Treeline and climate change : analyzing and modeling patterns and shifts in the Swiss Alps

Summary: Global warming has led to an average earth surface temperature increase of about 0.7 °C in the 20th century, according to the 2007 IPCC report. In Switzerland, the temperature increase in the same period was even higher: 1.3 °C in the Northern Alps anal 1.7 °C in the Southern Alps. The impacts of this warming on ecosystems aspecially on climatically sensitive systems like the treeline ecotone -are already visible today. Alpine treeline species show increased growth rates, more establishment of young trees in forest gaps is observed in many locations and treelines are migrating upwards. With the forecasted warming, this globally visible phenomenon is expected to continue. This PhD thesis aimed to develop a set of methods and models to investigate current and future climatic treeline positions and treeline shifts in the Swiss Alps in a spatial context. The focus was therefore on: 1) the quantification of current treeline dynamics and its potential causes, 2) the evaluation and improvement of temperaturebased treeline indicators and 3) the spatial analysis and projection of past, current and future climatic treeline positions and their respective elevational shifts. The methods used involved a combination of field temperature measurements, statistical modeling and spatial modeling in a geographical information system. To determine treeline shifts and assign the respective drivers, neighborhood relationships between forest patches were analyzed using moving window algorithms. Time series regression modeling was used in the development of an air-to-soil temperature transfer model to calculate thermal treeline indicators. The indicators were then applied spatially to delineate the climatic treeline, based on interpolated temperature data. Observation of recent forest dynamics in the Swiss treeline ecotone showed that changes were mainly due to forest in-growth, but also partly to upward attitudinal shifts. The recent reduction in agricultural land-use was found to be the dominant driver of these changes. Climate-driven changes were identified only at the uppermost limits of the treeline ecotone. Seasonal mean temperature indicators were found to be the best for predicting climatic treelines. Applying dynamic seasonal delimitations and the air-to-soil temperature transfer model improved the indicators' applicability for spatial modeling. Reproducing the climatic treelines of the past 45 years revealed regionally different attitudinal shifts, the largest being located near the highest mountain mass. Modeling climatic treelines based on two IPCC climate warming scenarios predicted major shifts in treeline altitude. However, the currently-observed treeline is not expected to reach this limit easily, due to lagged reaction, possible climate feedback effects and other limiting factors. Résumé: Selon le rapport 2007 de l'IPCC, le réchauffement global a induit une augmentation de la température terrestre de 0.7 °C en moyenne au cours du 20e siècle. En Suisse, l'augmentation durant la même période a été plus importante: 1.3 °C dans les Alpes du nord et 1.7 °C dans les Alpes du sud. Les impacts de ce réchauffement sur les écosystèmes - en particuliers les systèmes sensibles comme l'écotone de la limite des arbres - sont déjà visibles aujourd'hui. Les espèces de la limite alpine des forêts ont des taux de croissance plus forts, on observe en de nombreux endroits un accroissement du nombre de jeunes arbres s'établissant dans les trouées et la limite des arbres migre vers le haut. Compte tenu du réchauffement prévu, on s'attend à ce que ce phénomène, visible globalement, persiste. Cette thèse de doctorat visait à développer un jeu de méthodes et de modèles pour étudier dans un contexte spatial la position présente et future de la limite climatique des arbres, ainsi que ses déplacements, au sein des Alpes suisses. L'étude s'est donc focalisée sur: 1) la quantification de la dynamique actuelle de la limite des arbres et ses causes potentielles, 2) l'évaluation et l'amélioration des indicateurs, basés sur la température, pour la limite des arbres et 3) l'analyse spatiale et la projection de la position climatique passée, présente et future de la limite des arbres et des déplacements altitudinaux de cette position. Les méthodes utilisées sont une combinaison de mesures de température sur le terrain, de modélisation statistique et de la modélisation spatiale à l'aide d'un système d'information géographique. Les relations de voisinage entre parcelles de forêt ont été analysées à l'aide d'algorithmes utilisant des fenêtres mobiles, afin de mesurer les déplacements de la limite des arbres et déterminer leurs causes. Un modèle de transfert de température air-sol, basé sur les modèles de régression sur séries temporelles, a été développé pour calculer des indicateurs thermiques de la limite des arbres. Les indicateurs ont ensuite été appliqués spatialement pour délimiter la limite climatique des arbres, sur la base de données de températures interpolées. L'observation de la dynamique forestière récente dans l'écotone de la limite des arbres en Suisse a montré que les changements étaient principalement dus à la fermeture des trouées, mais aussi en partie à des déplacements vers des altitudes plus élevées. Il a été montré que la récente déprise agricole était la cause principale de ces changements. Des changements dus au climat n'ont été identifiés qu'aux limites supérieures de l'écotone de la limite des arbres. Les indicateurs de température moyenne saisonnière se sont avérés le mieux convenir pour prédire la limite climatique des arbres. L'application de limites dynamiques saisonnières et du modèle de transfert de température air-sol a amélioré l'applicabilité des indicateurs pour la modélisation spatiale. La reproduction des limites climatiques des arbres durant ces 45 dernières années a mis en évidence des changements d'altitude différents selon les régions, les plus importants étant situés près du plus haut massif montagneux. La modélisation des limites climatiques des arbres d'après deux scénarios de réchauffement climatique de l'IPCC a prédit des changements majeurs de l'altitude de la limite des arbres. Toutefois, l'on ne s'attend pas à ce que la limite des arbres actuellement observée atteigne cette limite facilement, en raison du délai de réaction, d'effets rétroactifs du climat et d'autres facteurs limitants.

Vers une transition forestière en Thaïlande? : analyse causale de l’avancée des forêts à partir du cas de Phetchabun

Selon des thèses développées au cours des années 1990 et 2000, le développement économique constitue à la fois la source et la solution aux problèmes environnementaux. Au sujet des forêts, les transitions forestières (c’est-à-dire le passage de la déforestation à la reforestation) documentées dans certains pays développés seraient causées par des dynamiques universelles intrinsèques au développement et à la modernisation des sociétés. Nos travaux ont porté sur l’application de cette vision optimiste et controversée à l’évolution des superficies forestières en Thaïlande. S’appuyant sur une recension de la littérature, sur des données secondaires ainsi que nos travaux de terrain dans la région de Phetchabun, la thèse offre les apports suivants. Elle démontre que contrairement à l’idée répandue en Thaïlande, le ralentissement de la déforestation a été suivi par une expansion forestière substantielle entre environ 1995 et 2005. Ce regain forestier est lié à la disparition presque complète de l’expansion agricole, à l’établissement de plantations sylvicoles et, surtout, à l’abandon de terres agricoles. Cet abandon agricole découle d’abord et avant tout de la faible et incertaine rentabilité de l’agriculture dans certaines zones non irriguées. Ce phénomène s’explique, entre autres, par la dégradation des sols et par l’incapacité des agriculteurs à contrer l’impact des transformations économiques internes et externes à la Thaïlande. L’accroissement de la pression de conservation n’a pu contribuer à l’expansion forestière que dans certains contextes (projets de reforestation majeurs appuyés par l’armée, communautés divisées, terres déjà abandonnées). Sans en être une cause directe, l’intensification agricole et la croissance des secteurs non agricoles ont rendu moins pénibles la confiscation et l’abandon des terres et ont permis que de tels phénomènes surviennent sans entraîner d’importants troubles sociaux. Dans un contexte d’accroissement des prix agricoles, notamment celui du caoutchouc naturel, une partie du regain forestier aurait été perdu depuis 2005 en raison d’une ré-expansion des surfaces agricoles. Cela illustre le caractère non permanent de la transition forestière et la faiblesse des mesures de conservation lorsque les perspectives de profit sont grandes. La thèse montre que, pour être robuste, une théorie de la transition forestière doit être contingente et reconnaître que les variables macro-sociales fréquemment invoquées pour expliquer les transitions forestières (ex. : démocratisation, intensification agricole, croissance économique) peuvent aussi leur nuire. Une telle théorie doit également prendre en compte des éléments d’explication non strictement économiques et souvent négligés (menaces à la sécurité nationale, épuisement des terres perçues comme arables et libres, degré d’attachement aux terres et capacité d’adaptation et résilience des systèmes agricoles). Finalement, les écrits sur la transition forestière doivent reconnaître qu’elle a généralement impliqué des impacts sociaux et même environnementaux négatifs. Une lecture de la transition forestière plus nuancée et moins marquée par l’obsession de la seule reforestation est seule garante d’une saine gestion de l’environnement en respect avec les droits humains, la justice sociale et le développement durable.