Phenology of sap production in sugar maple and its variation in a context of climate change

Alterations in climate are affecting the phenology in the northern hemisphere. The warming pattern observed since the 1970s has been most pronounced at higher latitudes, with the largest increases in temperature occurring during the winter and spring seasons. These changes cause significant consequences for the phenology of sugar maple trees and its syrup. Maple syrup production, a traditional and economic activity in northeastern North America, is particularly vulnerable to these climate shifts. The syrup is made by concentrating sap extracted from maple trees, a process that depends on the freeze-thaw cycle typical of early spring. However, climate change is altering the timing and duration of the sap exudation, with implications for the uncertain future production. Therefore, studying sap production and maple tree phenology in response to climate variations is crucial to understanding and mitigating the impacts of climate change on this culturally and economically important product. Due to the limited information on the precise timing and yield of sap production, further research in this area is essential. This thesis aims to monitor the timing and dynamics of sap production across various locations and resolutions, within the context of climate change. This study was conducted during spring in the province of Quebec, Canada, collecting sap production timings at different scales, from provincial to local sites and from low to high resolution. Sites spanned the most productive maple regions to the northernmost limit of North American maple distribution. Initially, data were recorded through producer surveys, which were refined by direct measurements of sap production timings from equipment installed on individual trees. These timings were then compared with weather data, including air temperature, snow depth, soil water content, and soil temperature. The air temperature as the primary environmental driver of sap exudation was later used in the prediction models. Sap exudation timings demonstrated a strong correlation with air temperature and a consistent pattern observed among and within sites, despite the co occurrence of other meteorological factors. Additionally, high-frequency data collection showed detailed dynamics of sap flow in sugar maple, confirming the influence of temperature and highlighting the role of freeze-thaw cycles. The use of rain gauges as an automatic tool recording high-frequency sap data offered a significant methodological advancement for measuring sap flow. The data recording with rain gauges demonstrated that sap production was discontinuous, alternating productive and non-productive days. Overall, 74% of the sap was exudated during 20% of the sugar season, which matched the proportions described by the Pareto law (i.e. 80/20 rule). Lastly, we observed other environmental factors co occurring with the sap exudation. Sap exudation begins with the onset of the snowmelt, the rising in soil water content and sap ends when the soil temperature increases. For the predictions of timings, a divergent advancement of the onset and ending of sap production under warming conditions are expected, resulting in a shorter duration of the sugar season, advancing of up to 20 days for the onset and 26 days for the ending by 2100 in the highest emission scenario. Producers should start preparing their sugarbushes earlier than usual to align with the advanced timings expected due to climate warming. Specifically, tapping schedules must be adjusted to align with the start of the sap season. Any delays could lead to substantial production losses, particularly during shorter sap seasons, as projected by the models. XVIII In conclusion, a high-resolution hourly data showed consistent diurnal patterns in sap flow, strongly correlated with temperature fluctuations. As the onset and cessation of sap flow were primarily driven by specific air temperature thresholds, the other meteorological factors like snowpack, soil water content and soil temperatures played a secondary role. Additionally, this study showed a consistent sap production timing across the studied region, suggesting a pattern for maple sap production in the province of Quebec. By adapting tipping bucket rain gauges for sap flow measurement, detailed insights into daily and seasonal variations were obtained, thus improving the accuracy of the data collection. This innovative study offers an advancement for monitoring sap production and predict climate change effects in the sap timings, providing valuable knowledge for both research and the maple syrup industry. Furthermore, the findings of this study not only increase our understanding of the impacts of climate change on maple sap phenology, but also provide a foundation for developing adaptive management, advancing monitoring technologies, and supporting continued research to ensure the industry can continue to grow and endure in the future. Les changements climatiques affectent la phénologie dans l'hémisphère Nord. Le réchauffement observé depuis les années 1970 a été le plus prononcé aux hautes latitudes, avec les plus fortes augmentations de température se produisant pendant les saisons d'hiver et de printemps. Ces changements entraînent des conséquences significatives pour la phénologie des érables à sucre et la production du sirop. La production de sirop d'érable, une activité traditionnelle et économique dans le nord-est de l'Amérique du Nord, est particulièrement vulnérable à ces changements climatiques. Le sirop est fabriqué en concentrant la sève extraite des érables, un processus qui dépend du cycle de gel-dégel typique au début du printemps. Cependant, le changement climatique modifie le calendrier et la durée de l'exsudation de la sève, avec des implications incertaines pour la production future. Par conséquent, étudier la production de sève et la phénologie des érables en réponse aux variations climatiques est crucial pour comprendre et atténuer les impacts du changement climatique sur ce produit économiquement et culturellement important. En raison du manque d'informations précises sur le calendrier et le rendement de la production de sève, des recherches supplémentaires dans ce domaine sont essentielles. Cette thèse vise à surveiller le calendrier et la dynamique de la production de sève à différentes échelles et résolutions, dans le contexte du changement climatique. Cette étude a été menée au printemps, dans la province de Québec, au Canada, en recueillant les données horaires de production de sève à différentes échelles, des sites provinciaux aux sites locaux et de basse à haute résolution. Les sites s'étendaient des régions les plus productives de l'érable aux limites les plus septentrionales de la distribution de l'érable en Amérique du Nord. Initialement, les données ont été enregistrées par le biais d'enquêtes auprès des producteurs, qui ont été affinées par des mesures directes des horaires de production de sève à partir d'équipements installés sur des arbres individuels. Ces horaires ont ensuite été comparés aux données météorologiques, y compris la température de l'air, la profondeur de la neige, le contenu en eau du sol et la température du sol. La température de l'air, en tant que principal facteur environnemental de l'exsudation de la sève, a ensuite été utilisée dans les modèles de prédiction. Les horaires d'exsudation de la sève ont montré une forte corrélation avec la température de l'air et un modèle cohérent observé entre et au sein des sites, malgré la co-occurrence d'autres facteurs météorologiques. De plus, la collecte de données à haute fréquence a montré les dynamiques détaillées du flux de sève dans l'érable à sucre, confirmant l'influence de la température et soulignant le rôle des cycles de gel-dégel. L'utilisation de pluviomètres comme outil automatique enregistrant des données de sève à haute fréquence a offert une avancée méthodologique significative pour mesurer le flux de sève. L'enregistrement des données avec les pluviomètres a démontré que la production de sève était discontinue, alternant les jours productifs et non productifs. Dans l'ensemble, 74 % de la sève a été exsudée pendant 20 % de la saison sucrière, ce qui correspondait aux proportions décrites par la loi de Pareto (c'est-à-dire la règle 80/20). Enfin, nous avons observé d'autres facteurs environnementaux co-occurrents avec l'exsudation de la sève. L'exsudation de la sève commence avec le début de la fonte des neiges, l'augmentation du contenu en eau du sol et la sève se termine lorsque la température du sol augmente. Pour les prédictions des horaires, une avancée divergente du début et de la fin de la production de sève sous les conditions de réchauffement est attendue, entraînant une durée XVI plus courte de la saison sucrière, avançant jusqu'à 20 jours pour le début et 26 jours pour la fin d'ici 2100 dans le scénario d'émissions le plus élevé. Les producteurs devraient commencer à préparer leurs érablières plus tôt que d'habitude pour s'aligner sur les horaires avancés attendus en raison du réchauffement climatique. Plus précisément, les horaires d’entaillement des arbres doivent être ajustés pour s'aligner avec le début de la saison de la sève. Tout retard pourrait entraîner des pertes de production importantes, en particulier pendant les saisons de sève plus courtes, comme prévu par les modèles. En conclusion, des données horaires à haute résolution ont montré des modèles diurnes cohérents dans le flux de sève, fortement corrélés avec les fluctuations de température. Comme le début et la cessation du flux de sève étaient principalement déterminés par des seuils spécifiques de température de l'air, les autres facteurs météorologiques comme l'enneigement, le contenu en eau du sol et la température du sol jouaient un rôle secondaire. De plus, cette étude a montré un calendrier de production de sève cohérent dans la région étudiée, suggérant un modèle pour la production de sève

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