Promoting mixed stands through conversion treatments. Effect of holm oak coppices thinning on black pine regeneration

The effects of conversion treatments, depending on ecological factors and silvicultural parameters (thinning intensity, thinning type and rotation, among others) have been studied during the last fifteen years in an experimental trial in Central Spain. The general climate is continental Mediterranean; soils are low depth and limy; vegetation is an homogeneous dense coppices of Quercus ilex with isolated Pinus nigra trees. The experimental design (three locations) includes different thinning intensities (from 0 to 100% of extracted basal area). Inventories have been carried out in 1994 and 2010; thinning treatments were done in 1995 and 2011. Analysis of the effects of the conversion treatment show the increment of diameter and height growth rates, the canopy recovery and the stand resprouting, finding differences in these effects between thinning treatments. Besides the induced changes at holm oak stand, the application of conversion treatment clearly changed the woodland dynamics. Fifteen years after the thinnings, floristic composition varied and an abundant pine regeneration was installed in the woodland. In this work we describe the changes between inventories in tree species composition and diameter distribution, specially in the case of black pine. The conversion treatment caused changes in forest dynamics in the short term, increasing biodiversity and diversifying the forest structure. The fast installation of Pinus regeneration suggests the potential of the zone for the establishment of multipurpose mixed Quercus-Pinus stands in wide areas where Quercus species were favoured by human populations for firewood production. Conversion treatment of coppices, with the creation of mixed stands, constitutes a good management alternative for extensive areas and an interesting technique to adaptation to global change.

Dinámica vegetal desde el tardiglaciar en la cuenca del Duero: interacciones con clima, fuego e impacto humano

La cuenca del Duero constituye un vasto territorio ibérico cuyo paisaje se encuentra actualmente muy alterado por la mano del hombre y es prácticamente imposible localizar alguna manifestación de su cubierta vegetal natural. Aunque la historia de la vegetación en los sectores central y oriental es relativamente bien conocida, en su mitad occidental los registros paleoecológicos estudiados hasta la fecha son prácticamente inexistentes. Esto hace que se desconozca la respuesta de la vegetación a las diferentes oscilaciones climáticas que se han producido desde el Último Máximo Glaciar, cuál fue el impacto de las diferentes culturas sobre el medio, cuándo se produjo una alteración profunda de la vegetación natural y cuál ha sido la historia de los incendios. Este último aspecto, el papel e importancia de los incendios, reviste un especial interés en la península Ibérica dada su situación geográfica y climática dentro de la cuenca Mediterránea, donde el fuego es un factor ecológico de primer nivel. Las distintas técnicas paleoecológicas son las más adecuadas para abordar todas estas preguntas. De este modo, los avatares de la vegetación a través del tiempo se han reconstruido mediante el análisis polínico y de macrofósiles, el impacto humano se ha trazado utilizando indicadores polínicos ligados a actividades antrópicas y esporas de hongos coprófilos, estudiándose los incendios a partir del registro de partículas microscópicas de carbón. La alta resolución temporal y taxonómica alcanzada en estos análisis, así como la amplia superficie abarcada con los yacimientos estudiados, hacen que la información obtenida sea altamente detallada y complete el conocimiento que se tiene sobre la cuenca del Duero. El Tardiglaciar se registra por primera vez en la Meseta Norte Ibérica en la secuencia de Ayoó de Vidriales, donde una vegetación esteparia prácticamente desarbolada domina durante los periodos fríos. Durante el interestadial Bølling/Allerød la expansión forestal (pinos, abedules) fue muy leve y tardía y fue interrumpida bruscamente por el Dryas Reciente. Al final del Dryas Reciente o al inicio del Holoceno se produjo una acusada y rápida expansión de los bosques. Esta dinámica sugiere que no hubo refugios glaciares importantes en esta zona de la Meseta durante el “Mystery Interval”, aparentemente el periodo más frío y seco. Los incendios fueron muy escasos, aumentando de forma muy brusca al inicio del Holoceno por el aumento de biomasa y las condiciones relativamente cálidas y secas. A partir de los registros de Ayoó y El Maíllo se consolida la importancia del gradiente oceanicidad-continentalidad en el Sistema Central y la Meseta Norte, que se manifiesta principalmente en la dominancia más prolongada de los pinares hacia el interior. Además, otra de las principales contribuciones de la presente tesis es proporcionar evidencia sobre la sucesión de distintos tipos de bosques en el noroeste de la Meseta, precisando el marco temporal en el que suceden. Así, se ha constatado que hubo un máximo desarrollo del bosque caducifolio durante el Holoceno medio en Ayoó de Vidriales y una baja incidencia del fuego que sugieren que el clima fue más húmedo que en el Holoceno inicial. El estudio de macrofósiles leñosos ha permitido detectar procesos que con el análisis polínico habrían pasado desapercibidos, como la persistencia hasta el Holoceno final de Pinus sylvestris en la sierra del Teleno y la sustitución de P. sylvestris por P. pinaster en la sierra de Francia durante el Holoceno inicial. También el estudio de los carbones procedentes de los arenales de Tierra de Pinares han proporcionado la prueba definitiva de la naturalidad de los pinares de P. pinaster. El impacto humano se detecta temprano en las secuencias del oeste de la cuenca del Duero, durante el Neolítico, aunque ha sido mucho más acusado desde la Edad del Hierro (ca 2700-2500 años cal BP). Para la detección del impacto humano temprano ha sido clave el análisis de esporas de hongos coprófilos, cuyo análisis fue incorporado en la secuencia de Ayoó de Vidriales. Una de sus principales consecuencias fue el establecimiento de comunidades de matorral (brezales, piornales) sobre amplias extensiones del occidente de la cuenca del Duero, vinculado al recrudecimiento de los regímenes de incendios. A pesar de que los incendios han sido ecológicamente importantes desde el inicio del Holoceno, los cambios introducidos por el hombre en sus regímenes sobrepasaron la resiliencia de los bosques originales, lo cual condujo a su sustitución sostenida por matorrales. ABSTRACT The Duero Basin constitutes a vast Iberian territory which is currently strongly disturbed due to human activities, so it is very difficult to find any remnant of the natural vegetation. Vegetation history for the eastern and western sectors of the Basin is relatively well-known but, in contrast, there is an almost complete lack of palaeoecological record in the western area. Consequently, there exists a profound ignorance about vegetation responses to the climatic oscillations occurred since the Last Glacial Maximum, the environmental impact of the different cultures, when a severe disturbance of the natural vegetation took place and fire history. The last question, the role and importance of fire, has a special interest in the Iberian Peninsula due to its geographic and climatic framework, the Mediterranean Basin, where fire is a major ecological factor. The diverse palaeoecological techmiques are the most suitable tools to address all these questions. Thus, vegetation shifts through time have been reconstructed using pollen and macrofossil analyses, human impact has been tracked by means of anthropogenic pollen indicators and dung fungal spores, while fire history has been studied from the quantification of microscopic charcoal particles. The high taxonomic and time resolution attained along with the extensive surface covered by the studied sites provide detailed information very useful to complete the knowledge on landscape dynamics in the Duero Basin. The Lateglacial is recorded for the first time in the Northern Iberian Plateau in the sequence from Ayoó de Vidriales, showing that almost treeless steppic vegetation dominated during the cold periods. Tree expansion (pines, birches) was late and slight during the Bølling/Allerød interstadial and was sharply interrupted by the Younger Dryas (YD) climatic reversal. By the end of the YD or the onset of the Holocene, a rapid forest expansion occurred. This forest dynamics suggests an absence of important glacial refugia for trees in this area of the Plateau during the Mystery Interval, apparently the coldest and driest period. Fires were fairly rare, increasing abruptly at the beginning of the Holocene due to the relatively warm and dry climate and the accumulation of biomass. The records from Ayoó and El Maíllo reinforce the role of the oceanicity-continentality gradient in the vegetation history of the Iberian Central Range and the Iberian Northern Plateau, reflected mainly in the longer dominance of pine forests towards inland areas. Further, another important contribution of this PhD Thesis is providing evidence on the succession of different forest types in the northestern fringe of the Plateau, specifying the chronological framework. A maximum of deciduous forest development and low fire activity have been detected in Ayoó de Vidriales during the mid-Holocene, suggesting that climate was wetter than in the early Holocene. The study of woody macrofossils has allowed detecting processes which would have remained unnoticed using pollen analysis alone, such as the persistence of Pinus sylvestris until the late Holocene in the Teleno Mountains and the early Holocene replacement of P. sylvestris with P. pinaster in the sierra de Francia range. The study of macroscopic charcoal fragments from palaeosols of the Tierra de Pinares has also provided the definitive proof of naturalness for the P. pinaster stands gorwing over this area at present. Early human impact, during the Neolithic, has been detected in the sequences from the western sector of the Duero Basin, although human disturbance has been more severe from the Iron Age onwards (ca 2700-2500 cal yr BP). The analysis of coprophilous fungi incorporated in the sequence of Ayoó de Vidriales has played a key role in recognizing that early human impact. One of the main consequences of human disturbance was the establishment of shrubland communities (heaths, brooms) over huge areas of the western Duero Basin, linked to severe and/or frequent fires. Despite fires has been ecologically important since the onset of the Holocene, human-induced changes in fire regimes have exceeded the resilience of original forests leading to a sustained replacement with shrublands.

Carbon allocation in north-western Amazon forests (Colombia)

Los estudios sobre la asignación del carbono en los ecosistemas forestales proporcionan información esencial para la comprensión de las diferencias espaciales y temporales en el ciclo del carbono de tal forma que pueden aportar información a los modelos y, así predecir las posibles respuestas de los bosques a los cambios en el clima. Dentro de este contexto, los bosques Amazónicos desempeñan un papel particularmente importante en el balance global del carbono; no obstante, existen grandes incertidumbres en cuanto a los controles abióticos en las tasas de la producción primaria neta (PPN), la asignación de los productos de la fotosíntesis a los diferentes componentes o compartimentos del ecosistema (aéreo y subterráneo) y, cómo estos componentes de la asignación del carbono responden a eventos climáticos extremos. El objetivo general de esta tesis es analizar los componentes de la asignación del carbono en bosques tropicales maduros sobre suelos contrastantes, que crecen bajo condiciones climáticas similares en dos sitios ubicados en la Amazonia noroccidental (Colombia): el Parque Natural Nacional Amacayacu y la Estación Biológica Zafire. Con este objetivo, realicé mediciones de los componentes de la asignación del carbono (biomasa, productividad primaria neta, y su fraccionamiento) a nivel ecosistémico y de la dinámica forestal (tasas anuales de mortalidad y reclutamiento), a lo largo de ocho años (20042012) en seis parcelas permanentes de 1 hectárea establecidas en cinco tipos de bosques sobre suelos diferentes (arcilloso, franco-arcilloso, franco-arcilloso-arenoso, franco-arenoso y arena-francosa). Toda esta información me permitió abordar preguntas específicas que detallo a continuación. En el Capítulo 2 evalúe la hipótesis de que a medida que aumenta la fertilidad del suelo disminuye la cantidad del carbono asignado a la producción subterránea (raíces finas con diámetro <2 mm). Y para esto, realicé mediciones de la masa y la producción de raíces finas usando dos métodos: (1) el de los cilindros de crecimiento y, (2) el de los cilindros de extracción secuencial. El monitoreo se realizó durante 2.2 años en los bosques con suelos más contrastantes: arcilla y arena-francosa. Encontré diferencias significativas en la masa de raíces finas y su producción entre los bosques y, también con respecto a la profundidad del suelo (010 y 1020 cm). El bosque sobre arena-francosa asignó más carbono a las raíces finas que el bosque sobre arcillas. La producción de raíces finas en el bosque sobre arena-francosa fue dos veces más alta (media ± error estándar = 2.98 ± 0.36 y 3.33 ± 0.69 Mg C ha1 año1, con el método 1 y 2, respectivamente), que para el bosque sobre arcillas, el suelo más fértil (1.51 ± 0.14, método 1, y desde 1.03 ± 0.31 a 1.36 ± 0.23 Mg C ha1 año1, método 2). Del mismo modo, el promedio de la masa de raíces finas fue tres veces mayor en el bosque sobre arena-francosa (5.47 ± 0.17 Mg C ha1) que en el suelo más fértil (de 1.52 ± 0.08 a 1.82 ± 0.09 Mg C ha1). La masa de las raíces finas también mostró un patrón temporal relacionado con la lluvia, mostrando que la producción de raíces finas disminuyó sustancialmente en el período seco del año 2005. Estos resultados sugieren que los recursos del suelo pueden desempeñar un papel importante en los patrones de la asignación del carbono entre los componentes aéreo y subterráneo de los bosques tropicales; y que el suelo no sólo influye en las diferencias en la masa de raíces finas y su producción, sino que también, en conjunto con la lluvia, sobre la estacionalidad de la producción. En el Capítulo 3 estimé y analicé los tres componentes de la asignación del carbono a nivel del ecosistema: la biomasa, la productividad primaria neta PPN, y su fraccionamiento, en los mismos bosques del Capítulo 2 (el bosque sobre arcillas y el bosque sobre arena-francosa). Encontré diferencias significativas en los patrones de la asignación del carbono entre los bosques; el bosque sobre arcillas presentó una mayor biomasa total y aérea, así como una PPN, que el bosque sobre arena-francosa. Sin embargo, la diferencia entre los dos bosques en términos de la productividad primaria neta total fue menor en comparación con las diferencias entre la biomasa total de los bosques, como consecuencia de las diferentes estrategias en la asignación del carbono a los componentes aéreo y subterráneo del bosque. La proporción o fracción de la PPN asignada a la nueva producción de follaje fue relativamente similar entre los dos bosques. Nuestros resultados de los incrementos de la biomasa aérea sugieren una posible compensación entre la asignación del carbono al crecimiento de las raíces finas versus el de la madera, a diferencia de la compensación comúnmente asumida entre la parte aérea y la subterránea en general. A pesar de estas diferencias entre los bosques en términos de los componentes de la asignación del carbono, el índice de área foliar fue relativamente similar entre ellos, lo que sugiere que el índice de área foliar es más un indicador de la PPN total que de la asignación de carbono entre componentes. En el Capítulo 4 evalué la variación espacial y temporal de los componentes de la asignación del carbono y la dinámica forestal de cinco tipos e bosques amazónicos y sus respuestas a fluctuaciones en la precipitación, lo cual es completamente relevante en el ciclo global del carbono y los procesos biogeoquímicos en general. Estas variaciones son así mismo importantes para evaluar los efectos de la sequía o eventos extremos sobre la dinámica natural de los bosques amazónicos. Evalué la variación interanual y la estacionalidad de los componentes de la asignación del carbono y la dinámica forestal durante el periodo 2004−2012, en cinco bosques maduros sobre diferentes suelos (arcilloso, franco-arcilloso, franco-arcilloso-arenoso, franco-arenoso y arena-francosa), todos bajo el mismo régimen local de precipitación en la Amazonia noroccidental (Colombia). Quería examinar sí estos bosques responden de forma similar a las fluctuaciones en la precipitación, tal y como pronostican muchos modelos. Consideré las siguientes preguntas: (i) ¿Existe una correlación entre los componentes de la asignación del carbono y la dinámica forestal con la precipitación? (ii) ¿Existe correlación entre los bosques? (iii) ¿Es el índice de área foliar (LAI) un indicador de las variaciones en la producción aérea o es un reflejo de los cambios en los patrones de la asignación del carbono entre bosques?. En general, la correlación entre los componentes aéreo y subterráneo de la asignación del carbono con la precipitación sugiere que los suelos juegan un papel importante en las diferencias espaciales y temporales de las respuestas de estos bosques a las variaciones en la precipitación. Por un lado, la mayoría de los bosques mostraron que los componentes aéreos de la asignación del carbono son susceptibles a las fluctuaciones en la precipitación; sin embargo, el bosque sobre arena-francosa solamente presentó correlación con la lluvia con el componente subterráneo (raíces finas). Por otra parte, a pesar de que el noroeste Amazónico es considerado sin una estación seca propiamente (definida como <100 mm meses −1), la hojarasca y la masa de raíces finas mostraron una alta variabilidad y estacionalidad, especialmente marcada durante la sequía del 2005. Además, los bosques del grupo de suelos francos mostraron que la hojarasca responde a retrasos en la precipitación, al igual que la masa de raíces finas del bosque sobre arena-francosa. En cuanto a la dinámica forestal, sólo la tasa de mortalidad del bosque sobre arena-francosa estuvo correlacionada con la precipitación (ρ = 0.77, P <0.1). La variabilidad interanual en los incrementos en el tallo y la biomasa de los individuos resalta la importancia de la mortalidad en la variación de los incrementos en la biomasa aérea. Sin embargo, las tasas de mortalidad y las proporciones de individuos muertos por categoría de muerte (en pie, caído de raíz, partido y desaparecido), no mostraron tendencias claras relacionadas con la sequía. Curiosamente, la hojarasca, el incremento en la biomasa aérea y las tasas de reclutamiento mostraron una alta correlación entre los bosques, en particular dentro del grupo de los bosques con suelos francos. Sin embargo, el índice de área foliar estimado para los bosques con suelos más contrastantes (arcilla y arena-francosa), no presentó correlación significativa con la lluvia; no obstante, estuvo muy correlacionado entre bosques; índice de área foliar no reflejó las diferencias en la asignación de los componentes del carbono, y su respuesta a la precipitación en estos bosques. Por último, los bosques estudiados muestran que el noroeste amazónico es susceptible a fenómenos climáticos, contrario a lo propuesto anteriormente debido a la ausencia de una estación seca propiamente dicha. ABSTRACT Studies of carbon allocation in forests provide essential information for understanding spatial and temporal differences in carbon cycling that can inform models and predict possible responses to changes in climate. Amazon forests play a particularly significant role in the global carbon balance, but there are still large uncertainties regarding abiotic controls on the rates of net primary production (NPP) and the allocation of photosynthetic products to different ecosystem components; and how the carbon allocation components of Amazon forests respond to extreme climate events. The overall objective of this thesis is to examine the carbon allocation components in old-growth tropical forests on contrasting soils, and under similar climatic conditions in two sites at the Amacayacu National Natural Park and the Zafire Biological Station, located in the north-western Amazon (Colombia). Measurements of above- and below-ground carbon allocation components (biomass, net primary production, and its partitioning) at the ecosystem level, and dynamics of tree mortality and recruitment were done along eight years (20042012) in six 1-ha plots established in five Amazon forest types on different soils (clay, clay-loam, sandy-clay-loam, sandy-loam and loamy-sand) to address specific questions detailed in the next paragraphs. In Chapter 2, I evaluated the hypothesis that as soil fertility increases the amount of carbon allocated to below-ground production (fine-roots) should decrease. To address this hypothesis the standing crop mass and production of fine-roots (<2 mm) were estimated by two methods: (1) ingrowth cores and, (2) sequential soil coring, during 2.2 years in the most contrasting forests: the clay-soil forest and the loamy-sand forest. We found that the standing crop fine-root mass and its production were significantly different between forests and also between soil depths (0–10 and 10–20 cm). The loamysand forest allocated more carbon to fine-roots than the clay-soil forest, with fine-root production in the loamy-sand forest twice (mean ± standard error = 2.98 ± 0.36 and 3.33 ± 0.69 Mg C ha −1 yr −1, method 1 and 2, respectively) as much as for the more fertile claysoil forest (1.51 ± 0.14, method 1, and from 1.03 ± 0.31 to 1.36 ± 0.23 Mg C ha −1 yr −1, method 2). Similarly, the average of standing crop fine-root mass was three times higher in the loamy-sand forest (5.47 ± 0.17 Mg C ha1) than in the more fertile soil (from 1.52 ± 0.08 a 1.82 ± 0.09 Mg C ha1). The standing crop fine-root mass also showed a temporal pattern related to rainfall, with the production of fine-roots decreasing substantially in the dry period of the year 2005. These results suggest that soil resources may play an important role in patterns of carbon allocation of below-ground components, not only driven the differences in the biomass and its production, but also in the time when it is produced. In Chapter 3, I assessed the three components of stand-level carbon allocation (biomass, NPP, and its partitioning) for the same forests evaluated in Chapter 2 (clay-soil forest and loamy-sand forest). We found differences in carbon allocation patterns between these two forests, showing that the forest on clay-soil had a higher aboveground and total biomass as well as a higher above-ground NPP than the loamy-sand forest. However, differences between the two types of forests in terms of stand-level NPP were smaller, as a consequence of different strategies in the carbon allocation of above- and below-ground components. The proportional allocation of NPP to new foliage production was relatively similar between the two forests. Our results of aboveground biomass increments and fine-root production suggest a possible trade-off between carbon allocation to fine-roots versus wood growth (as it has been reported by other authors), as opposed to the most commonly assumed trade-off between total above- and below-ground production. Despite these differences among forests in terms of carbon allocation components, the leaf area index showed differences between forests like total NPP, suggesting that the leaf area index is more indicative of total NPP than carbon allocation. In Chapter 4, I evaluated the spatial and temporal variation of carbon allocation components and forest dynamics of Amazon forests as well as their responses to climatic fluctuations. I evaluated the intra- and inter-annual variation of carbon allocation components and forest dynamics during the period 2004−2012 in five forests on different soils (clay, clay-loam, sandy-clay-loam, sandy-loam and loamy-sand), but growing under the same local precipitation regime in north-western Amazonia (Colombia). We were interested in examining if these forests respond similarly to rainfall fluctuations as many models predict, considering the following questions: (i) Is there a correlation in carbon allocation components and forest dynamics with precipitation? (ii) Is there a correlation among forests? (iii) Are temporal responses in leaf area index (LAI) indicative of variations of above-ground production or a reflection of changes in carbon allocation patterns among forests?. Overall, the correlation of above- and below-ground carbon allocation components with rainfall suggests that soils play an important role in the spatial and temporal differences of responses of these forests to rainfall fluctuations. On the one hand, most forests showed that the above-ground components are susceptible to rainfall fluctuations; however, there was a forest on loamy-sand that only showed a correlation with the below-ground component (fine-roots). On the other hand, despite the fact that north-western Amazonia is considered without a conspicuous dry season (defined as <100 mm month−1), litterfall and fine-root mass showed high seasonality and variability, particularly marked during the drought of 2005. Additionally, forests of the loam-soil group showed that litterfall respond to time-lags in rainfall as well as and the fine-root mass of the loamy-sand forest. With regard to forest dynamics, only the mortality rate of the loamy-sand forest was significantly correlated with rainfall (77%). The observed inter-annual variability of stem and biomass increments of individuals highlighted the importance of the mortality in the above-ground biomass increment. However, mortality rates and death type proportion did not show clear trends related to droughts. Interestingly, litterfall, above-ground biomass increment and recruitment rates of forests showed high correlation among forests, particularly within the loam-soil forests group. Nonetheless, LAI measured in the most contrasting forests (clay-soil and loamysand) was poorly correlated with rainfall but highly correlated between forests; LAI did not reflect the differences in the carbon allocation components, and their response to rainfall on these forests. Finally, the forests studied highlight that north-western Amazon forests are also susceptible to climate fluctuations, contrary to what has been proposed previously due to their lack of a pronounced dry season.

Natural regeneration in mediterranean mixed forests: effect of environmental conditions on the physiological optimum niche of the species = Regeneración natural en masas mixtas mediterráneas: efecto de las condiciones ambientales en el nicho óptimo fisiológico de las especies

Los montes Mediterráneos han experimentado múltiples cambios en las últimas décadas (tanto en clima como en usos), lo que ha conducido a variaciones en la distribución de especies. El aumento previsto de las temperaturas medias junto con la mayor variabilidad intra e inter anual en cuanto a la ocurrencia de eventos extremos o disturbios naturales (como periodos prolongados de sequía, olas de frío o calor, incendios forestales o vendavales) pueden dañar significativamente al regenerado, llevándolo hasta la muerte, y jugando un papel decisivo en la composición de especies y en la dinámica del monte. La amplitud ecológica de muchas especies forestales puede verse afectada, de forma que se esperan cambios en sus nichos actuales de regeneración. Sin embargo, la migración latitudinal de las especies en busca de mejores condiciones, podría ser una explicación demasiado simplista de un proceso mucho más complejo de interacción entre la temperatura y la precipitación, que afectaría a cada especie de un modo distinto. En este sentido tanto la capacidad de adaptación al estrés ambiental de una determinada especie, así como su habilidad para competir por los recursos limitados, podría significar variaciones dentro de una comunidad. Las características fisiológicas y morfológicas propias de cada especie se encuentran fuertemente relacionadas con el lugar donde cada una puede surgir, qué especies pueden convivir y como éstas responden a las condiciones ambientales. En este sentido, el conocimiento sobre las distintas respuestas ecofisiológicas observadas ante cambios ambientales puede ser fundamentales para la predicción de variaciones en la distribución de especies, composición de la comunidad y productividad del monte ante el cambio global. En esta tesis investigamos el grado de tolerancia y sensibilidad que cada una de las tres especies de estudio, coexistentes en el interior peninsular ibérico (Pinus pinea, Quercus ilex y Juniperus oxycedrus), muestra ante los factores abióticos de estrés típicos de la región Mediterránea. Nuestro trabajo se ha basado en la definición del nicho óptimo fisiológico para el regenerado de cada especie a través de la investigación en profundidad del efecto de la sequía, la temperatura y el ambiente lumínico. Para ello, hemos desarrollado un modelo de predicción de la tasa de asimilación de carbono que nos ha permitido identificar las condiciones óptimas ambientales donde el regenerado de cada especie podría establecerse con mayor facilidad. En apoyo a este trabajo y con la idea de estudiar el efecto de la sequía a nivel de toda la planta hemos desarrollado un experimento paralelo en invernadero. Aquí se han aplicado dos regímenes hídricos para estudiar las características fisiológicas y morfológicas de cada especie, sobre todo a nivel de raíz y crecimiento del tallo, y relacionarlas con las diferentes estrategias en el uso del agua de las especies. Por último, hemos estudiado los patrones de aclimatación y desaclimatación al frio de cada especie, identificando los periodos de sensibilidad a heladas, así como cuellos de botella donde la competencia entre especies podría surgir. A pesar de que el pino piñonero ha sido la especie objeto de la gestión de estas masas durante siglos, actualmente se encuentra en la posición más desfavorable para combatir el cambio global, presentado el nicho fisiológico más estrecho de las tres especies. La encina sin embargo, ha resultado ser la especie mejor cualificada para afrontar este cambio, seguida muy de cerca por el enebro. Nuestros resultados sugieren una posible expansión en el rango de distribución de la encina, un aumento en la presencia del enebro y una disminución progresiva del pino piñonero a medio plazo en estas masas. ABSTRACT Mediterranean forests have undergone multiple changes over the last decades (in both climate and land use), which have lead to variations in the distribution of species. The expected increase in mean annual temperature together with the greater inter and intra-annual variability in extreme events and disturbances occurrence (such as prolonged drought periods, cold or heat waves, wildfires or strong winds) can significantly damage natural regeneration, up to causing death, playing a decisive role on species composition and forest dynamics. The ecological amplitude for adaptation of many species can be affected in such a way that changes in the current regeneration niches of many species are expected. However, the forecasted poleward migration of species seeking better conditions could be an oversimplification of what is a more complex phenomenon of interactions among temperature and precipitation, that would affect different species in different ways. In this regard, either the ability to adapt to environmental stresses or to compete for limited resources of a single species in a mixed forest could lead to variations within a community. The ecophysiological and morphological traits specific to each species are strongly related to the place where each species can emerge, which species can coexist, and how they respond to environmental conditions. In this regard, the understanding of the ecophysiological responses observed against changes in environmental conditions can be essential for predicting variations in species distribution, community composition, and forest productivity in the context of global change. In this thesis we investigated the degree of tolerance and sensitivity that each of the three studied species, co-occurring in central of the Iberian Peninsula (Pinus pinea, Quercus ilex and Juniperus oxycedrus), show against the typical abiotic stress factors in the Mediterranean region. Our work is based on the optimal physiological niche for regeneration of each species through in-depth research on the effect of drought, temperature and light environment. For this purpose, we developed a model to predict the carbon assimilation rate which allows us to identify the optimal environmental conditions where regeneration from each species could establish itself more easily. To obtain a better understanding about the effect of low temperature on regeneration, we studied the acclimation and deacclimation patterns to cold of each species, identifying period of frost sensitivity, as well as bottlenecks where competition between species can arise. Finally, to support our results about the effect of water availabilty, we conducted a greenhouse experiment with a view of studying the drought effect at the whole plant level. Here, two watering regimes were applied in order to study the physiological and morphological traits of each species, mainly at the level of the root system and stem growth, and so relate them to the different water use strategies of the species. Despite the fact that stone pine has been the target species for centuries, nowadays this species is in the most unfavorable position to cope with climate change. Holm oak, however, resulted the species that is best adapted to tolerate the predicted changes, followed closely by prickly juniper. Our results suggest a feasible expansion of the distribution range in holm oak, an increase in the prickly juniper presence and a progressive decreasing of stone pine presence in the medium term in these stone pine-holm oak-prickly juniper mixed forests.

Nuevas herramientas para el estudio de la interacción entre especies en el espacio y en el tiempo

Las funciones de segundo orden son cada vez más empleadas en el análisis de procesos ecológicos. En este trabajo presentamos dos funciones de 2º orden desarrolladas recientemente que permiten analizar la interacción espacio-temporal entre dos especies o tipos funcionales de individuos. Estas funciones han sido desarrolladas para el estudio de interacciones entre especies en masas forestales a partir de la actual distribución diamétrica de los árboles. La primera de ellas es la función bivariante para procesos de puntos con marca Krsmm, que permite analizar la correlación espacial de una variable entre los individuos pertenecientes a dos especies en función de la distancia. La segunda es la función de reemplazo , que permite analizar la asociación entre los individuos pertenecientes a dos especies en función de la diferencia entre sus diámetros u otra variable asociada a dichos individuos. Para mostrar el comportamiento de ambas funciones en el análisis de sistemas forestales en los que operan diferentes procesos ecológicos se presentan tres casos de estudio: una masa mixta de Pinus pinea L. y Pinus pinaster Ait. en la Meseta Norte, un bosque de niebla de la Región Tropical Andina y el ecotono entre las masas de Quercus pyrenaica Willd. y Pinus sylvestris L. en el Sistema Central, en los que tanto la función Krsmm como la función r se utilizan para analizar la dinámica forestal a partir de parcelas experimentales con todos los árboles localizados y de parcelas de inventario.

Missing Rings in Pinus halepensis – The Missing Link to Relate the Tree-Ring Record to Extreme Climatic Events

Climate predictions for the Mediterranean Basin include increased temperatures, decreased precipitation, and increased frequency of extreme climatic events (ECE). These conditions are associated with decreased tree growth and increased vulnerability to pests and diseases. The anatomy of tree rings responds to these environmental conditions. Quantitatively, the width of a tree ring is largely determined by the rate and duration of cell division by the vascular cambium. In the Mediterranean climate, this division may occur throughout almost the entire year. Alternatively, cell division may cease during relatively cool and dry winters, only to resume in the same calendar year with milder temperatures and increased availability of water. Under particularly adverse conditions, no xylem may be produced in parts of the stem, resulting in a missing ring (MR). A dendrochronological network of Pinus halepensis was used to determine the relationship of MR to ECE. The network consisted of 113 sites, 1,509 trees, 2,593 cores, and 225,428 tree rings throughout the distribution range of the species. A total of 4,150 MR were identified. Binomial logistic regression analysis determined that MR frequency increased with increased cambial age. Spatial analysis indicated that the geographic areas of south-eastern Spain and northern Algeria contained the greatest frequency of MR. Dendroclimatic regression analysis indicated a non-linear relationship of MR to total monthly precipitation and mean temperature. MR are strongly associated with the combination of monthly mean temperature from previous October till current February and total precipitation from previous September till current May. They are likely to occur with total precipitation lower than 50 mm and temperatures higher than 5°C. This conclusion is global and can be applied to every site across the distribution area. Rather than simply being a complication for dendrochronology, MR formation is a fundamental response of trees to adverse environmental conditions. The demonstrated relationship of MR formation to ECE across this dendrochronological network in the Mediterranean basin shows the potential of MR analysis to reconstruct the history of past climatic extremes and to predict future forest dynamics in a changing climate.

Palynology of ODP Leg 127 sites

This initial survey of pollen from 192 samples from Hole 794A, supplemented by 189 samples from Hole 795 and 797B, suggests that marine pollen assemblages from the southwestern Sea of Japan provide a consistent Neogene pollen stratigraphy and a solid basis for regional paleoenvironmental reconstructions. Late Miocene vegetation inferred from these pollen data, a mix of conifer and broad-leaf elements with now-extinct Tertiary types well represented, appears similar to Aniai-type floras of Japan. During the late Miocene through early Pliocene, as Tertiary types declined, conifers (including the Sequoia/Cryptomeria group) became more prominent than broad-leaf elements, and herbs played an increasing role in the vegetation. Middle Pliocene pollen assemblages imply significant changes in forest composition. In a 500,000-yr interval centered at ~4 m.y., Tertiary and warm-temperate deciduous types re-expanded and were comparable to or greater than middle-late Miocene levels. Temperate and cold-temperate conifers {Picea, Abies, Tsuga) were minimal. Subsequently, Tertiary and deciduous forest components (including Quercus) decreased, Picea, Tsuga, and Abies were again prominent, and herbs formed an increasingly larger part of the vegetation. Between ~3 m.y. and -2.5 m.y., conifers, except for Cryptomeria types, were prominent, Quercus continued to decline, and other broad-leaf trees were minor. Over the last 2 Ma, the very large and frequent changes in forest composition inferred from pollen in the Sea of Japan correspond to forest dynamics inferred from changes in pollen and floral assemblages throughout Japan. Given present vegetation/climate relationships, broad trends in Neogene climate inferred from these preliminary pollen data include decreasing temperatures, increasing seasonality in temperatures and precipitation, and increasing amplitude and frequency of climatic change. Two significant events, centered at ~9 m.y. and ~4 m.y., punctuate the gradual deterioration of the equable warm, humid subtropical/warm temperate late Miocene and early Pliocene climates. The first indication of cold-temperate conditions comparable to those of Pleistocene glacial intervals occurs ~3 m.y. Subsequently, regional climates oscillated rapidly between temperate and cold-temperate regimes that supported conifer and mixed broad-leaf forests; however, climatic extremes were apparently never great enough to displace warm-temperate and temperate forests from Honshu nor to produce arctic climates on the west coast of Japan.

Decomposition of nitrogen-15 labeled hoop pine harvest residues in subtropical Australia

Information on decomposition of harvest residues may assist in the maintenance of soil fertility in second rotation (2R) hoop pine plantations (Araucaria cunninghamii Aiton ex A. Cunn.) of subtropical Australia. The experiment was undertaken to determine the dynamics of residue decomposition and fate of residue-derived N. We used N-15-labeled hoop pine foliage, branch, and stem material in microplots, over a 30-mo period following harvesting. We examined the decomposition of each component both singly and combined, and used C-13 cross-polarization and magic-angle spinning nuclear magnetic resonance (C-13 CPMAS NMR) to chart C transformations in decomposing foliage. Residue-derived N-15 was immobilized in the 0- to 5-cm soil layer, with approximately 40% N-15 recovery in the soil from the combined residues by the end of the 30-mo period. Total recovery of N-15 in residues and soil varied between 60 and 80% for the combined-residue microplots, with 20 to 40% of the residue N-15 apparently lost. When residues were combined within microplots the rate of foliage decomposition decreased by 30% while the rate of branch and stem decomposition increased by 50 and 40% compared with rates for these components when decomposed separately. Residue decomposition studies should include a combined-residue treatment. Based on C-15 CPMAS NMR spectra for decomposing foliage, we obtained good correlations for methoxyl C, aryl C, carbohydrate C and phenolic C with residue mass, N-15 enrichment, and total N. The ratio of carbohydrate C to methoxyl C may be useful as an indicator of harvest residue decomposition in hoop pine plantations.

Woody Debris in the Mangrove Forests of South Florida

Woody debris is abundant in hurricane-impacted forests. With a major hurricane affecting South Florida mangroves approximately every 20 yr, carbon storage and nutrient retention may be influenced greatly by woody debris dynamics. In addition, woody debris can influence seedling regeneration in mangrove swamps by trapping propagules and enhancing seedling growth potential. Here, we report on line-intercept woody debris surveys conducted in mangrove wetlands of South Florida 9–10 yr after the passage of Hurricane Andrew. The total volume of woody debris for all sites combined was estimated at 67 m3/ha and varied from 13 to 181 m3/ha depending upon differences in forest height, proximity to the storm, and maximum estimated wind velocities. Large volumes of woody debris were found in the eyewall region of the hurricane, with a volume of 132 m3/ha and a projected woody debris biomass of approximately 36 t/ha. Approximately half of the woody debris biomass averaged across all sites was associated as small twigs and branches (fine woody debris), since coarse woody debris >7.5 cm felled during Hurricane Andrew was fairly well decomposed. Much of the small debris is likely to be associated with post-hurricane forest dynamics. Hurricanes are responsible for large amounts of damage to mangrove ecosystems, and components of associated downed wood may provide a relative index of disturbance for mangrove forests. Here, we suggest that a fine:coarse woody debris ratio ≤0.5 is suggestive of a recent disturbance in mangrove wetlands, although additional research is needed to corroborate such findings.

R-script modified VS-Lite model

Drought is a key factor affecting forest ecosystem processes at different spatio-temporal scales. For accurately modeling tree functioning ? and thus for producing reliable simulations of forest dynamics ? the consideration of the variability in the timing and extent of drought effects on tree growth is essential, particularly in strongly seasonal climates such as in the Mediterranean area. Yet, most dynamic vegetation models (DVMs) do not include this intra-annual variability of drought effects on tree growth. We present a novel approach for linking tree-ring data to drought simulations in DVMs. A modified forward model of tree-ring width (VS-Lite) was used to estimate seasonal- and site-specific growth responses to drought of Scots pine (Pinus sylvestris L.), which were subsequently implemented in the DVM ForClim. Ring-width data from sixteen sites along a moisture gradient from Central Spain to the Swiss Alps, including the dry inner Alpine valleys, were used to calibrate the forward ring-width model, and inventory data from managed Scots pine stands were used to evaluate ForClim performance. The modified VS-Lite accurately estimated the year-to-year variability in ring-width indices and produced realistic intra-annual growth responses to soil drought, showing a stronger relationship between growth and drought in spring than in the other seasons and thus capturing the strategy of Scots pine to cope with drought. The ForClim version including seasonal variability in growth responses to drought showed improved predictions of stand basal area and stem number, indicating the need to consider intra-annual differences in climate-growth relationships in DVMs when simulating forest dynamics. Forward modeling of ring-width growth may be a powerful tool to calibrate growth functions in DVMs that aim to simulate forest properties in across multiple environments at large spatial scales.

EVOLUÇÃO ESTRUTURAL DE BRACATINGAIS DA REGIÃO METROPOLITANA DE CURITIBA, PARANÁ, BRASIL

O objetivo deste trabalho foi estudar a evolução estrutural de espécies arbóreas em bracatingais, ao longo de vinte anos. A bracatinga ( Mimosa scabrella Benth.) é a espécie pioneira, de vida curta, que caracteriza os bracatingais. Sob as bracatingas forma-se um sub-bosque com outras espécies arbóreas, que vai assumindo o lugar da bracatinga com o passar dos anos e que é tratado como se fosse lenha da própria bracatinga, quando a área é cortada a cada 7 anos e a regeneração da bracatinga é novamente induzida com o uso do fogo. O processo de sucessão em bracatingais ainda não foi estudado e é útil identificar a idade em que as demais espécies passam a dominar o bracatingal. Trabalhou-se com 320 parcelas, distribuídas em bracatingais com idades variando de 3 a 20 anos, medidas entre 1998 e 2011. Foram medidos os DAP (diâmetro a altura do peito) e altura total de todas as espécies com DAP ≥ 5 cm. Observou-se que, aos 11 anos, o conjunto das espécies supera a bracatinga em número de indivíduos e aos 19 anos as espécies arbóreas já apresentam uma distribuição diamétrica semelhante ao de uma floresta em fase mais avançada. De forma geral observou-se que, após os 10 anos de idade, um bracatingal já começa a tomar forma de um capoeirão.