A dendroecological approach to growth dynamics of Mediterranean forests in Southwestern Spain : climate change impacts, vulnerability and adaptive capacity

Abstract

Tree-ring chronologies were studied using samples of dead holm oaks (Q. ilex ssp. ballota [Desf.] Samp.) in declining open-woodlands in southwestern Spain and samples of stone pine (Pinus pinea L.) from forests along a latitudinal gradient in Spain, Portugal and Italy. Growth trends and climate change-related chronology signal in Q. ilex were analyzed to assess the role of climate change in the tree mortality process. Growth responses of P. pinea to spatiotemporal variability of climate were examined to gain knowledge about the species’ adaptive capacity. Different techniques to extract the climatic signal from the tree-ring series were applied according to standard dendroclimatological approaches. A cubic spline with a period of 30 years was the best approach to remove the non-climatic variance related to silviculture-induced growth releases. The climate variability was obtained from meteorological station records and gridded climate datasets from international databases. There are common Mediterranean macroclimatic features, but the distribution of precipitation over the year and the duration and intensity of meteorological droughts vary among sites. Temperatures and aridity increased since the 1970s in all sites. The most significant growth-climate correlations were found with precipitation and drought indices in all sites, indicating that water availability is the main limiting factor for growth. Growth reductions in Q. ilex occurred during the intense and prolonged droughts of the recent decades, and temporal changes of growth-climate correlations indicates trees’ sensitivity to the increasing aridity. Climate change played an important role as stress factor determining the inception of mortality processes, and probably aggravated the impacts of other mortality factors. This is the first evidence of the direct effects of climate change on the current widespread stand decline and increase of mortality in oak open-woodlands in the southwestern Iberian Peninsula. Growth-climate correlations patterns in P. pinea varied over time and space, indicating the species’ growth adaptation to site-specific climatic conditions and suggesting physiological adjustments in response to climatic variations. The plasticity of this species suggests that different populations have different capacities for acclimation to climate change, and this will probably influence future vegetation dynamics. This is the first assessment of tree species’ plasticity in Iberian Mediterranean forests from a dendrochronological perspective. The vulnerability to drought of southern Iberian forests should be considered when making decisions for adaptive management. This thesis presents the first tree-ring dataset in southwestern Spain and a novel dendroecological approach for studying climate-related forest growth dynamics in this region.En la presente tesis doctoral se han estudiado cronologías de anchura de anillos a partir de muestras de encinas muertas (Q. ilex ssp. ballota [Desf.] Samp.) en dehesas afectadas por decaimiento forestal en el suroeste de España, y muestras de pino piñonero (Pinus pinea L.) precedentes de bosques distribuidos a lo largo de un gradiente latitudinal en España, Portugal e Italia. Las tendencias de crecimiento y la señal climática contenida en las cronologías de Q. ilex se analizaron para evaluar el papel del cambio climático en el fenómeno de mortandad. La respuesta de P. pinea a la variabilidad espaciotemporal del clima se estudió para conocer la capacidad adaptativa de la especie. Se utilizaron diferentes técnicas para extraer la señal climática de las cronologías de anillos según los criterios dendroclimatológicos estándar. Una spline con una longitud de 30 años fue la mejor aproximación para eliminar la varianza no climática relacionada con las variaciones de crecimiento debidas a factores selvícolas. El clima se analizó a partir de registros de estaciones meteorológicas próximas, y de datos obtenidos de bases de datos internacionales que proporcionan datos climáticos de cuadricula. Se encontraron características macroclimáticas mediterráneas comunes, pero la distribución anual de las precipitaciones y la duración y la intensidad de la sequía estival varían entre los sitios de estudio. Las temperaturas y la aridez aumentaron en todos los sitios de estudio desde los años 70. Las correlaciones clima-crecimiento más significativas se encontraron con las precipitaciones y con los índices de sequía en todos los sitios, lo que indica que la disponibilidad hídrica es el principal factor climático limitante para el crecimiento. Reducciones de crecimiento en Q. ilex ocurrieron durante las sequías más intensas y prolongadas de las últimas décadas, y los cambios temporales de las relaciones climacrecimiento indican la alta sensibilidad de estos árboles al aumento de la aridez. El cambio climático tuvo un papel importante como factor de estrés que determinó el comienzo de los procesos de mortalidad, y probablemente agravó los impactos de otros factores de estrés. Esta es la primera evidencia del efecto directo del cambio climático en la actual mortandad de especies del género Quercus en el suroeste de la Península Ibérica. Las correlaciones clima-crecimiento en P. pinea variaron en el espacio y en el tiempo con el clima, lo que indica la capacidad de la especie de adaptarse a condiciones climáticas especificas de cada zona y sugiere una respuesta fisiológica del crecimiento a las variaciones climáticas. La plasticidad de esta especie sugiere que rodales en distintas zonas tienen diversas capacidades de aclimatación al cambio climático, y esto tendrá probables implicaciones en la futura dinámica de la vegetación. Este es el primer estudio de la plasticidad de una especie arbórea en bosques Mediterráneos Ibéricos desde una perspectiva dendrocronológica. La vulnerabilidad al aumento de la sequía de los bosques Ibéricos meridionales debería tenerse en cuenta en las políticas y prácticas de gestión forestal adaptativa. Esta tesis presenta la primera colección de datos dendrocronológicos y una novedosa aproximación dendroecológica en el estudio de la dinámica forestal con relación al clima en en el suroeste de España.