Long-term persistence of Mediterranean pine forests in the Duero Basin (central Spain) during the Holocene: The case of Pinus pinaster Aiton

In the southern Duero Basin of central Spain, there are vast areas of aeolian sand sheets and dune fields. A comprehensive survey of the sand quarries in this area identified a number of palaeosols in sedimentary sequences. The identification and AMS radiocarbon dating of soil charcoal fragments collected in these palaeosols indicate the persistence of Pinus pinaster in this area throughout most of the Holocene. Although potential natural vegetation models have usually considered the Pinus pinaster forests in this inland area of artificial origin, soil charcoal analysis provides firm evidence of a natural origin. Our data fit perfectly with the pattern of Holocene vegetation development for inland areas of Iberia, which are characterised by stability of pine forests throughout the Holocene. Finally, the growing body of palaeobotanical evidence from Iberia (macrofossils and pollen) is contributing to improve our knowledge of P. pinaster ecology, showing that this species has been present in most Iberian regions during the Holocene, where it has inhabited areas characterised by a very diverse set of climatic and soil conditions.

Historia holocena de los pinares montanos de los sistemas Central y Cantábrico: Un objetivo con dos enfoques, biogeográfico y dendroecológico

Los estudios paleoecológicos holocenos basados en macro- y megafósiles encierran un gran valor debido a que su información tiene generalmente carácter local, su origen es conocido, pueden ser datados directamente mediante el método radiocarbónico, y pueden identificarse a un nivel taxonómicamente preciso. Sin embargo son pocas las áreas del Sur de Europa en las que sea conocida una alta densidad de yacimientos con restos leñosos de gran tamaño. En esta tesis, se presentan datos de 53 yacimientos de la sierra de Gredos y de la cordillera Cantábrica (Península Ibérica). Los restos fueron hallados en ambientes variados, como zonas higroturbosas, turberas erosionadas o lagos, y fueron identificadas mediante el estudio de la anatomía de la madera o mediante rasgos morfológicos. En la sierra de Gredos, la evidencia paleobotánica indica la existencia de un panorama relativamente estable a lo largo del Holoceno medio y principio del Holoceno final y sugiere la persistencia, a lo largo de milenios, de un piso de pinares ampliamente distribuído en cotas altas de la sierra. La información obtenida de piñas y frutos mejoran la información taxonómica disponible y revelan la existencia tanto de Pinus sylvestris como de Pinus nigra en estas sierras durante el Holoceno. La datación radiocarbónica, medición de anillos de crecimiento y sincronización preliminar de 26 secciones de troncos de subfósiles demuestran el potencial de este material de las montañas de Iberia central en la obtención de cronologías holocenas de pino. En la cordillera Cantábrica, los datos aportan información espacialmente precisa de distribuciones de ciertas especies arbóreas durante el Holoceno. En las zonas centrales de la cordillera, han sido hallados fundamentalmente restos de pino, mientras que en las zonas más occidentales los pinos estás ausentes y los restos encontrados corresponden a otras especies de caducifolios (Betula, Salix, Quercus) y arbustos (Erica, Fabaceae) Esta información paleobiogeográfica constrasta con la distribución natural actual de Pinus sylvestris y Pinus nigra en el área de estudio. En la sierra de Gredos, la naturalidad de las escasos rodales de pinos que aún persisten ha sido discutida, mientras que en la cordillera Cantábrica, la única especie del grupo que persiste es P. sylvestris y está localizada en unos pocos relictos. El clima pudo haber jugado un papel importante en una primera fase de declive de los pinares durante el Holoceno inicial, mostrado en numerosos registros polínicos de manera casi sincrónica y asociada a una expansión de frondosas. Sin embargo la información histórica disponible y la comparación entre las áreas de distribución de los pinares en el presente, modelizada y en momentos anteriores a la la generalización de la presión antrópica sugiere que durante los últimos dos milenios, la actividad humana ha sido responsable de la desaparición de estas especies como árboles naturales en áreas extensas. ABSTRACTMacro- and megafossil studies provide information of great value in palaeoecology because such evidence is spatially precise, directly radiocarbon dated and usually taxon-specific. However, few areas of southern Europe have a high density of sites with Holocene woody remains. Here, local data from 53 sites in the Gredos Mountains and the Cantabrian Range (Iberian Peninsula) is presented. Woody remains were recovered from mires, eroded peat bogs and lakes and were identified by their wood anatomy or morphological traits. In the Gredos Mountains, palaeobotanical evidence portrays a relatively stable picture of tree distribution over the mid- and beggining of the late-Holocene, and suggests the persistence of a widespread belt of pinewoods. Cones and fruits enlarge the taxonomic information available and reveal that both Pinus sylvestris and Pinus nigra were present locally during the Holocene. Radiocarbon dating, tree ring measurement and preliminary cross-dating of 26 pine sub-fossil logs demonstrate the potential of obtaining a long pine chronology from subfossil wood from the mountains of Central Iberia. In the Cantabrian Range the data provide spatially precise evidence of tree distribution in the region during the Holocene. Pines were mostly identified in the central areas, whereas at the western edge no pine evidence was detected and deciduous trees (Betula, Salix, Quercus) and shrubs (Erica, Fabaceae) were identified. This palaeoecological information contrasts with the current natural distribution ranges of P. sylvestris and P. nigra in the study area. In the Gredos Mountains, the naturality of the few pine stands currently growing has been heavily debated. In the Cantabrian Range P. sylvestris is the only pine species that is today present, and its natural presence is now limited to a few enclaves. Climate may have played a key role in the early-Holocene, as pollen archives document a pine demise that is synchronous with the spread of broadleaved taxa. However, available historical data and the comparison of the reconstructed distribution of pinewoods before extensive human forest disturbance with both present and modelled distributions suggests that during the last two millennia, anthropogenic activity may have removed these species as native trees from a large territory.

Unearthing the roots of degradation of Quercus pyrenaica coppices: an integrative perspective from clonal structure to carbon budgets

Quercus pyrenaica es una especie rebrotadora de raíz intensa e históricamente aprovechada en monte bajo para la obtención de leñas, carbón y pastos. Debido al éxodo rural y a la aparición de nuevas fuentes energéticas, este aprovechamiento fue abandonado en la década de 1970. Desde entonces, las bajas producciones de madera y bellota y el puntisecado de los pies evidencian el generalizado estancamiento de estas masas. Uno de los mayores retos actuales de la selvicultura en el ámbito mediterráneo es encontrar usos alternativos para estos montes abandonados, siendo la conversión a monte alto una de las alternativas preferidas. Se han realizado resalveos de conversión, sin embrago, éstos se aplican sin un conocimiento integral de las causas de la degradación. En esta tesis doctoral, estudiamos un hipotético desequilibrio entre la parte radical y la parte aérea (R:S) de las cepas de rebollo como causa subyacente de su decaimiento. En una parcela experimental, aprovechada al menos desde el siglo XII, se realizaron análisis genéticos a priori para elucidar la estructura genética del rodal, y así estudiar la influencia del tamaño clonal en el funcionamiento de las cepas. Las cepas de mayor tamaño presentaron un menor crecimiento diametral de sus pies, así como mayores tasas de respiración radical, estimadas a partir de flujos internos de CO2 a través del xilema (FT) y de los flujos de CO2 del suelo. Estos resultados sugieren que el desequilibrio R:S aumenta con el tamaño clonal, dado que la eliminación periódica de órganos aéreos, al mismo tiempo que las raíces permanecen intactas, da lugar a un gran desarrollo del sistema radical que consume gran parte de los carbohidratos no estructurales (NSC) en respiración de mantenimiento, comprometiendo así el desarrollo de órganos aéreos. Se excavaron y pesaron dos cepas compuestas por cuatro y ocho pies, las cuales mostraron ratios R:S (0.5 y 1, respectivamente) superiores a los registrados en pies de origen sexual. Al igual que en otras especies rebrotadoras de raíz, se observaron altas concentraciones de NSC en las raíces (> 20% en primavera) y una gran proporción de albura en el sistema radical (52%) que alberga una notable reserva de NSC (87 kg en la cepa de mayor tamaño). En el sistema radical de dicha cepa, estimada mediante dataciones radiocarbónicas en 550 años de edad, se contaron 248 uniones radicales. La persistencia de sistemas radicales grandes, viejos, y altamente interconectados sugiere que la gran cantidad de recursos almacenados y consumidos en las raíces compensan un pobre desarrollo aéreo con una alta resiliencia vegetativa. Para un mejor entendimiento de los balances de carbono y del agotamiento de NSC en las cepas de rebollo, se midieron los flujos internos y externos de CO2 en troncos y los flujos de CO2 del suelo, y se estimó la respiración de órganos aéreos (RS) y subterráneos (RR). Estacionalmente, RS y RR reflejaron las dinámicas de flujo de savia y de crecimiento del tronco, y estuvieron determinadas principalmente por los flujos externos de CO2, dada la escasa contribución de FT a RS y RR (< 10% y < 2%, respectivamente). En una escala circadiana, la contribución de FT a RS aumentó hasta un 25% en momentos de alta transpiración. Las bajas concentraciones de CO2 en el xilema ([CO2] hasta un 0.11%) determinaron comparativamente unos bajos FT, probablemente causados por una limitada respiración del xilema y una baja resistencia a la difusión radial del CO2 impuestos por la sequía estival. Los pulsos de [CO2] observados tras las primeras lluvias de otoño apoyan esta idea. A lo largo del periodo vegetativo, el flujo medio de CO2 procedente del suelo (39 mol CO2 day-1) fue el mayor flujo respiratorio, tres y cuatro veces superior a RS (12 mol CO2 day-1) y RR (8-9 mol CO2 day-1), respectivamente. Ratios RR/RS menores que la unidad evidencian un importante peso de la respiración aérea como sumidero de carbono adicional. Finalmente, se ensayó el zanjado de raíces y el anillamiento de troncos como tratamientos selvícolas alternativos con el objetivo de aumentar las reservas de NSC en los troncos de las cepas. Los resultados preliminares desaconsejan el zanjado de raíces por el alto coste derivado posiblemente de la cicatrización de las heridas. El anillado de troncos imposibilitó el transporte de NSC a las raíces y aumentó la concentración de almidón por encima de la zona anillada, mientras que sistema radical se mantiene por los pies no anillados de la cepa. Son necesarias más mediciones y datos adicionales para comprobar el mantenimiento de esta respuesta positiva a largo plazo. Para concluir, destacamos la necesidad de estudios multidisciplinares que permitan una comprensión integral de la degradación de los rebollares ibéricos para poder aplicar a posteriori una gestión adecuada en estos montes bajos abandonados. ABSTRACT Quercus pyrenaica is a vigorous root-resprouting species intensively and historically coppiced for firewood, charcoal and woody pastures. Due to the rural exodus and the appearance of new energy sources, coppicing was abandoned towards 1970. Since then, tree overaging has resulted in stand stagnation displayed by slow stem growth, branch dieback, and scarce acorn production. The urgent need to find new alternative uses for abandoned coppices is recognized as one of the biggest challenges which currently faces Mediterranean silviculture; conversion into high forest by thinning is one of the preferred alternatives. For this aim, thinning has been broadly applied and seldom tested, although without a comprehensive understanding of the causes of stand stagnation. In this PhD study, we test the hypothesis of an imbalance between above- and below-ground organs, result of long term coppicing, as the underlying cause of Q. pyrenaica decay. In an experimental plot coppiced since at least the 12th century, genetic analyses were performed a priori to elucidate inconspicuous clonal structure of Q. pyrenaica to evaluate how clonal size affects the functioning of these multi-stemmed trees. Clonal size negatively affected diametric stem growth, whereas root respiration rates, measured by internal fluxes of CO2 through xylem (FT) and soil CO2 efflux, increased with clonal size. These results suggest root-to-shoot (R:S) imbalance intensifying with clonal size: periodic removal of aboveground organs whilst belowground organs remain undisturbed may have led to massive root systems which consume a great proportion of non-structural carbohydrates (NSC) for maintenance respiration, thus constraining aboveground performance. Furthermore, excavation of two multi-stemmed trees, composed by four and eight stems, revealed R:S ratios (0.5 and 1, respectively) greater than those reported for sexually regenerated trees. Moreover, as similarly observed in several root-resprouting species, NSC allocation to roots was favored ([NSC] > 20% in spring): a large proportion of sapwood maintained throughout the root system (52%) stored a remarkable NSC pool of 87 kg in the case of the largest clone. In this root system of the eight-stemmed tree, 248 root connections were counted and, by radiocarbon dating, its age was estimated to be 550-years-old. Persistence of massive, old and highly interconnected root systems suggests that enhanced belowground NSC storage and consumption reflects a trade-off between vegetative resilience and aboveground development. For a better understanding of tree carbon budget and the potential role of carbon starvation in Q. pyrenaica decay, internal and external stem CO2 fluxes and soil CO2 effluxes were monitored to evaluate respiratory costs above- and below-ground. On a seasonal scale, stem and root respiration (RS and RR) mirrored sap flow and stem growth dynamics. Respiration was determined to the greatest extent by external fluxes of CO2 to the atmosphere or soil, since FT accounted for a low proportion of RS and RR (< 10% and < 2%, respectively). On a diel scale, the contribution of FT to RS increased up to 25% at high transpiration rates. Comparatively low FT was determined by the low concentration of xylem CO2 registered ([CO2] as low as 0.11%), likely as a consequence of constrained xylem respiration and reduced resistance to CO2 radial diffusion imposed by summer drought. Xylem [CO2] pulses following first autumn rains support this idea. Averaged over the growing season, soil CO2 efflux was the greatest respiratory flux (39 mol CO2 day-1), three and four times greater than RS (12 mol CO2 day-1) and RR (8-9 mol CO2 day-1), respectively. Ratios of RR/RS below one evidence an additional and important weight of aboveground respiration as a tree carbon sink. Finally, root trenching and stem girdling were tested as complimentary treatments to thinning as a means to improve carbon reserves in stems of clonal trees. Preliminary results discouraged root trenching due to the high cost likely incurred for wound closure. Stem girdling successfully blocked NSC translocation downward, increasing starch concentrations above the girdled zone whilst the root system is fed by non-girdled stems within the clone. Further measurements and ancillary data are necessary to verify that this positive effect hold over time. To conclude, the need of multidisciplinary approaches for an integrative understanding on the functioning of abandoned Q pyrenaica coppices is highlighted for an appropriate management of these stands.