© Daniel Gouge, 2020
Intégration de la récolte de biomasse forestière comme
outil sylvicole dans les opérations forestières en forêt
boréale affectée par la tordeuse des bourgeons de
l'épinette
Mémoire
Daniel Gouge
Maîtrise en sciences forestières - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Intégration de la récolte de biomasse forestière comme outil
sylvicole dans les opérations forestières en forêt boréale
affectée par la tordeuse des bourgeons de l’épinette
Mémoire
Daniel Gouge
Sous la direction de :
Évelyne Thiffault, directrice de recherche
Nelson Thiffault, codirecteur de recherche
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Résumé
L’utilisation de la biomasse forestière comme source d’énergie est de plus en plus intéressante dans le contexte actuel de lutte contre les changements climatiques puisqu’elle permet de réduire la consommation d’énergie fossile. La récolte de biomasse peut varier sur plusieurs aspects tels que le volume de bois récolté, la source de biomasse et le contexte du territoire. Cette étude vise à déterminer l’effet de la récolte de biomasse sur l’établissement de la régénération ainsi que sur les besoins subséquents en préparation de terrain dans les forêts affectées par la tordeuse des bourgeons de l’épinette; les retombées en termes de coûts et d’émissions de carbone sont aussi analysées. Le secteur d’étude fait partie du domaine bioclimatique de la pessière à mousses de la région de la Côte-Nord, Québec, Canada et se situe à 25 km au nord de la ville de Port-Cartier. Pour établir le dispositif, la récolte de biomasse a été effectuée durant les années 2018 et 2019 dans certaines aires de coupe totale de peuplements dominées par le sapin et l’épinette noire. Des parcelles échantillons ont été disposées aléatoirement dans des aires de coupe avec récolte de biomasse et des aires témoin (sans récolte de biomasse) pour y évaluer: la qualité de la régénération, la quantité de microsites propices à la régénération, le recouvrement de la compétition, la quantité de débris ligneux au sol et le type de substrat. Les données de coûts d’opération pour la collecte et le transport de la biomasse étaient fournies grâce à une collaboration avec l’industriel Rémabec. Nos résultats suggèrent que la récolte de biomasse augmente la densité de régénération et la quantité de microsites propices à la régénération. Nous avons aussi observé que la récolte de bois résiduel permettait de réduire les coûts de remise en production des sites de coupe d’environ 282.07 $CA ha-1, ce qui équivaut à 14.45 $CA par tonne métrique anhydre de
biomasse récoltée. De plus, lorsque combiné à la préparation de terrain et à la plantation, un scénario incluant la récolte d’environ 45% du volume de débris ligneux pour la production de bioénergie entrainait la séquestration de carbone cumulative la plus élevée sur une période de 100 ans par rapport à tout autre scénario sans récolte de biomasse. Cette étude suggère que l’intégration de la récolte de biomasse comme outil sylvicole a un potentiel économique et écologique important. La bioénergie peut jouer un rôle clé pour la transition énergétique vers des énergies renouvelables, la mise en valeur des résidus forestiers et la lutte contre les changements climatiques.
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Table des matières
Résumé ... ii
Table des matières ... iii
Liste des Tableaux... v
Liste des figures ... vi
Liste des abréviations, sigles, acronymes... vii
Remerciements ... viii
Avant-propos ... ix
Introduction générale ... 1
Contexte, problématique et état des connaissances ... 1
Bioénergie et biomasse ... 1
Bioénergie dans le monde ... 1
Portrait du développement de la bioénergie au Québec ... 3
Bois affectés par la tordeuse des bourgeons de l’épinette et autres bois sans preneurs ... 4
Microsite ... 6
Préparation de terrain... 7
Objectifs et hypothèses ... 8
Chapitre 1: Biomass procurement affects regeneration and site preparation needs in boreal forests affected by spruce budworm ... 10 Résumé ... 10 Abstract ... 10 Introduction ... 11 Methodology ... 15 Study region ... 15
Experimental design and treatments ... 16
iv
Statistical analyses ... 20
Financial analysis ... 20
Carbon balance analysis ... 22
Results ... 25
Woody debris, regeneration and plantation microsites ... 25
Site preparation needs ... 26
Site preparation according to biomass volume ... 27
Supply costs... 28
Cumulative carbon balance ... 29
Discussion ... 32
Regeneration and site preparation ... 32
Prediction of cost savings ... 33
Financial analysis ... 33 Carbon balance ... 34 Limits ... 35 Conclusion ... 35 Aknowledgements ... 37 Conclusion générale ... 38
Retour sur les hypothèses et objectifs ... 38
Retour sur le contexte et les limites du projet ... 39
Implication et recherches futures ... 40
Bibliographie ... 42
Appendix 1: Regional standards for site preparation in Côte-Nord region... 46
v
Liste des Tableaux
Table 1 : Proportion of commercial species within the study area ... 16 Table 2 : Average height, decay and volume of commercial stands within the study area ... 16 Table 3 : Standards used to identify a suitable microsite for plantation. ... 19 Table 4 : Silviculture costs used for financial analyses (data from regional companies and Bureau de mise en
marché des bois 2019). ... 21
Table 5 : Forest operation costs used for the financial analysis (data from regional companies and Groupe
DDM 2016). ... 21
Table 6 : Comparison of average regeneration and plantation microsite stocking observed in cutblocks with
and without biomass procurement. ... 25
Table 7 : Summary of minimum, maximum, median and mean of site preparation costs (CAD ha-1). ... 26
vi
Liste des figures
Figure 1 : Répartition mondiale du volume de bois produit pour la bioénergie en fonction du top 10 des pays
en produisant le plus dans le monde (Adaptée de Bharadwaj, 2017). ... 2
Figure 2 : Répartition mondiale du volume de bois produit en 2015 pour la bioénergie en fonction des
continents (Adaptée de Bharadwaj, 2017). ... 2
Figure 3 : Peuplement de sapin baumier défolié suite à une épidémie sévère de tordeuse des bourgeons de
l’épinette (MFFP, 2018). ... 4
Figure 4 : Chenille et papillon de tordeuse des bourgeons de l’épinette (Ressources naturelles Canada,
2013). ... 5
Figure 5 : A forest stand from northeastern Canada affected by a severe spruce budworm epidemic (photo
by D. Gouge, 2019). ... 12
Figure 6 : Location of study site and sample plots (map from Google Earth Pro V-7.3). ... 17 Figure 7 : Representation of a sampling plot. Each circular sampling plots had two orthogonal transects for
coarse woody debris (CWD) and small woody debris (SWD) assessment. Circular microplots of 5 m2 used for
regeneration and microsite assessments are represented by red circles. A buffer of 10 m from any roads or unharvested stands was applied to avoid border effects. ... 18
Figure 8 : Site preparation costs according to a) the volume of harvested forest biomass and b) residual forest
biomass. The grey area represents the 95% confidence interval... 27
Figure 9 : Cumulative carbon balance for a period of 100 years in four different scenarios and two different
woody debris decay speed. Positive values on Y axis represent GHG emission and negative values represent GHG sequestration. This prediction does not include energy production emissions. ... 29
Figure 10 : GHG balance for a period of 100 years in different energy production scenarios and two different
woody debris decay speed. Positive values on Y axis represent GHG emission and negative values represent GHG sequestration. This prediction includes energy production and use emissions. ... 30
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Liste des abréviations, sigles, acronymes
CAD: Canadian Dollar $CA: Dollar canadien
CO2-eq: Dioxyde de carbone équivalent
CWD: Coarse woody debris DLF: Débris ligneux fins DLG: Débris ligneux grossiers GJ: Gigajoules (109)
MFFP: Ministère des forêts de la faune et des parcs Mg: Méga grammes
MJ: Mégajoules (106)
odmt: Oven-dry metric tonne SWD: Small woody debris
TBE: Tordeuse des bourgeons de l’épinette tma: Tonne métrique anhydre
USD: United-States Dollar WT: Wet tonne
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Remerciements
En premier lieu, je tiens à remercier Évelyne Thiffault et Nelson Thiffault, directrice et codirecteur de ce grand projet de maîtrise. C’est grâce à vos efforts et à votre soutien que j’ai pu mener à bien ce projet qui me correspondait beaucoup. Votre accueil chaleureux dans l’équipe biomasse, vôtre bonne humeur et la confiance mutuelle que nous avons partagée ont été des éléments clé pour la réussite de ce projet.
Je remercie aussi Claudie-Maude Canuel et Mathieu Béland pour leur aide sur le terrain et pour le soutien dans mes statistiques et ma compilation de données. Nos diverses discussions m’ont fait beaucoup réfléchir et m’ont donné plusieurs bonnes idées dans la réalisation de mon projet.
Je tiens aussi à remercier mes partenaires de Rémabec dont Denis Villeneuve et Éric Harvey qui ont supervisé les opérations forestières essentielles au projet. Nos rencontres et visites sur le terrain ont pu me guider à chaque fois qu’il y avait ambiguïté. Vous avez su répondre à mes nombreuses questions en plus de me fournir plusieurs données qui ont été cruciales dans mes analyses de données. Sans votre collaboration, ce projet n’aurait jamais pu se réaliser.
Je témoigne aussi ma gratitude à Marius Legendre ainsi qu’à Michel Fortin qui m’ont tous les deux appris des notions importantes à propos de la préparation de terrain en forêt sur la Côte-Nord.
Un petit remerciement spécial à mes amis et à Ann-Julie Lévesque, qui furent des sources de motivation et d’inspiration lors de mon parcours à la maîtrise.
Pour terminer, j’aimerais remercier la fondation FK Morrow, l’Université Laval, et le Centre de foresterie des Laurentides pour leur soutien divers à plusieurs moments du déroulement de ce projet.
ix
Avant-propos
Ce mémoire a été rédigé sous forme d’article et contient trois sections. En premier lieu, l’introduction générale rédigée en français porte sur le contexte général du projet et l’état de connaissances du sujet. La deuxième section de ce mémoire contient l’article scientifique rédigé en anglais. La troisième section rédigée en français porte sur la conclusion générale dans laquelle les principaux résultats sont résumés, et les questionnements subséquents à l’étude sont soulevés. L’article sera soumis pour publication avant la fin de l’été 2020. Afin de visualiser directement sur le terrain les effets de la récolte de biomasse sur la régénération et les microsites, j’ai planifié et réalisé la collecte de données, accompagné d’assistants terrain. J’ai ensuite analysé les données et rédigé le présent mémoire. Pour ce faire, je serai l’auteur principal de ce mémoire. Tout au long de ce projet, j’ai été dirigé par Évelyne Thiffault qui m’a orienté sur la connaissance de mon sujet, les objectifs du projet et les méthodes de calcul pour l’analyse financière. Une aide précieuse m’a aussi été offerte par Nelson Thiffault, mon codirecteur, qui m’a orienté dans mon inventaire forestier, mes analyses statistiques et la rédaction de mon article. Tous les deux ont participé au processus de révision de l’article. Évelyne Thiffault et Nelson Thiffault seront donc deuxième et troisième auteurs de cet article.
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Introduction générale
Contexte, problématique et état des connaissances
Les changements climatiques engendrés par l’effet de serre d’origine humaine constituent une préoccupation de plus en plus importante dans le monde dû à leurs nombreux effets négatifs sur les écosystèmes. La consommation de combustibles fossiles constituerait la source principale d’émissions de gaz à effet de serre (GES) d’origine humaine, dont le CO2 qui présente une concentration atmosphérique atteignant 416.18 ppm en
2020 (US Department of Commerce 2020; Lindsey 2020). Selon le groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC), l’objectif mondial serait de stabiliser la concentration en CO2-eq à environ 450 ppm
d’ici 2050 (IPCC 2014). Parmi les solutions possibles pour limiter cette concentration croissante, l’utilisation d’énergies renouvelables, en remplacement des énergies fossiles, serait l’une des principales solutions (IPCC 2014). Cela explique en partie l’intérêt de développer la bioénergie afin de réduire la consommation de combustibles et carburants fossiles.
Bioénergie et biomasse
La biomasse dédiée à la bioénergie est constituée de matière organique (MO) dont la source provient de résidus issus des forêts, de l’agriculture et de l’élevage, ainsi que de cultures forestières et énergétiques dédiées et de déchets organiques (IPCC 2011).
La bioénergie est une énergie qui est produite à partir de biomasse. La biomasse peut permettre de produire de l’énergie électrique, thermique ou des combustibles et carburants gazeux, liquides ou solides (IPCC 2011). Plus spécifiquement, au Québec, les usines produisant de la bioénergie sont classées en deux catégories : les usines de combustibles et de cogénération (Salmon 2018). Les usines de cogénération produisent de l’énergie thermique ou électrique tandis que les usines de combustibles produisent principalement des granulés, du charbon de bois ou encore des buches de fibre de bois densifiée (Salmon 2018).
Bioénergie dans le monde
La biomasse est la source d’énergie renouvelable la plus utilisée dans le monde (Bharadwaj 2017). Cette biomasse provient majoritairement du secteur forestier qui fournit plus de 87 % de la matière première utilisée pour la bioénergie (Bharadwaj 2017). En 2015, un total de 1 866 millions de mètres cubes de bois a été produit dans le monde pour servir de matière première de base pour générer de la bioénergie (Bharadwaj 2017). Ce volume ne cesse d’augmenter depuis les années 2000. D’après les statistiques de 2015, l’Asie et l’Afrique sont les continents qui produisent le plus de bois pour la bioénergie. Effectivement, tel qu’illustré dans la figure 1, ces
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deux continents produisent plus de 75 % du volume de bois utilisé en bioénergie sur la planète. Les Amériques quant à elles ont moins de 17 % de la production mondiale.
À l’échelle du pays, l’Inde et la Chine ont une production de bois annuelle pour la bioénergie largement supérieure à l’ensemble des autres pays malgré une importante diminution en Chine de 2000 à 2015 (Bharadwaj 2017). Il est aussi intéressant de constater en analysant les figures 1 et 2 que dans les Amériques, les plus grands contributeurs en production de bois pour la bioénergie sont le Brésil et les États-Unis. Le Canada ne
Figure 2 : Répartition mondiale du volume de bois
produit en 2015 pour la bioénergie en fonction des continents (Adaptée de Bharadwaj, 2017).
Figure 1 :Répartition mondiale du volume de bois produit pour la bioénergie en fonction du top 10 des pays en produisant le plus dans le monde (Adaptée de Bharadwaj, 2017). 0 50 100 150 200 250 300 350 P ro duc ti o n de bo is po ur la bi o éner gi e (m ill io n de m 3) 2015 2000
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figure pas parmi ceux-ci. Cependant, il est présentement le septième plus grand producteur d’électricité à partir de biomasse avec un total de 5,36 TWh en 2017 (Bharadwaj 2017). D’un autre côté, il faut aussi noter que ces statistiques incluent la biomasse dite traditionnelle, utilisée pour la cuisson des aliments et le chauffage de bâtiments principalement dans les pays en voie de développement. En 2017, la majorité du volume de biomasse ligneuse était utilisée pour la bioénergie traditionnelle dans le monde (IRENA 2013; WBA 2019). Cela signifie qu’encore aujourd’hui, il est très probable que l’utilisation de la biomasse ligneuse soie majoritairement effectuée de manière peu efficace et avec des conséquences pour la santé humaine. Le GIEC préconise de remplacer la biomasse traditionnelle par celle définie comme moderne, basée sur des systèmes de conversion à plus haute efficacité (Chum et al. 2012).
Portrait du développement de la bioénergie au Québec
D’après le dernier portrait statistique des ressources et industries forestières du Québec, le nombre d’usines dans le secteur de la bioénergie a légèrement augmenté entre 2008 et 2017, passant de 25 à 29 (Salmon 2018). Parmi ces 29 usines, 16 se spécialisent dans la production de combustibles et 13 se spécialisent dans la cogénération. D’ailleurs, trois des plus grands industriels québécois produisent de l’énergie à partir de biomasse forestière par cogénération (énergie thermique ou électrique) : Domtar, Produits forestiers Résolu et Kruger Énergie (Ministère de l’Économie et de l’Innovation 2018). Au total, la production de produits énergétiques à base de biomasse forestière tels que la granule, le charbon de bois et les copeaux énergétiques, est passée de 232 216 tonnes métriques anhydres (tma) à 397 473 tma en 2017 (Salmon 2018).
Le gouvernement du Québec fournit présentement des subventions allant jusqu’à 75% pour les projets de bioénergie (Ministère de l’Économie et de l’Innovation 2018). Ces subventions peuvent être fournies grâce à deux programmes d’aide. Le premier est le programme Écoperformance, qui vise à financer tout projet permettant de réduire les émissions de GES. Le deuxième est le Programme de biomasse forestière résiduelle, qui vise plus spécifiquement à réduire les émissions de GES et la consommation de combustibles fossiles en finançant des projets de conversion énergétique à la biomasse.
4
Bois affectés par la tordeuse des bourgeons de l’épinette et autres
bois sans preneurs
Par ailleurs, à une échelle plus régionale, d’autres éléments soulèvent un besoin de recherche sur la bioénergie. Notamment, les forêts aménagées de l’Est du Canada, incluant la région de la Côte-Nord, au nord-est du Québec, font présentement face à une épidémie sévère (figure 3) de tordeuse des bourgeons d’épinette (TBE; Choristoneura fumiferana (Clemens)). La TBE est le principal insecte ravageur du sapin et de l’épinette de la forêt boréale de l’est de l’Amérique du Nord (MFFP 2018). En ordre de préférence, la TBE s’attaque au feuillage du sapin baumier (Abies balsamea (L.) Mill.), de l’épinette blanche (Picea glauca (Moench) Voss) et finalement de l’épinette noire (Picea mariana (Mill.) B.S.P.), lorsque la nourriture se fait plus rare.
Figure 3 : Peuplement de sapin baumier défolié suite à une épidémie sévère de tordeuse
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Dès le déploiement du feuillage de l’année en cours, les chenilles (figure 4) vont former un abri de soie et de vieilles aiguilles autour de ce nouveau feuillage. Elles vont s’y nourrir durant l’ensemble de leurs stades larvaires (Maily et al. 2013). Si la pousse annuelle ne suffit pas à leurs besoins alimentaires dans leurs derniers stades larvaires, les chenilles vont se diriger vers les aiguilles des années antérieures. En période d’épidémie, la TBE peut avoir des effets spectaculaires sur la dégradation des arbres sur pied. D’après une étude sur l’épidémie qui a eu lieu de 1968 à 1979, la réduction de croissance du sapin baumier associée à une défoliation sévère a été en moyenne de 50% pour une période de 10 ans ; de plus, une mortalité de l’ordre de 55% du volume potentiel a été observée pour cette même période (Archambault et Beaulieu 1985). En somme, une défoliation répétée plusieurs années de suite entraîne des pertes de volume marchand importantes. Il s’ensuit donc une dégradation importante du bois disponible à la récolte dans les forêts touchées, dont celle de la Côte-Nord, une région dont l’économie repose en partie sur l’industrie de la transformation du bois.
Par ailleurs, les forêts de la Côte-Nord contiennent aussi certaines essences de feuillus intolérants comme le peuplier faux-tremble (Populus tremuloides (Michx.)) et le bouleau blanc (Betula papyrifera (Marshall)) qui sont peu convoitées sur le marché du bois de la région. En somme, d’importants volumes de bois sont inutilisés et laissés en forêt pour des raisons d’absence de marché et de dégradation de la fibre de bois. De plus, en s’intéressant davantage à la région de la ville de Port-Cartier, une grande proportion du volume de bois acheminé à l’usine de sciage Arbec est transformée en résidus à la fin de la chaine de production (sciures, rabotures, copeaux). Pour remédier aux problèmes de perte de bois, le groupe Remabec, Arbec et le fournisseur de technologie Ensyn ont collaboré pour lancer un projet de construction d’une usine destinée à la production de biocarburant comparable au mazout, fabriqué à partir de biomasse forestière. C’est ainsi qu’est née l’usine de Bioénergie AE, située à Port-Cartier. Le projet Bioénergie AE a été achevé en 2017 et prévoit une production d’environ 40 millions de litres de mazout renouvelable par année (Groupe Remabec, 2018).
Figure 4 : Chenille et papillon de tordeuse des
bourgeons de l’épinette (Ressources naturelles Canada, 2013).
6
Un enjeu important par rapport à cette usine de bioénergie est le manque de connaissance sur la rentabilité de l’approvisionnement en biomasse forestière. Certaines expériences passées ont montré que la récolte de biomasse sur les parterres de coupe peut parfois être difficile à rentabiliser (Barrette et al. 2017). Cependant, les effets sur les coûts de préparation de terrain suite à une récolte de biomasse n’ont pas été étudiés dans le contexte des forêts boréales. En effet, le fait de récolter de la biomasse sur un parterre de coupe pourrait remplacer partiellement ou entièrement certains des traitements de préparation de terrain.
Présentement, la littérature scientifique suggère que l’intensité de récolte des différentes sources de biomasse laissées sur des parterres de coupe peut avoir des effets directs et indirects sur la régénération future et sur les coûts de récolte. L’encombrement causé par les débris ligneux laissés sur les parterres de coupe peut certainement avoir des effets négatifs sur la régénération, mais aussi certains effets positifs (Thiffault et al. 2011). C’est ce qui a été découvert dans une étude menée à Washington aux États-Unis dans des peuplements de sapin de douglas (Pseudotsuga menziesii var. menziesii) (Harrington et al. 2018). Cette étude a montré que la rétention de débris ligneux grossiers ne nuisait pas à la plantation de sapin de douglas, et avait même un effet positif sur la survie, la vigueur et la croissance des arbres plantés. D’un autre côté, la rétention de ces gros débris augmenterait le risque d’incendie sur une durée limitée à environ 5 ans (Harrington et al. 2018). Des études réalisées au Canada ont aussi suggéré que des débris en trop grande quantité auraient un effet négatif sur la survie de la régénération causée par la difficulté de plantation et la faible quantité de microsites propices (Fleming et al. 2006). De plus, ces débris ligneux peuvent causer une augmentation des coûts de préparation de terrain dans les forêts aménagées et une augmentation d’habitats pour des animaux endommageant les plants (Sullivan and Sullivan 2014). Les effets sur l’humidité et la température semblent tout aussi contradictoires puisque la rétention de débris tend à réduire la température du sol et augmenter la rétention d’eau (Trottier-Picard et al. 2014). Le rôle écologique des débris ligneux sur le microenvironnement de croissance des plants demeure dépendant des conditions du site (Trottier-Picard et al. 2014). Il apparait donc nécessaire d’explorer davantage la gestion des débris ligneux au sol comme outil sylvicole de préparation de terrain pour mieux contrôler la croissance de la régénération.
Microsite
Le microsite peut être défini comme l’environnement immédiat d’un jeune plant, autant dans le sol qu’à la surface du sol. Un microsite qui est jugé propice est un environnement dont les conditions permettent l’établissement, la survie et la croissance optimale d’un plant mis en terre (Méthot et al. 2014; Henneb et al. 2020). Plusieurs critères ont été établis pour identifier un microsite propice. Ceux-ci peuvent légèrement varier selon les auteurs, mais la plupart présentent un haut degré de similitude. Des adaptations régionales de la définition et de l’identification des microsites peuvent également être réalisées pour tenir compte de particularités des sites. Par exemple, certaines régions froides et montagnardes du Québec comme la Côte-Nord renferment une forte
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proportion de sols minces et des conditions qui peuvent être défavorables pour la mise en terre des plants. Pour cette région, les principaux critères qui sont considérés lors de la réalisation d’un l’inventaire des microsites sont d’avoir :
Une épaisseur d’humus inférieure ou égale à 5 cm. Il est à noter qu’une tolérance accrue est applicable si l’humus peut facilement être retiré avec la botte du planteur ;
Une quantité de lumière optimale pour le plant. Cela signifie que le plant sera exempt de végétation concurrente lors de la mise en terre ;
Un sol qui présente de bonnes conditions aérobies. Il ne doit donc pas y avoir de compactage élevé ou de potentiel d’accumulation d’eau ;
Un substrat exempt d’obstacle à la mise en terre et permettant le contacte des racines avec le sol minéral. Cela implique donc que les substrats purement organiques ne peuvent pas être propices à la régénération. Il en est de même pour les substrats décapés qui sont exempts de matière organique à plus de 1 m autour du microsite. De plus, les obstacles empêchant un microsite d’être propice sont les suivants :
• Les débris ligneux et souches ;
• Les affleurements rocheux et les blocs rocheux ; • Les dépressions sévères assujetties aux inondations.
Une couche de sol minéral d’épaisseur minimale de 15 cm (Fortin 2018). Les couches qui présentent un mélange d’humus et de minéral seront considérées dans cette mesure. La cible d’épaisseur optimale au Québec est d’avoir une couche de sol minéral d’environ 25 cm, mais cette cible est rarement atteinte dans les stations de till mince qui se retrouve sur le Bouclier canadien.
Ces critères ont été élaborés en utilisant des éléments provenant du Guide de l’évaluateur de qualité des plantations (Méthot et Auger 2016), du Guide d’inventaire et d’échantillonnage en milieu forestier (Méthot et al. 2014) et de communications personnelles avec Michel Fortin, chef à la planification forestière de Baie-Comeau (Fortin 2018).
Préparation de terrain
La préparation de terrain est un traitement qui visant à favoriser l’établissement d’une nouvelle régénération (Cormier et al. 2009). Il existe plusieurs types de préparations de terrain. En voici quelques exemples parfois utilisés au Québec (Cormier et al. 2009) :
Scarifiage ; Débroussaillage ; Déblaiement ;
8 Mise en andains ;
Traitement des aires d’ébranchage ; Broyage ;
Labourage.
D’autres types de préparation de terrain peu utilisés au Québec existent comme le disquage des racines, le fauchage de la végétation haute et l’application d’herbicides. (Langvall et al. 2001; Minor et al. 2004). La préparation de terrain est utilisée selon les caractéristiques et les besoins de la surface forestière à régénérer. Évidemment, un coût différent est rattaché à chaque traitement en fonction de la méthode et de l’équipement utilisé. Les traitements de préparation de terrain peuvent aussi être accompagnés de traitements de régénération artificielle lorsque la régénération naturelle est jugée insuffisante (Cormier et al. 2009).
Objectifs et hypothèses
L’objectif général de ce projet est de mesurer les effets de la récolte de biomasse afin de l’intégrer en tant qu’outil sylvicole pour l’aménagement des forêts boréales affectées par la TBE.
Il s’agit de déterminer de quelle façon la récolte de biomasse forestière, sous forme d’arbres et de parties d’arbres sans preneur dans le réseau forestier conventionnel du sciage et de la pâte, pourrait contribuer à la rentabilité financière et au succès de régénération de la forêt. Le fait de mesurer les effets positifs et négatifs de la récolte de biomasse pour l’installation et la survie de la régénération après coupe contribuerait à vérifier son utilité comme outil sylvicole dans les opérations forestières de la région. Le but de ce projet est donc d’évaluer l’effet de la récolte de biomasse dans des peuplements affectés par la TBE comme une composante d’un système d’aménagement forestier visant à la fois i) l’approvisionnement pour le bois d’œuvre et la bioénergie ainsi que ii) la régénération des sites après coupe. Les objectifs de recherche sont les suivants :
1. Établir si l’effet de la récolte de biomasse sur la quantité et la qualité des microsites propices à l’établissement de la régénération, ainsi que sur les besoins en préparation de terrain pour la remise en production des sites est positive ou négative par rapport à une situation sans récolte de biomasse ; 2. Établir si les besoins et les coûts en préparation de terrain vont diminuer en fonction de la quantité de
biomasse récoltée en tonne métrique anhydre (tma) ;
3. Établir si les coûts d’approvisionnement (en $CA tma-1) de la biomasse, en tenant compte de l’effet de
cet approvisionnement sur les coûts de préparation de terrain seront réduits de façons à rentabiliser les opérations de récolte de biomasse ;
4. Établir si le bilan carbone de la récolte et de l’utilisation de biomasse forestière générera davantage de réduction des émissions de GES en comparaison avec des scénarios d’utilisation de combustibles fossiles sans récolte de biomasse.
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D’après les connaissances actuelles, nous émettons l’hypothèse générale que la récolte de biomasse aura un effet positif pour la régénération future et permettra de réduire les coûts en préparation de terrain. Nos prédictions par rapport à cette hypothèse sont donc les suivantes :
1. Le passage de la machinerie ainsi que la récolte pour l’approvisionnement en biomasse augmenteront significativement la quantité de microsites propices par l’exposition accrue du sol minéral. Le fait de réduire la présence d’empilements de bois mort permettra aussi à la régénération de s’établir plus rapidement grâce à l’exposition accrue à la lumière ;
2. Les coûts en préparation de terrain diminueront de manière inversement proportionnelle à l’augmentation du volume de biomasse récolté à l’hectare ;
3. La diminution des coûts en préparation de terrain associée à la récolte de biomasse permettra d’assurer la rentabilité de celle-ci et de justifier son intégration dans les opérations forestières de la région de la Côte-Nord ;
4. Les scénarios sylvicoles avec récolte et utilisation de biomasse conduiront à des réductions d’émissions de carbone à long terme comparativement aux scénarios avec utilisation de combustibles fossiles.
Ces hypothèses ont été émises suite à une revue de littérature scientifique et à une visite sur le terrain à l’automne 2018 qui a permis de faire une première observation du secteur d’étude. Les contraintes principales à la création de microsites propice à la régénération dans la région semblent être l’épaisseur d’humus et l’encombrement des débris ligneux. Il semble donc logique de croire que le passage de machinerie pour récolter de la biomasse devrait à la fois exposer davantage le sol minéral et augmenter la luminosité au sol à certains endroits. Le retrait de débris devrait aussi faciliter les tâches de préparation de terrain comme le scarifiage, la plantation ou le déblaiement. Cela signifie que ces tâches se feraient en une durée de moins en moins grande à mesure que le volume de débris récolté pour la biomasse augmente. Certains traitements comme le déblaiement (peigne) pourraient même être remplacés par la récolte de biomasse pour la bioénergie. Enfin, en considérant la diminution du coût de préparation dans l’évaluation de la rentabilité d’un traitement de biomasse, il serait fort possible que celui-ci génère des profits considérables.
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Chapitre 1: Biomass procurement affects
regeneration and site preparation needs in boreal
forests affected by spruce budworm
Résumé
L’utilisation de la biomasse forestière issue de perturbations naturelles comme source d’énergie gagne en intérêt dans le contexte actuel de lutte contre les changements climatiques puisqu’elle permet de réduire la consommation d’énergies fossiles, sans sacrifier d’importantes superficies de territoire pour la production d’énergie. Cette étude visait à déterminer l’effet de la récolte de biomasse sur l’établissement de la régénération ainsi que sur les besoins subséquents en préparation de terrain dans les forêts affectées par la tordeuse des bourgeons de l’épinette. Au cours des années 2018-2019, nous avons établi un dispositif après coupe dans un secteur d’épidémie sévère dans lequel des parcelles échantillon ont été disposées aléatoirement dans des aires de coupe totale avec et sans récolte de biomasse pour y déterminer la densité de régénération et la quantité de microsites propices à la régénération. Nos résultats suggèrent que la récolte de biomasse a augmenté la densité de régénération, la quantité de microsites propices à la régénération et la séquestration de carbone. Nous avons effectué des tests d’hypothèse qui nous ont permis de déterminer une gamme de prix de vente nette minimale des produits issus de la biomasse transformée (13.90 à 76.84 $CA par tonne métrique anhydre de biomasse récoltée (tma-1)) pour rentabiliser les opérations. Nous avons aussi découvert que la récolte de biomasse
diminue les coûts de remise en production des sites de coupe d’environ 282.07 $CA ha-1, correspondant à 14.45
$CA tma-1. Cette étude suggère que l’intégration des traitements de récolte de biomasse comme outil sylvicole
dans les opérations forestières a un potentiel économique et écologique important. La bioénergie a la capacité de jouer un rôle clé pour la transition énergétique vers des énergies renouvelables, la mise en valeur des résidus forestiers et la lutte contre les changements climatiques.
Abstract
Using forest biomass from forests affected by natural disturbances as an energy source is becoming increasingly interesting in the actual context of climate changes mitigation because it provides a significant possibility to reduce fossil energy consumption without sacrificing vast areas of territory for this purpose. This study aimed to determine the effect of biomass harvesting on natural regeneration establishment, on subsequent needs for site preparation to enable planting activities, and on carbon sequestration balance in harvested boreal forests affected by spruce budworm. We established an experimental design on harvested sites located within a sector affected by a severe epidemic. We randomly located 28 sample plots in cutblocks with and without biomass procurement to evaluate and compare treatment effects on regeneration density and number of planting
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microsites. Results show that biomass harvesting has increased regeneration density, the number of planting microsites and net carbon sequestration. We determined that product value from biomass transformation has to be between 13.90 and 76.84 CAD per oven-dry metric tonne (odmt-1) to make the operations profitable. We
calculated that the reduction of downed woody debris due to biomass procurement reduced site preparation costs by 282.07 CAD ha-1, equivalent to 14.45 CAD odmt-1 of harvested biomass. Our study suggests that
integrating biomass harvesting to silviculture can have significant ecological and economic impacts on forest management while supporting mitigation efforts against climate change.
Introduction
Anthropogenic climate changes is a growing concern around the world because of its potentially disruptive effects on ecosystems. Climate change is mainly due to CO2 emissions driven by human fossil fuel consumption
(IPCC 2014). In 2020, CO2 atmospheric concentration reached 416.18 ppm (US Department of Commerce
2020). The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) recommended to stabilize atmospheric concentration of CO2 at a maximum of 450 ppm from now to 2050 (IPCC 2014). To achieve this goal, the IPCC
suggests the use of renewable energies as substitutes for fossil energy sources (IPCC 2014; Bacovsky et al. 2016). Bioenergy from forest biomass should play an important role in the transition of the global energy system towards renewable sources (Bacovsky et al. 2016). Regions with vast boreal forests such as eastern Canada, which possesses large quantities of untapped forest biomass feedstock, including that from natural disturbances, should be able to mobilize sustainable forest biomass supply chains in order to contribute to global efforts of fossil fuel replacement (Paré et al. 2016).
However, the nature and extent of natural disturbances represent a challenge of forest management and wood supply in boreal forests of eastern Canada. For example, coniferous stands composed of balsam fir (Abies balsamea (L.) Mill.), white spruce (Picea glauca (Moench) Voss) and black spruce (Picea mariana (Mill.) B.S.P.) are affected by large-scale spruce budworm (Choristoneura fumiferana (Clemens)) outbreaks. This insect causes severe tree defoliation that leads to growth decline and death of the most affected trees (figure 5). For example, balsam fir mortality due to the last outbreak reduced harvestable fibre volume by 55% in the province of Quebec (Canada) (Archambault and Beaulieu 1985). Wood from affected trees quickly degrades and becomes unsuitable for processing into conventional wood products such as lumber and pulp (Barrette et al. 2015). The downturn of the paper industry also contributed to narrow the opportunities for woods that are not of lumber quality.
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Figure 5 : A forest stand from northeastern Canada affected by a severe spruce budworm epidemic (photo by
D. Gouge, 2019).
Large-scale disturbances such as spruce budworm epidemics hence cause a flood of low-quality coniferous woods that are ill adapted to current markets. Thus, there is a need to develop new markets for this untapped resource, which would help expand silviculture opportunities for landscapes affected by natural disturbances (Aguilar and Garrett 2009; Durocher et al. 2019). Forest bioenergy represents a potential outlet for degraded or otherwise unused woods (Dymond et al. 2010), as feedstock requirements for energy conversion are less stringent than those of the conventional wood market (Elbersen et al. 2015; Barrette et al. 2015). However, the profitability of bioenergy production might be difficult to achieve in the context of boreal forest biomass supply chains (Barrette et al. 2017). In particular, salvage logging of naturally disturbed forests can incur important costs (Iranparast Bodaghi et al. 2018). For example, in Finland, logging costs for wind damaged Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) and Scots pine (Pinus sylvestris L.) forests were 30-70% higher than for undamaged tree stands (Kärhä et al. 2018). Moreover, the exact benefits of biomass procurement in the form of degraded trees for bioenergy production as a mean to mitigate climate change have been questioned (Laganière et al. 2017). Nevertheless, there could be an opportunity to improve the financial and carbon balance of woods from naturally disturbed stands, by jointly managing timber and bioenergy production (She et al. 2019). Indeed, closer integration of biomass feedstock procurement with other silviculture and harvesting objectives can contribute to the optimization of overall fibre supply, operation costs and long-term carbon balance (Asikainen et al. 2016; Röder et al. 2019).
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First, woody debris left on cutblocks can have direct effects on the establishment and growth of forest regeneration. Indeed, the presence of woody debris can also decrease the availability of suitable microsites for natural and planted regeneration establishment. Moreover, coarse woody debris can increase fire risk during the first few years after harvesting (Harrington et al. 2018). In spruce budworm-affected stands, while round wood is harvested for lumber, large amounts of debris are left on the site because the proportion of lumber-quality wood is low (Barrette et al. 2017). This might require windrowing, i.e concentrating debris into rows, so that other site preparation and regeneration treatments can be performed (e.g. scarification, plantation). Windrows increase the number of unproductive areas and accumulate nutrients away from the regenerating zones (Zhang et al. 2015). Moreover, windrows provide habitats for small animals, such as the southern red-backed vole (Myodes gapperi) and the long-tailed vole (Microtus long-icaudus), which can damage newly planted trees (Sullivan and Sullivan 2014). On the other hand, retention of coarse woody debris on cutblocks can benefit seedling growth and vigour by reducing vegetative competition (Harrington et al. 2018), increasing soil water retention (Trottier-Picard et al. 2014) and providing nutrients for tree growth (Krankina et al. 1999). In addition, woody debris also provide habitat for deadwood-related species (Priewasser et al. 2013). The ecological role of woody debris generated by harvesting on seeding establishment and growth will likely vary according to site conditions (Trottier-Picard et al. 2014), which underlines the need to further our understanding in specific forest contexts. The presence and quantity of woody debris on cutblocks can be manipulated with biomass feedstock procurement, which might reduce the need of other silvicultural treatments and associated machinery movements, and hence influence the overall financial balance of wood and biomass supply. This should also impact the GHG balance of bioenergy, due to the reduced machinery movements, the lower amounts of decaying debris, and the potential effects on forest productivity.
The objective of this study was to evaluate the effect of biomass procurement as a component of a larger forest management system that aims to i) provide feedstock for softwood lumber and bioenergy and ii) ensure forest regeneration after harvesting. Using northeastern Quebec (Canada) as a case study, we specifically aimed to determine the effects of forest biomass procurement, performed along with harvesting for lumber, on regeneration, planting microsites and site preparation needs in harvested cutblocks of boreal stands that were affected by a recent spruce budworm outbreak. We characterized treatments effects on mineral soil depth, humus thickness, substrate type, natural regeneration and competitive vegetation conditions. The financial costs and cumulative carbon balance of biomass procurement were also assessed.
We hypothesized that the increased machinery passage and the decrease in woody debris volumes associated with biomass procurement would result in greater mineral soil exposition and presumably increased light penetration; this should generate more suitable microsites for regeneration establishment, and hence reduce needs for further site preparation. We also posited that by facilitating seedling establishment and reducing the
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needs for site preparation, biomass procurement would incur significant financial cost reductions in forest renewal operations, which would contribute to the profitability of forest biomass supply chain; it would also improve the carbon balance for bioenergy.
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Methodology
Study region
We conducted our study in the Côte-Nord region of Quebec (Canada), 25 km northwest of the city of Port-Cartier along the Saint Lawrence river and on the southern limit of the Boreal Shield (50° 4' 5,136" N, 67° 2' 56,997" W). Based on the nearest meteorological station (Pentecôte : 49° 44' 4'' N, 67° 10' 27'' W), the area has a mean annual temperature of 2.4 °C and average precipitation of 1211.4 mm year-1, of which 26 % falls as snow. The
study area is comprised within the spruce-moss bioclimatic domain (Saucier et al. 2009). The elevation of the study area varies between 70 m and 250 m. Black spruce stands dominate the landscape. Balsam fir and white birch (Betula papyrifera Marshall) are found on hillsides and are sometimes accompanied by white spruce (Bouchard and Pothier 2011). There is also a small proportion of tamarack larch (Larix laricina (Du Roi) Koch.), jack pine (Pinus banksiana Lamb.), and trembling aspen (Populus tremuloides Michx.), mixed with other species. The understory is characterized by various species of shrubs, ericaceous species, lichens and mosses (Hins et al. 2009).
As a result of the abundant precipitations, the region is characterized by long fire intervals (Bouchard et al. 2008), which favours the abundance of balsam fir, relative to other boreal regions (Bouchard and Pothier 2008). This explains the relatively high occurrence of this species among stands of the study area (table 1), as well as their susceptibility to spruce budworm outbreaks. This susceptibility is exemplified by the relatively high average level of decay among stands of the study area (evaluated with Hunter classes that express the level of tree vitality and decay; (Hunter Jr 1990)) (table 2): an average Hunter class close to 3 indicates that most trees have ≥ 80% of dead foliage and are hence dying.
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Table 1 : Proportion of commercial species within the study area
Species Proportion in stands (%)
Balsam fir (Abies balsamea) 50 Black spruce (Picea mariana) 47 White spruce (Picea glauca) 2 White birch (Betula papyrifera) ˂ 1 Other conifers ˂ 1
Note: Data are based on averages from 10 uncut forest stands within the case study area.
Table 2 : Average height, decay and volume of commercial stands within the study area
Average stand height (m) 14
Commercial volume of standing lumber (m3/ha) 187
Average Hunter class 3
Note: Data are based on averages from 10 uncut forest stands within the case study area.
Experimental design and treatments
The experimental design consisted in 28 randomly chosen cutblocks (among 651 ha of available cutblocks) that were clearcut harvested for lumber in 2018 and 2019, and arranged in a completely randomized design. Cutblocks were selected to ensure a minimal distance of at least 200 m between them. Half of the cutblocks randomly selected among the 28 were subjected to forest biomass procurement: degraded coniferous trees and tree parts that did not meet lumber standards, as well as whole trees classified as intolerant hardwoods, were harvested and directed to bioenergy, whereas this material was left on site (mostly as downed woody debris) on the other half of cutblocks without biomass procurement. Cutblocks covered a range of ecological types (i.e. balsam fir-black spruce potential vegetation on thin to medium mineral deposit and, respectively, coarse texture and fast drainage, medium texture and moderate drainage, and coarse texture and subhydric drainage (Morneau and Landry 2010)). Ecological types were represented equally among cutblocks with and without biomass procurement. We randomly located a sampling plot in each cutblock, thus creating a completely randomized design comprising 14 replicates of each treatment (with and without biomass procurement (figure 6). All 28 plots were measured approximately five months after harvesting (either in 2018 or 2019).
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Data collection and computing
Figure 7 : Representation of a sampling plot. Each circular sampling plots had two orthogonal transects for
coarse woody debris (CWD) and small woody debris (SWD) assessment. Circular microplots of 5 m2 used for
regeneration and microsite assessments are represented by red circles. A buffer of 10 m from any roads or unharvested stands was applied to avoid border effects.
Downed woody debris and harvested biomass
In each sampling plot, we established two orthogonal, 20-m long transects and tallied downed woody debris that intersected the transects. Each debris was either classified as small (diameter = 1.1 cm to 5 cm) or coarse (diameter ˃ 5 cm). Small woody debris were tallied on four 5-m long subsections of the entire transects (figure 7) and we noted the average decay Hunter class and dominant species for each subsection of the transects.
10 m SWD (1.1 to 5 cm) 5 m CWD (5 cm +) 5 m 1.26 m Transects 20 m 5 m
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Coarse woody debris were tallied over the total length of the two 20-m transects. Diameter, species and decay Hunter class were recorded for each piece of tallied coarse downed woody debris. Based on these measures, average volumes and masses per hectare of woody debris were calculated for each sample plot, using equations and a wood density chart for Canadian species provided by the Canadian National Forest Inventory (NFI 2010). Since the data related to harvested products were not available, the average amount of harvested biomass had to be indirectly inferred. It was calculated by subtracting the amount of downed woody debris found on cutblocks subjected to biomass procurement from the amount found on cutblocks without biomass procurement.
Pre-harvest forest cover, regeneration and microsites
We estimated pre-harvest forest cover density using governmental forest maps for the study area, and further validated stand density based on the number of stumps (see below). Cover density was categorized into four classes (≥ 25% and ˂ 40%; ≥ 40% and ˂ 60%; ≥ 60% and ˂ 80%; ≥ 80% (Berger et al. 2015)). Stocking of natural regeneration was evaluated in ten circular 5 m2 microplots distributed along the transects in each
sampling plot (figure 7). Seedlings were considered only if they met regional standards for potential tree crop (Appendix 1), i.e. healthy, straight (maximum inclination of 30%), free to grow and with a minimum height of 15 cm. According to the market, desired species for sawtimber were black spruce, white spruce, balsam fir, tamarack larch and jack pine. The presence of suitable plantation microsites was evaluated in each microplot based on operational criteria (table 3) adapted from provincial inventory guides (Méthot et al. 2014; Méthot and Auger 2016). A microsite was considered only if it was entirely located within the 5 m2 microplot and if it had a
minimum area of 20 cm x 20 cm. A value of 100% seedlings or microsite stocking meant that suitable microsites and/or desired regeneration were found in all 10 5-m2 microplots; for regeneration; this translates into a density
of at least 2000 stems ha-1.
Table 3 : Standards used to identify a suitable microsite for plantation.
Criteria
Humus thickness ≤ 5 cm (excluding the easily removable part with a boot)
Adequate light penetration for the conifer species, based on their autecology
Presence of humus at a maximum distance of 1 m around the microsite Soil with aerobic conditions and suitable drainage for the planted specie Mineral soil thickness ≥ 15 cm
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Surface substrate and competing vegetation
The dominant substrate category and depth were recorded at the centre of each 5 m2 microplot using the
following categories; humus, mineral soil, stones, bedrock, decaying wood or buried wood. Cover and dominant species of the vegetative competition were inventoried over the area of each microplot.
Operational constraints to site preparation
We evaluated operational constraints to site preparation within each sample plot according to provincial and regional standards (MFFP 2016) (Appendix 1). The number of standing trees was tallied within the 400 m2
sampling plots. Soil depth to bedrock, % slope, presence of obstacles, stoniness and trafficability were also estimated. Stumps were tallied within a 4.99 m-radius concentric subplot. For each stump, species, height, top diameter and decay Hunter class were recorded.
Statistical analyses
All analyses were done within the R statistical environment v3.5.3 (R Core Team 2019). We used mixed effects linear models with function “lme” of the package “nlme” (Pinheiro et al. 2020) to estimate biomass procurement (with or without) and forest cover density effects on microsite and regeneration variables, i.e. stocking of suitable microsites and desired regeneration. Cutting year (2018 or 2019) and ecological types were used as random effects. We then compared the effects of biomass procurement on woody debris volume and competition cover using Student tests. We further investigated relationships between site preparation costs, volume of harvested woody debris and volume of residual downed woody debris volume left on felling areas using simple correlations based on the Kendall method due to the small sample size (Magiya 2019). Prior to analyses, we verified if there was autocorrelation using correlation plots as well as residue distribution with standard graphical approaches. In all cases, we used p = 0.05 as a threshold for significance.
Financial analysis
We performed a financial analysis of forest biomass procurement by estimating the costs of wood and biomass harvesting and transportation, site preparation and plantation. Machinery productivity and treatment costs (in CAD ha-1), including silviculture and biomass procurement, were estimated based on information provided by
regional companies and provincial standards for silvicultural operations (Bureau de mise en marché des bois 2019) (table 4). For estimating site preparation costs based on plot data, we carried out an analysis based on inventory data, regional standards and industrial/regional practices (Appendix 1); we assumed that site preparation and plantation would be performed on cutblocks for which regeneration stocking ≤ 60 %.
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Table 4 : Silviculture costs used for financial analyses (data from regional companies and Bureau de mise en
marché des bois 2019).
Treatment Machinery Cost (CAD ha-1)
Woody debris clearance bulldozer with rake shovel 784.00
Woody debris clearance (trail only) bulldozer with rake shovel 196.00
Scarification passive disc scarifier 222.00
Scarification (trail only) passive disc scarifier 55.50
Plantation (1600 stems ha-1) NA 640.19
Trail plantation (400 stems ha-1) NA 160.05
Skidding traffic is known to decrease regeneration growth (Zenner et al. 2007). We assumed that skidding trails (which, by provincial regulation, occupy a maximum of 25 % of cutblock area, thus representing a quarter of the total cost per ha) would need to undergo mechanical site preparation if the stocking of desired regeneration (15 cm height) was > 40% and ≤ 60%. The choice of machinery was based on field characteristics and subsequent planned treatments.
Biomass supply costs were estimated assuming an average harvested mass of 19.52 oven-dry metric tonnes (odmt) of biomass per hectare, calculated from the difference between plots with and without biomass procurement. Machinery productivity and costs were estimated based on data provided by companies and the Quebec Wood Marketing Office (Groupe DDM 2016)(table 5). An average transport distance was estimated from the regional forest map using ArcGIS v.10.4 (Esri Canada, Toronto, Ontario), and assuming that sawtimber and biomass processing plants were co-located in the city of Port-Cartier, the main industrial hub in the region (see figure 6).
Table 5 : Forest operation costs used for the financial analysis (data from regional companies and Groupe
DDM 2016).
Transportation cost (CAD h-1) 105.00
Loading capacity (WT truck-1) 35
Loading cost (CAD WT-1) 1.50
Average transport distance (km) 50.5
Average truck speed (km h-1) 70
Skidding cost (CAD ha-1) 416.82
Harvesting cost (CAD ha-1) 1228.52
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The financial analysis was made from an optimistic and a pessimistic perspective. In the optimistic perspective, high-quality trees are harvested for lumber; degraded and low-quality trees are cut and putdown to facilitate harvesting machinery movement or for visual assessment of wood quality by the operator; they are thus left as downed woody debris in the absence of biomass procurement. Harvesting costs for all trees are therefore incurred by lumber procurement, whether or not biomass is procured, i.e. there is no additional cost associated with cutting trees for the biomass procurement treatment. The only additional cost imputed to the biomass procurement treatment is that of biomass skidding to the roadside (along with biomass loading and transportation for processing). This represents the current industrial practices occurring in the study area. For the pessimistic perspective, the costs for cutting trees that are specifically procured for biomass are added to the total costs of biomass procurement. This perspective represents a situation in which a degraded forest would be harvested exclusively for biomass supply.
Carbon balance analysis
A simple carbon (C) balance analysis was performed to estimate the differences in carbon fluxes associated with ecosystem processes and machinery movement between different scenarios with and without biomass procurement. Carbon balance was calculated on the basis of the production of one gigajoule (GJ) of energy, with all data computed in kg CO2-eq GJ-1. Four scenarios were simulated:
1. Biomass procurement for bioenergy, without site preparation and planting (i.e. only natural regeneration);
2. Biomass procurement for bioenergy, with site preparation and planting;
3. No biomass procurement, no site preparation, no planting (i.e. only natural regeneration); 4. No biomass procurement, with site preparation and planting.
An average of 19.52 odmt of biomass was assumed to be procured per hectare, based on field data (see above); the energy density of biomass was assumed to be 16.1 GJ oven-dry tonne-1. Assuming a 50% concentration of
carbon for biomass and 3.667 kg CO2-eq per kg of C, the amount of CO2-eq emission associated with the
production of 1 GJ of bioenergy from biomass was estimated at 113.9 kg CO2-eq GJ-1. Equations describing
carbon dynamics in forest ecosystems were adapted from the Carbon Budget Model of the Canadian Forest Sector (CBM-CFS) (Kurz et al. 2009) as well as the conceptual framework for calculating time to carbon parity of forest bioenergy systems of Laganière et al. (2017).Tree growth was modelled according to equations for Canadian species in Ung et al. (2009) and fitted according to Hill’s curve (Hill 1910). For scenarios with natural regeneration, the simulated stands were assumed to be composed of 50% balsam fir and 50% black spruce. Stand productivity was adjusted to reflect the average seedling stocking after clearcut with or without biomass procurement, as measured in sampling plots, i.e. the growth curve was multiplied by the average % seedling
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stocking. For scenarios with site preparation and planting, the simulated plantations were assumed to be 100% black spruce (following regional practices), with a 100% stocking.
Decay of organic material was simulated according to an exponential decay function:
C
t OM= C
0 OMx e
-kt(Equation 1)
where Ct OMis the quantity of C stored in organic material at time t (years), C0 OM is the initial quantity of C stored
in organic material, and k is the decomposition rate of organic material (in year-1). The temperature-dependent function of Kurz et al. (2009) was used to compute the decay rate:
k = BDR
kx TempMod (Equation 2)
where BDRk is the base decomposition rate of organic material on the ground at a reference mean annual temperature (REFMAT) of 10 °C, and TempMod is the temperature modifier that reduces the decay rate, calculated as:
TempMod = e
((MATf– REFMAT) X ln(Q10) X 0.1)(Equation 3)
Where MATf is the mean annual temperature of the simulated forest area, and Q10 is the temperature sensitivity of decomposition, set at 2. The mean annual temperature was set at 2.4 C. In the absence of more detailed information about decomposition rates in the study region, two base decay rates were tested for downed woody debris, based on data from Kurz et al. (2009): 0.0374 yr-1 corresponding the ‘Medium dead organic matter’, and
0.015 year-1, corresponding to ‘Above-ground slow’ carbon pool.
Estimated GHG emissions related to site preparation, seedling production and plantation were adapted from Timmermann and Dibdiakova (2014) and were set to: 0.056 kg CO2-eq GJ-1, 0.109 kg CO2-eq GJ-1 and 0.010
kg CO2-eq GJ-1, respectively. Emissions related to wood harvesting and transport for lumber were not calculated,
as they were assumed to be the same for all scenarios.
While the main interest of scenario comparison was ecosystem processes and site regeneration, complete energy systems were also compared (Appendix 2). We assumed a simple system in which biomass would be chipped and used for bioheat production, whereas the fossil energy reference systems (in which no biomass procurement would occur) would be based on heavy oil. Estimations for emissions related to biomass procurement (harvesting and skidding), comminution and transport to the bioenergy plant were derived from the FPInterface model (http://fpsuite.ca/l_fr/fpinterface.html). Estimated emissions for harvesting, skidding, comminution and transport to bioheat plant (assuming a distance of 50 km back and forth) were 2.63 kg CO2-eq
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113.9 kg CO2-eq GJ-1. Emissions of fossil energy production and use were estimated based on the
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Results
Woody debris, regeneration and plantation microsites
The average volumes of woody debris (including coarse and fine woody debris) for cutblocks without and with biomass procurement were significantly different (p ˂ 0.001), and were estimated to be 129.41 m3 ha-1 and 71.68
m3 ha-1, respectively (i.e. 43.08 and 23.56 odmt ha-1). On cutblocks subjected to biomass procurement, the
ground surface substrates were comprised on average of 12 % less downed wood, 11% more humus and 1 % more mineral soil than for cutblocks without biomass procurement. The mean percent cover of competing vegetation was 15 % across cutblocks, with no significant difference of biomass procurement treatment (p = 0.94).
The biomass procurement treatment had positive effects on the stocking (expressed as % of occurrence) of regeneration of desired species and planting microsites (table 6).
Table 6 : Comparison of average regeneration and plantation microsite stocking observed in cutblocks with
and without biomass procurement.
Biomass procurement Regeneration of desired species (small trees of at least 15 cm) Standard deviation Plantation microsites Standard deviation Regeneration or plantation microsites Standard deviation with 74% 44% 29% 46% 83% 38% without 59% 49% 15% 36% 64% 48% P - value 0.030 0.046 ˂ 0.001 F - value 5.52 4.56 17.36
Note: Denominator degrees of freedom = 19 for all variables.
When biomass procurement was applied, we observed a significant increase of desired regeneration stocking (+15%), plantation microsite presence (+14%) and combined microsites/regeneration presence (+19%), compared to control (no biomass procurement) conditions (table 6).
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Site preparation needs
The average costs of site preparation in plots submitted to biomass procurement were less than half of the average costs in control plots without biomass procurement (table 7). The reduction of site preparation costs associated with biomass procurement was thus estimated at 282.07 CAD ha-1. Overall, biomass procurement
led to a cost reduction of forest renewal of 14.45 CAD odmt-1 of harvested biomass (assuming an average
biomass recovery of 19.52 odmt ha-1). Those cost savings were mainly attributable to lower needs of woody
debris clearance, scarification and plantation.
Table 7 : Summary of minimum, maximum, median and mean of site preparation costs (CAD ha-1).
Cost without biomass harvest treatment
Cost with biomass harvest treatment
Minimum 0.00 0.00
Maximum 1646.19 1424.19
Median 383.80 0.00
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Site preparation according to biomass volume
There was no significant relationship between site preparation costs and the volume of harvested biomass (figure 8a). On the other hand, we observed a significant positive relationship between the residual volume of downed woody debris on the cutblock and site preparation costs (figure 8b). However, the variability remained very high, making the degree of association (Kendall rank) close to 0, indicating a somewhat weak correlation.
Figure 8 : Site preparation costs according to a) the volume of harvested forest biomass and b) residual forest
biomass. The grey area represents the 95% confidence interval.
A
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Supply costs
The total biomass supply costs were estimated by adding tree harvesting (for the pessimistic perspective), collecting, forwarding and transportation costs, and subtracting cost savings in site preparation (table 8).
Table 8 : Supply costs for one oven-dry metric tonne of forest biomass at the mill yard.
Costs Pessimistic perspective
(CAD odmt-1)
Optimistic perspective (CAD odmt-1) Harvesting, collecting and forwarding
to roadside 84.29 21.35
Transportation from roadside to
processing plant 7.00
Total supply costs 91.29 28.35
Cost savings in site preparation and
plantation -14.45
Total net supply costs 76.84 13.90
Note: Transport distances from roadside to processing plant is assumed to be 50 km back and forth, at an average speed of 70 km h-1, Stumpage rates have not been included in the estimation, as they are yet to be
defined for the region.
According to this estimation, the total cost per odmt of biomass at the processing mill yard was more than three times higher for the pessimistic than for the optimistic perspective, that is, when the full cost of cutting down degraded trees is attributed to biomass procurement (pessimistic) instead of considering that degraded trees are put down in the process of harvesting trees for lumber (optimistic). Factoring in the cost savings associated with reduced needs of site preparation and plantation due to biomass procurement (equivalent to 14.45 CAD odmt-1) caused a decrease in supply costs of 16% and 51% for the optimistic and pessimistic perspectives,
