Modélisation de la structure des arbres pour expliquer la qualité du bois d'érable à sucre (Acer saccharum Marsh.)

摘要

RÉSUMÉ: L’érable à sucre (Acer saccharum Marshall), est une composante importante des forêts feuillues du nord-est de l’Amérique du Nord. La qualité de l’érable à sucre s’est détériorée à la suite de nombreuses coupes à diamètre limite et d’écrémage. Il est généralement admis que les arbres peu vigoureux ont une faible croissance ainsi qu’une proportion de carie et de coloration plus importante. Cette augmentation de la proportion de coloration chez l’érable à sucre induit une baisse de sa valeur marchande, étant donné qu’il est souvent employé comme bois d’apparence où le bois de couleur blanche est recherché. L’approche sylvicole préconisée pour aménager les érablières est composée d’un système de coupes partielles, où les arbres de qualité inférieure sont récoltés, afin d’améliorer la croissance et la valeur du peuplement résiduel. Toutefois, la relation structurelle-fonctionnelle entre les différentes composantes du bois, et leur évolution a la suite de traitements sylvicoles ne sont pas encore bien comprises. Le xylème de l’érable à sucre peut être divisé en trois catégories, selon sa couleur et sa fonction : (1) l’aubier (zone de couleur blanche qui réagit au contact d’une solution d’iodure de potassium et d’iode- Iodine), (2) le duramen (zone de couleur blanche ou coloré qui ne réagit pas au contact d’une solution d’iodure de potassium et d’iode, ni colorée), et (3) le bois coloré (zone de couleur foncée causée par une blessure).udLe principal objectif de cette étude était de comprendre, grâce à une approche par modélisation empirique, comment les proportions de ces différentes composantes varient d’une tige à l’autre. Le but de la modélisation était de (1) prédire la forme et la taille des colonnes de coloration de même que le volume de bois clair (blanc) dans un arbre en employant des renseignements sur l’arbre, le peuplement et le site; et de (2) recommander une technique sylvicole appropriée visant à minimiser la coloration. Des échantillons destructifs prélevés sur 109 arbres provenant de 3 sites du sud-est du Québec ont été analysés. Chacun des arbres a été classé selon la classification MSCR (vigueur) et la classification ABCD (qualité du tronc). Les caractéristiques des arbres sur pied et du peuplement ont été déterminées avant l’abattage des arbres-échantillons. Une fois la coupe réalisée, la taille et l’emplacement des principales branches ont été mesurés. Le point d’union entre le tronc et la plus grosse branche était considéré comme une fourche, et la hauteur mesurée du sol à la fourche était définie comme la hauteur de la fourche. Des échantillons de feuillage ont été prélevés sur chaque arbre-échantillonné en utilisant une technique d’échantillonnage aléatoire. Ces échantillons ont par la suite été transportés dans un laboratoire afin d’en déterminer la surface foliaire individuelle précise afin d’estimer la surface foliaire de l’arbre.udDes rondelles ont été prélevées à la hauteur de la souche (0,30 m), à la hauteur de la poitrine (1,3 m) et à chaque 2 mètres d’intervalle le long du fût principal jusqu’à la base de la couronne. Par la suite, l’aubier a été délimité en appliquant une solution d’iodure de potassium et d’iode à 2,5 % sur la rondelle fraîchement coupée. Les rondelles ont été transportées au laboratoire, où les composantes claires et colorées de l’aubier ont été mesurées dans huit directions radiales. Le volume de chaque compartiment (coloré et clair) a ensuite été calculé en utilisant la formule de Smalian. De plus, après avoir poncé les rondelles prélevées à 1.3 m avec du papier abrasif (grains de 80 et 120), le nombre et la largeur de chaque cerne annuel ont été comptés et mesurés dans deux directions radiales perpendiculaires en utilisant le logiciel OSM 3.65b (SCIEM). Les mesures recueillies ont permis de déterminer l’âge et de calculer la croissance radiale et basale annuelle moyenne à hauteur de la poitrine. Trois caractéristiques associées à la taille et à l’étendue de la coloration ont été analysées afin de comprendre la variation de la proportion de bois coloré (chapitre II). Il a été démontré que la proportion de bois coloré augmente lorsque le volume d’aubier diminue et que l’âge de l’arbre augmente.udLes arbres plus jeunes ont une proportion beaucoup moins grande de bois coloré. Le volume de bois coloré augmente rapidement avec le diamètre de l’arbre et variait entre les sites. Le troisième facteur important affectant le niveau de coloration du bois était la vigueur de l’arbre, obtenu avec les caractéristiques de la couronne et le taux de croissance. Ensuite, la coloration a été liée à la formation du duramen (chapitre III). Cette dernière augmente avec la hauteur, l’âge, et la taille de la couronne de l’arbre, mais diminue lorsque le rapport de la surface foliaire sur la surface terrière augmente. De manière générale, la proportion de duramen coloré augmente avec le taux de formation du duramen. Toutefois, pour les arbres classés visuellement comme étant vigoureux, la proportion de duramen coloré semble diminuer lorsque le taux de formation de duramen augmente. Ceci démontre qu’une augmentation de la proportion du bois coloré est associée à la taille et à l’âge de l’arbre, et peut être due à une plus grande probabilité d’être affecté par des maladies et/ou être blessé chez les arbres plus vieux ou plus gros, et par conséquent à un déclin de la vigueur de l’arbre. Finalement, les effets de la compétition inter-arbre sur la qualité du bois de l’érable à sucre ont été évalués (chapitre IV). La compétition influence la taille de la couronne et ainsi, les propriétés du tronc. Les arbres sous une faible compétition présentent de plus grosses couronnes, ce qui réduit la hauteur de la fourche et le coefficient de forme du tronc.udLa proportion de bois clair augmente toutefois dans les arbres ayant une couronne plus grande. Ces résultats démontrent la possibilité d’améliorer la qualité du bois en apportant de légères modifications aux traitements sylvicoles employés dans l’aménagement des érablières à sucre. Les résultats de notre étude indiquent que les pratiques sylvicoles actuelles au Québec consistant en un système coupe de jardinage par pied d'arbre permettent de minimiser la proportion de bois coloré dans les tiges résiduelles. Dans ce système, les arbres de catégorie M et S du système de classification MSCR sont récoltés et les arbres vigoureux et en santé (catégorie R) sont conservés. Il faut toutefois aussi considérer la qualité du bois lors de l’établissement des prescriptions sylvicoles. La taille de la couronne et une hauteur de fourche faible, qui représentent les caractéristiques principales des arbres croissant dans de faibles niveaux de compétition, sont positivement corrélées à la proportion de bois clair et négativement corrélées à la longueur de fût de l’arbre et au coefficient de forme. Dans les trouées causées par la coupe de jardinage par pied d’arbre, il est suggéré de conserver une densité de régénération forte jusqu’à ce que la longueur de fût désirée soit atteinte. Par la suite, les tiges vigoureuses de bonne qualité doivent être sélectionnées et dégagées dans le but de faciliter la croissance en diamètre.udLa croissance rapide qui se produit après le dégagement accélère l’occlusion des branches mortes. Les futures tiges récoltées devraient ainsi avoir des fûts plus longs et exempts de branches, et auront une proportion moins élevée de coloration, ce qui augmentera leur valeur marchande. -- ABSTRACT: Sugar maple, Acer saccharum Marshall, is an important tree species of the northern tolerant hardwood forests in North America. Stem quality of these tolerant hardwood forests was reduced due to past high grading and diameter limit cutting. Poor grade trees of low vigour with several injuries do not only have lower growth but also contain larger proportion of decay and discolouration. For sugar maple, the increase in the proportion of discoloured wood reduces timber value as the pale white coloured wood is sought for highly valuable appearance products. Although partial harvesting system in which lower quality trees are removed is found to increase growth and value of the residual trees, residual tree structure development after partial cut and its functional-structural relationship to sapwood, physiological heartwood and discoloured wood components are not yet well understood. Wood xylem in a sugar maple tree can be categorised as three different components of wood viz. (1) sapwood (white coloured wood zone stained with 2.5% potassium iodide iodine (IKI) solution), (2) physiological heartwood (wood zone that is not stained with IKI solution) and (3) discoloured wood (dark coloured wood zone formed due to physiochemical response to injury) according to their colour and function. The main objective of this study was to understand how proportions of these three wood components vary within and among trees growing at different sites through an empirical modeling approach. The aim of the modeling was to (1) predict shape and size of discoloured wood column as well as predict amount of clear wood volume (white coloured wood) in a given size tree using tree, stand and site level information; and (2) recommend appropriate silvicultural technique to minimize discolouration in sugar maple trees.udA destructive sample of 109 trees composed of a combination of tree vigour class (MSCR) and stem quality class (ABCD) from three sites of south eastern Quebec was used for analysis. Tree and stand characteristics were determined before felling the trees. Once the trees were felled, size and location of all primary branches were also measured. Foliage samples were collected applying a randomized branch sampling design and transported to the laboratory for determination of leaf area per unit leaf mass. The branch union point between the main stem and the largest branch was considered as a fork, and height from ground to the fork was defined as fork height. Disks were collected at stump height (0.30 m), at breast height (1.3 m), and then at each 2-m interval below the crown base. The sapwood was delineated applying a 2.5% IKI solution on the fresh disk. The stem disks were transported to the laboratory, where sapwood, heartwood and discoloured wood components were measured in eight radial directions. The volume of each compartment (e.g. coloured and discoloured) was then calculated using Smalian’s formula (Loetsch et al. 1973). In addition, after the disks were sanded with 80 and 120 grit sanding paper, the number and width of each annual growth ring were counted and measured in two radial perpendicular directions using the OSM 3.65b Software (SCIEM).udThis information was then used to determine the age and calculate the mean annual radial and basal area growth at breast height. At first, tree characteristics that are associated to size and extent of the discoloured wood column was analyzed to understand how discoloured wood proportion varies among different sized trees of a given site (chapter II). It was found that the proportion of discoloured wood increased with decreasing sapwood volume and increasing tree age. Younger trees showed a significantly lower proportion of discoloured wood volume. Discoloured wood volume increased disproportionately with tree diameter, while varying among sites. The third important factor affecting the amount of discolored wood was tree vigour as measured by crown characteristics and growth rate. Then, whether heartwood formation enhances discoloured wood proportion was assessed (chapter III). Heartwood formation increased with tree height, age, crown size but decreased with increasing leaf area to stem basal area ratio. Generally, the proportion of discoloured heartwood increased with increasing rate of heartwood formation. However, for trees visually classed as vigorous, the proportion of discoloured heartwood tended to decline with increasing rate of heartwood formation. This indicates that size/age related increase in discoloured wood proportion in sugar maple is possibly due to increasing likelihood of disease and injuries with increasing tree age or size and subsequent tree vigour decline.udFinally, effects of inter-tree competition on sugar maple wood quality attributes were assessed (chapter IV). Competition influenced crown size and thereby stems properties. Trees with low competition were found to have larger crowns that reduced log length and stem form factor. However, clear wood proportion was found to increase with increasing crown size. These results demonstrate how silviculture can influence wood quality. To minimize discoloured wood proportion in residual trees, the findings of this study support the current Quebec practice of implementing single tree selection system. This consists in harvesting M and S grade trees of MSCR classification system, and healthy and vigorous trees (R class of MSCR) are retained. However, it is important to apply silvicultural prescriptions cautiously while tending tolerant hardwood stands for high quality woods. Crown size and low fork height, the general characteristics of trees growing in lower levels of competition, are positively correlated to clear wood proportion and negatively correlated to bole length and stem form factor. Therefore, in gaps of single tree selection cut, it is suggested to maintain a dense cohort of regeneration until desired clear-bole length is achieved. Then vigorously growing good quality stems must be selected as crop trees and released to promote diameter growth. The vigorous growth after release helps occlusion of dead branch stubs faster (Dănescu et al. 2015). Future crop will thus have longer branch-free bole that contains less proportion of discolouration, which is highly desired for veneer and sawlog quality wood. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Sugar maple, Wood discolouration, Heartwood formation, Wood quality, Quebec.