Effects of simulated herbivory on photosynthesis and N resorption efficiency in Quercus pyrenaica Willd. saplings

We examined the effects of simulated folivory by caterpillars on photosynthetic parameters and nitrogen (N) resorption efficiency in Quercus pyrenaica saplings. We analyzed the differences between intact leaves in control plants, punched leaves in damaged plants, and intact leaves in damaged plants. We then established two levels of simulated folivory: low (approximate to 13% of the leaf area of one main branch removed per plant) and high (approximate to 26% of the leaf area of one main branch removed per plant) treatments. No differences were found in net assimilation rate and conductance between either leaf type or treatment during the most favourable period for photosynthesis. However, the N content was lower in punched than in intact leaves, and as a result PNUE was higher in damaged leaves from treated trees. In leaf-litter samples, N mass was significantly higher in punched than in intact leaves in treated plants, and LMA was significantly higher in damaged than in intact leaves of both the treated and control plants. Consequently, N resorption efficiency was around 15% lower in damaged leaves as compared with intact leaves from treated and control plants. Mechanical injury to leaves not only triggered no compensatory photosynthetic response to compensate a lower carbon uptake due to leaf area loss, but also affected the resorption process that characterizes leaf senescence.

Unearthing the roots of degradation of Quercus pyrenaica coppices: A root-to-shoot imbalance caused by historical management?

Slow growth, branch dieback and scarce acorn yield are visible symptoms of decay in abandoned Quercus pyrenaica coppices. A hypothetical root-to-shoot (R:S) imbalance provoked by historical coppicing is investigated as the underlying driver of stand degradation. After stem genotyping, 12 stems belonging to two clones covering 81 and 16 m2 were harvested and excavated to measure above- and below-ground biomass and nonstructural carbohydrate (NSC) pools. To study root system functionality, root connections and root longevity were assessed by radiocarbon analysis. Seasonality of NSC was monitored on five additional clones. NSC pools, R:S biomass ratio and fine roots-to-foliage ratio were higher in the large clone, whose centennial root system, estimated to be 550 years old, maintained large amounts of sapwood (51.8%) for NSC storage. 248 root connections were observed within the large clone, whereas the small clone showed comparatively simpler root structure (26 connections). NSC concentrations were higher in spring (before bud burst) and autumn (before leaf fall), and lower in summer (after complete leaf expansion); they were always higher in roots than in stems or twigs. The persistence of massive and highly inter-connected root systems after coppicing may lead to increasing R:S biomass ratios and root NSC pools over time. We highlight the need of surveying belowground organs to understand aboveground dynamics of Q. pyrenaica, and suggest that enhanced belowground NSC storage and consumption reflect a trade-off between clonal vegetative resilience and aboveground performance.

Revisión histórica y tipificación dasométrica de los rebollares (Quercus pyrenaica Willd.) del M.U.P. nº1 "Matas de Valsaín" (Segovia). Influencia de la cepa en el crecimiento del árbol individual.

El presente Proyecto Fin de Carrera forma parte de un Estudio más amplio llevado a cabo por la Unidad de Anatomía, Fisiología y Genética de la E.T.S.I. de Montes y la Unidad Docente de Dasometría, Ordenación de Montes y Aprovechamientos Forestales del Departamento de Economía y Gestión Forestal de la E.U.I.T. Forestal ambos pertenecientes a la Universidad Politécnica de Madrid. El objetivo general de dicho estudio es analizar el estado actual del rebollar en las “Matas de Valsaín”, desde la caracterización de la masa y la gestión a nivel de monte hasta el efecto de la cepa en el crecimiento del árbol individual. Los objetivos concretos del presente Proyecto de Fin de Carrera son los siguientes: 1. Análisis de la evolución histórica de la Ordenación a través del Proyecto de Ordenación y las dos revisiones elaboradas hasta la fecha para conocer el estado de las masas y sus tratamientos pasados. 2. Caracterización Estructural de los rebollares de acuerdo con la clave tipológica utilizadas para los rebollares de la Comunidad de Madrid (Serrada et al., 1993) a partir de los inventarios de la 1ª Revisión, de 1993 y la 2ª Revisión, de 2003. 3. Análisis de la influencia de la clonalidad en el crecimiento en altura media y en el crecimiento en sección del árbol individual y determinación del efecto de la competencia entre pies de la misma cepa y entre cepas en dicho crecimiento.

El efecto de los ungulados silvestres sobre la supervivencia de las plántulas de Quercus pyrenaica: Importancia del matorral no apetecido

Este estudio analiza la supervivencia de las plántulas de rebollo (Quercus pyrenaica) en el Parque Nacional de Cabañeros donde existe una alta densidad de ungulados (ciervos y jabalíes fundamentalmente). Nuestra hipótesis es que la preferencia de los fitófagos ramoneadores por ciertas especies de matorral puede modificar la probabilidad de que una plántula de roble que crece junto al matorral sea dañada. Para ello se plantaron 300 plántulas bajo tres microhábitats: a) bajo matorral no apetecido por cérvidos; b) bajo matorral apetecido y preferido por cérvidos y c) en zonas sin cobertura de matorral. Los resultados del seguimiento de las plántulas desde la primavera (marzo) hasta el otoño (octubre) de 2011 indican que sólo un 19,6% de las plántulas sobrevivieron todo el periodo vegetativo. Un 48,8% de las plántulas sobrevivieron hasta junio, siendo el jabalí el principal responsable de la mortalidad de plántulas durante los primeros meses (marzo y abril), provocando el 83,6% de las muertes. En general, sobrevivieron más plántulas bajo cobertura de matorral (28% de supervivencia) que en claro (3%). Las plántulas bajo matorral apetecido por cérvidos presentaron el menor porcentaje de ataque por jabalí (21%), que sin embargo sufrieron un mayor ataque por cérvidos (51%). Los resultados obtenidos pueden ser de una indudable aplicación para la gestión y conservación de los rebollares y otras formaciones de Quercus sometidas a superpoblación de ungulados.

Efectos de la gestión selvícola pasada y presente sobre la diversidad genética actual y futura de Quercus pyrenaica Willd. en Sierra Nevada

Quercus pyrenaica Willd. es un roble mediterráneo-occidental, ampliamente distribuido en la península ibérica que presenta una extraordinaria capacidad de rebrote, especialmente de raíz. Tradicionalmente ha sido aprovechado para leñas en monte bajo y, menos frecuentemente, adehesado para el uso ganadero. El abandono de la gestión tradicional mayoritaria ha puesto de manifiesto el estado de degradación de sus masas (falta de crecimiento, puntisecado, ausencia de fructificación), que de forma teórica se había atribuido al agotamiento de las cepas y a la falta de diversidad genética. Sin embargo, el análisis reciente mediante marcadores moleculares microsatélites de numerosos rebollares, incluidos los que aquí se presentan, permite descartar la supuesta falta de variabilidad genética. No obstante, la falta de concordancia entre la estructuras forestales de montes bajos y adehesados y el origen asexual o sexual de sus pies, junto a la heterogeneidad en el tamaño y composición de las cepas dificulta la interpretación de la estructura clonal actual en cada monte. Este trabajo, en el que se evalúa el estado de conservación de los recursos genéticos de Q. pyrenaica en uno de los territorios más intensamente aprovechados por el hombre a lo largo de la historia, ilustra la importante resiliencia que presenta la especie frente al manejo tradicional en monte bajo. Mediante el estudio de tres rodales localizados en el mismo robledal en el Parque Nacional de Sierra Nevada, se analiza el efecto de la gestión pasada (en monte bajo y adehesado) y presente (en un rodal de monte bajo resalveado) sobre la diversidad genética y la estructura clonal de la especie. Además, se evalúa la evolución futura de la diversidad genética a través del análisis del regenerado en los tres rodales en función del manejo selvícola que han experimentado. A pesar de que los montes bajos presentan mayores niveles de diversidad genética para la cohorte adulta, el origen asexual de la cohorte juvenil podría limitar la evolución de la diversidad genética en el futuro. Por el contrario, en el monte adehesado, la regeneración mayoritaria

Interacciones planta-animal en la regeneración de Quercus pyrenaica: ecología y gestión

Los rebollares de Quercus pyrenaica son formaciones casi exclusivas de la península ibérica cuya regeneración sexual se encuentra fuertemente comprometida como consecuencia de su estructura dominada por rebrotes de cepa y raíz (monte bajo). El abandono del aprovechamiento histórico de estos rebrotes (leña, carbón, etc.) ha provocado que, actualmente, muchos rebollares se hayan convertido en ecosistemas degradados con exceso de espesura, puntisecado y estancamiento del crecimiento. Este trabajo trata de resumir el estado del conocimiento de las principales interacciones planta-animal en la regeneración sexual de los bosques dominados por el rebollo, con el fin de proporcionar bases científicas para una mejor gestión y conservación de estos ecosistemas. Algunas especies animales (arrendajo, ratón de campo, trepador azul) juegan un papel importante en la dispersión efectiva de las bellotas, lo que contribuye a un mejor flujo génico y a la colonización de nuevos lugares. Sin embargo, la creciente densidad de ungulados silvestres (ciervo, jabalí, etc.) es uno de los factores de mayor amenaza para estos bosques al reducir drásticamente el número de bellotas disponibles para la germinación y limitar el crecimiento y la supervivencia de las nuevas plántulas. Además, existen interacciones multi-tróficas (p. ej. bellota-predador-dispersor) y fenómenos de facilitación (plántula-matorral) que revelan la importancia de las relaciones múltiples en la regeneración de los rebollares. Finalmente, se exponen posibles medidas de gestión encaminadas a facilitar la regeneración sexual de estos sistemas de manera que pueda revertirse la actual situación de estancamiento y decaimiento de muchos rebollares.

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.