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La productivité, définie comme l’accroissement annuel en volume ou en biomasse d’un peuplement forestier, est le meilleur indicateur de sa vitalité, dont dépendent directement nombre de processus, biens et services. L’analyse de la productivité, omniprésente en sciences forestières, passe par son estimation, ce qui pose des questions méthodologiques importantes.Une question centrale de mes travaux de recherche a porté sur l’amélioration des estimations de productivité à différentes échelles spatiales et temporelles, et l’approfondissement de la compréhension des effets du climat et de la gestion sur la productivité des forêts. La croissance radiale des arbres est un des éléments les mieux étudiés et décrits dans la littérature, mais qui n’est qu’assez indirectement lié à la productivité lorsque celle-ci est exprimée en termes de biomasse ou de quantités de carbone fixés par unités de temps et de surface. Mes travaux ont montré que la raison de la perte de proportionnalité entre croissance radiale et productivité se structure en plusieurs termes : le manque de proportionnalité entre la croissance secondaire et la croissance primaire, le découplage existant entre croissance individuelle et production totale dans des communautés végétales fermées, le découplage entre la croissance radiale et la variation de la densité du bois, enfin l’échantillonnage, qui renvoie directement aux questions typiques des programmes d’inventaire forestier nationaux et qui tient donc à un axe de recherche spécifique. Tous ces mécanismes convergent vers une surestimation des fluctuations de la productivité.Sur cette base de connaissances, les travaux proposés dans mon projet s’organisent autour de deux axes : un axe portant sur l’amélioration de la quantification de la productivité, incluant une intégration des progrès dans les méthodes d’inventaire forestier national, et un axe portant sur l’analyse à très grande échelle de la productivité et de sa relation au climat, à la gestion.L’axe d’amélioration des estimations se justifie par le fait que pratiquement toutes les estimations de volume et de biomasse font appel à des modèles de biomasse ou de volume. Mais les erreurs de prédiction des modèles ont une amplitude représentant environ 10 à 40% de l’estimation elle-même. Toute amélioration des modèles offrirait donc un gain appréciable sur les prédictions. La multiplicité des sources de variation de l’allométrie impose l’utilisation de formes de modèles assez souples pour les absorber, et dont le développement est déjà en cours. L’estimation de la productivité nécessite d’utiliser en différentiel des modèles ajustés sur des données statiques. La dynamique de l’allocation aux compartiments aériens boisés n’est pas assez documentée pour être prise en compte, mais pourrait s’avérer importante quantitativement et apporter des connaissances sur le comportement et la réaction des essences aux stress.Concernant le deuxième axe, les objectifs sont de quantifier la réponse de la productivité des forêts aux évènements météorologiques à l’échelle de la ressource, en approfondissant la prise en compte de l’autocorrélation temporelle dans les estimations de productivité, et en abordant la problématique de la résistance aux évènements extrêmes. Les interactions avec la gestion seront analysées en se basant sur les progrès méthodologiques et se concentrant sur les changements de l’allométrie des couronnes et de leur intrication spatiale.De nombreuses études récentes montrent une augmentation globale de la productivité des forêts. Déterminer la part du forçage climatique et des effets de la gestion sont des objectifs déterminants des défis futurs que sont la transition climatique, et au plan de la gestion, l’antagonisme entre écologie politique, conservation de la nature et bioéconomie.

International audience; National Forest Inventories (NFIs) play an important role in understanding the state of forests at thenational and regional levels. Forest inventory for small territorial areas, such as municipalities, is alsoimportant for decision-makers. However, information is relatively limited at this level. As a result,developing small area estimation (SAE) approaches has gained increasing popularity in the field offorest inventory. It enables prediction of forest attributes for sub-populations using regression modelsbased on auxiliary data commonly derived from remote sensing techniques over an area of interest (AOI).It has been reported that SAE can improve the precision of forest inventory without increasing costs(Mandallaz, Breschan and Hill 2013) and may produce reliable predictions of forest attributes locally,even when field plots are not available (Rao 2014).Tomppo (2006) is a pioneer in the use of auxiliary data for multi-source forest inventory. Previously,common sources of auxiliary data often came from satellite-based imagery (McRoberts et al. 2007),digital aerial photogrammetry (Breidenbach et al. 2018), and airborne laser scanning (Magnussen et al.2014). NASA’s newly-launched Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI) is a full waveformLiDAR instrument aboard the International Space Station (ISS). Its products consist of footprintmeasurements projected to cover 4% of the global land surface by the end of its mission (Dubayah et al.2020). This will provide an unprecedented opportunity to systematically collect samples of forestinformation that can be used in SAE on a large scale.The objective of this study is to explore the possibility of using GEDI auxiliary data to improve theaccuracy of forest inventory for a large natural area in central France (Sologne), as well as for smallersub-areas defined by French administrative boundaries (departments). The results will then be comparedagainst estimates obtained from simple random sampling (SRS), to assess the efficiency of the auxiliarydata.

Ce document présente les éléments principaux de l’échantillonnage et les méthodes d’estimation mises en œuvre dans l’Inventaire Forestier National (IFN) depuis sa réforme en 2004, à l’origine de la « nouvelle méthode d’inventaire ».Il reconstitue le raisonnement logique permettant d’aboutir aux estimateurs statistiques implémentés depuis 2005 et représente ainsi un effort de formalisation conforme à la théorie des sondages. L'enquête IFN est très complexe car à la fois spatiale, temporelle, portant sur une population dynamique et ayant de très nombreux attributs à évaluer simultanément. Elle a donc déployé des méthodes d'échantillonnage et d'estimation spécifiques et originales, essentiellement basées sur un échantillonnage en deux phases et l'emploi poussé de la post-stratification.

Ce document présente les éléments principaux de l’échantillonnage et les méthodes d’estimation mises en œuvre dans l’Inventaire Forestier National (IFN) depuis sa réforme en 2004, à l’origine de la « nouvelle méthode d’inventaire ».Il reconstitue le raisonnement logique permettant d’aboutir aux estimateurs statistiques implémentés depuis 2005 et représente ainsi un effort de formalisation conforme à la théorie des sondages. L'enquête IFN est très complexe car à la fois spatiale, temporelle, portant sur une population dynamique et ayant de très nombreux attributs à évaluer simultanément. Elle a donc déployé des méthodes d'échantillonnage et d'estimation spécifiques et originales, essentiellement basées sur un échantillonnage en deux phases et l'emploi poussé de la post-stratification.

International audience; Scientific knowledge in the field of ecology is increasingly enriched by data acquired by the general public participating in citizen science (CS) programs. Yet, doubts remain about the reliability of such data, in particular when acquired by schoolchildren. We built upon an ongoing CS program, Oak Bodyguards, to assess the ability of schoolchildren to accurately estimate the strength of biotic interactions in terrestrial ecosystems. We used standardized protocols to estimate attack rates on artificial caterpillars and insect herbivory on oak leaves. We compared estimates made by schoolchildren with estimates made by professional scientists who had been trained in predation and herbivory assessments (henceforth, trained scientists), and trained scientists' estimates with those made by professional scientists with or without expertise (untrained) in predation or herbivory assessment. Compared with trained scientists, both schoolchildren and untrained professional scientists overestimated attack rates, but assessments made by the latter were more consistent. Schoolchildren tended to overestimate insect herbivory, as did untrained professional scientists. Raw data acquired by schoolchildren participating in CS programs therefore require several quality checks by trained professional scientists before being used. However, such data are of no less value than data collected by untrained professional scientists. CS with schoolchildren can be a valuable tool for carrying out ecological research, provided that the data itself is acquired by professional scientists from material collected by citizens.

In the framework of sustainable forest management, measuring site quality and predicting site productivity remain a major forestry topic. Over the past years, it has been fostered by a number of site-growth modelling studies seeking to establish quantitative relationships between site index and explicit biophysical indicators. In addition, comparative modelling studies of site index and site productivity have highlighted limited accordance of their environmental determinism, questioning site index as a reliable indicator of site quality. Lastly, process-based modelling approaches have recently arisen as a means to predict site productivity over large regions. All these investigations have however drawn limited attention in recent syntheses. In this review, we provide an overview of the literature on these site-growth studies. Concepts and vocabulary related to site productivity are introduced. Taking regional studies as a baseline, we first highlight recent progress regarding the geographic areas encompassed, and the major role played by NFI programmes and spatialized environmental information. A trade-off between model accuracy and geographic extent is suggested, pointing out potential deficiencies in the modelling of site-growth associations, insufficient accuracy or resolution in climatic data, or uncontrolled factors in site-growth models that emerge on a higher spatial scale. Inappropriate use of biophysical classifications where environmental factors remain implicit is also emphasized. In a next step, we discuss early and most recent indications on weaknesses of the site index concept when applied over large regions, including its differential response to climate relative to site productivity, regional variations in site index curves, site index dependence on stand density and subsequently on regional silvicultural practices. The role of genetic structure of tree populations and its integration into site-growth studies is also reviewed and discussed. The interests, limits and recent advances of process-based models as an alternative to evaluate site productivity are considered, as they may overcome some of the previous limitations. We last draw challenges and perspectives on the issue. We suggest that the accuracy and the need of site index as a founding concept of forestry science is questioned, by building direct productivityenvironment relationships based on NFI databases as a realistic option at hand. We formulate perspectives regarding the accuracy, resolution and enlargement of environmental indicators currently used, the inclusion of information on genetic structure of tree populations in the context of adaptation to future climate change, as well as the use of site productivity models in forest management.

International audience

International audience; Stand harvesting and regeneration were usually considered to be a critical phase for the sustainability of forest soils. The present study concerned the effects on soil chemical fertility of the clear-cutting of a highly productive Douglas-fir stand aged 67 years that was clear-cut with no disturbance. Results showed that soil changes were rapid in the three-year period following the cutting. The forest floor mass considerably decreased and the mineral soil showed a limited but real acidification. Soil losses represented 4% of the available nutrients over a depth of 60 cm for N, 22% for K, 25% for Ca and 32% for Mg. Only P increased by 11%. Due to the spatial variability of forest soils, and despite regular re-sampling, confidence intervals were large and difficult to reduce. The reversibility of the effects of the clear-cutting and its consequences on soil functions depend on the element: it should not be a problem for C, N and K, which would recover when the biological cycle is re-established once again in the young stand. Phosphorus is not at issue since it changes form in the soil. The depletion of Ca, and to a lesser extent of Mg, is of some concern as a result of limited soil reserves, the limited flux of cations from the mineral changes in the soil, the relatively large part of Ca and Mg in the forest floor, and the negative input-output budgets for those elements. The duration of the impact of the clear-cutting on soil requires medium-term observations because it cannot be deduced from the current knowledge of this ecosystem.; La récolte des peuplements est une phase critique pour la durabilité des sols forestiers. Cette étude concerne les effets de la coupe à blanc d’un peuplement de Douglas de 67 ans, réalisée sans perturbation, sur la fertilité organo-minérale du sol. Les résultats montrent que l’évolution du sol est rapide dans la période de trois ans après la coupe. La couche organique décroît fortement et le sol minéral se désature et s’acidifie. Les pertes représentent 4 % des éléments disponibles du sol sur 60 cm pour N, 22 % pour K, 25 % pour Ca et 32 % pour Mg. Seul P augmente de 11 %. Cependant, la variabilité spatiale des sols forestiers et la technique de l’observatoire, par échantillonnages successifs, conduisent à des intervalles de confiance larges autour de ces valeurs, intervalles qui s’avèrent difficile à réduire. La réversibilité des modifications du sol dépend des éléments : elle ne devrait pas poser de problème pour C, N et K. P n’est pas en cause puisqu’il change de forme dans le sol mais aucune perte n’est notée. Les pertes de Ca voire de Mg sont les plus préoccupantes en raison des faibles réserves du sol, du flux limité de cations issu de l’altération des minéraux du sol, de la part relativement élevée des ces éléments dans les couches organiques, et de leur bilan entrées-sorties négatif. La durée de l’effet de la coupe à blanc nécessite des observations sur le moyen terme car elle ne peut pas être déduite des connaissances actuelles sur cet écosystème.

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