestier permanent pour améliorer l’évaluation des ressources existantes et de leur évolution et aider à concevoir une politique de gestion durable des forêts. La zone d’étude est la Wallonie, la région qui occupe la moitié sud de la Belgique. Les forêts de Wallonie représentent un cas d'étude intéressant car elles sont très fragmentées, hétérogènes dans leur structure et leur composition, soumises à une gestion intensive et subissent des changements rapides pour s'adapter aux nouvelles conditions environnementales et économiques. La première partie de cette thèse qui concerne ainsi la recherche d'une méthodologie de modélisation appropriée pour évaluer le niveau de productivité et l'adéquation essence-station des plantations résineuses. Une méthodologie facilement reproductible s'appuyant sur des données d'analyse de tiges a ainsi été développée pour ajuster des modèles robustes permettant d'estimer le niveau de productivité des plantations en fonction de leur hauteur de sommet et de leur âge. De nouveaux modèles de productivité ont ainsi été calibrés pour les trois principales essences résineuses de plantations de Wallonie : épicéa, douglas et mélèzes. Ils permettent de tenir compte de l’évolution récente de la productivité qui entrainait des biais dans les modèles précédents. Nos travaux suggèrent que cette évolution est due à une récolte plus tardive et à un taux de replantation plus faible des plantations résineuses situées sur des sites moins productifs, des pratiques qui ne sont certainement pas exclusives à la Wallonie. La seconde partie de ce travail concerne le développement de modèles permettant d'estimer avec précision l'effet de scénarios de gestion originaux sur l'évolution des ressources forestières. Des modèles de croissance harmonisés pour les peuplements purs équiennes d'épicéas, de douglas et de mélèzes ont ainsi été développés sur base de nos nouveaux modèles de productivité et de milliers de données issues de dispositifs expérimentaux. Ces nouveaux modèles ont une validité plus large que ce qui est possible avec des données régionales. Ils mettent en évidence l'effet très significatif de la densité et du statut social sur la croissance des arbres individuels et démontrent un effet durable des éclaircies sélectives précoces sur la croissance qui ne décline pas aussi rapidement avec l'âge qu'on le pensait auparavant. Nous avons également constaté que dans des conditions de croissance similaires, la production du douglas est supérieure d'un tiers à celle de l'épicéa et du mélèze. Une analyse économique de l'évolution des revenus issus des prélèvements dans les plantations d'épicéas de Norvège et de douglas montre également que, bien que la valeur actualisée des récoltes finales culmine à environ 60 ans, les éclaircies sélectives peuvent longtemps continuer à fournir un revenu régulier. La partie finale de cette thèse concerne la conception d'une méthodologie de modélisation forestière pour A) fournir des estimations détaillées sur le stock, la croissance, la production et les volumes récoltés, B) permettre une utilisation directe des données d'inventaire forestier permanent pour le calibrage et le lancement de la simulation, et C) être compatible avec une application à l’échelle régionale. Elle a abouti à l'élaboration de SIMREG, un simulateur « arbre » indépendant des distances basé sur les données permanentes de l'Inventaire forestier permanent de Wallonie (IPRFW). Cette approche a permis d'identifier plusieurs incohérences dans les estimations précédentes de l'IPRFW. En particulier, nous concluons que la capitalisation du stock sur pied entre le premier et le deuxième cycle de l'IPRFW était auparavant surestimée de plusieurs millions de m³ alors que la production totale était sous-estimée d'environ 25%. Ces différences résultent de la prise en compte par SIMREG de ressources forestières jusqu'alors non mesurées et de changements méthodologiques importants entre les deux cycles de l'IPRFW. Nos simulations confirment également le déclin rapide de l'épicéa au profit du douglas et de diverses essences feuillues. Elles suggèrent néanmoins que la production plus élevée du douglas et le renouvellement des pessières vieillissantes et peu productives pourraient en grande partie compenser le déclin net des surfaces enrésinées. Nous concluons que, dans l'ensemble, le stock sur pied des forêts wallonnes est géré durablement, mais pas pour chaque espèce. Le déclin des plantations d'épicéas est certainement justifié par de nombreuses raisons pertinentes telles que sa présence dans des stations inadaptées, sa sensibilité à la sécheresse, aux dommages causés par les scolytes et les chablis, la production plus élevée du douglas, etc. L’épicéa reste néanmoins toujours la principale essence de production en Wallonie et nos travaux ont abouti à plusieurs nouvelles recommandations pour améliorer sa gestion et celle du douglas qui est sa principale essence de substitution. La modélisation et la simulation forestière est une question d'actualité et des travaux similaires sont actuellement menés dans le monde entier. Bien que notre étude se soit concentrée sur la Wallonie, nos méthodes de modélisation ont été conçues pour ne nécessiter que des données collectées par la plupart des inventaires forestiers nationaux permanents. Par exemple, SIMREG a été adapté avec succès aux inventaires flamands et bruxellois afin d'élaborer le National Forest Accounting Plan de la Belgique. Nous sommes donc convaincus que nos méthodes et nos modèles sont généralisables à d'autres pays.

Accord-Cadre de Recherche et de Vulgarisation Forestière