Variabilidad climática, eficiencia de uso de agua intrínseca y crecimiento del área basal en bosques del norte de México.

Abstract

Esta investigación se centró en las respuestas fisiológicas de Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco, Abies concolor (Gordon & Glend.) Lindl., Abies durangensis Martínez, y Abies guatemalensis Rehder ante los recientes cambios en la concentración de CO2 atmosférico y variabilidad climática. A partir de las series de anillos de crecimiento de cada especie, seguido de estudios retrospectivos sobre el estado hídrico, eficiencia de uso de agua intrínseca y el crecimiento radial. También, se llevaron a cabo pronósticos de incremento en área basal para Picea chihuahuana Martínez. Este documento se estructura en seis capítulos, cuatro de ellos fueron escritos en formato de manuscrito científico. Estos manuscritos fueron escritos en inglés para facilitar su futura publicación en revistas internacionales. Primer artículo: Este estudio es sobre la relación entre el crecimiento de P. menziesii y la variación de la precipitación en la Sierra Madre Occidental de México. La cronología de 150 años confirmó que el crecimiento de esta especie estaba fuertemente relacionada con la precipitación acumulada de enero a julio. La dinámica de crecimiento de P. menziesii describe ciclos relacionados con la periodicidad e índices del fenómeno El Niño Oscilación del Sur (ENSO por sus siglas en inglés). Se encontró correlación significativa entre los índices de anillos y el incremento de área basal, lo que sugiere que hay un alto potencial para reconstruir la dinámica de crecimiento pasado para algunas especies forestales. Segundo artículo: Este estudio analiza los cambios en eficiencia de uso de agua intrínseca de P. menziesii como resultado del aumento del CO2 atmosférico, durante el siglo pasado. El análisis se separó en periodos secos y húmedos para conocer como las especies forestales enfrentan los eventos extremos. P. menziesii respondió de manera similar a otras especies forestales en el mundo con una disminución en discriminación (13C) e incremento en la eficiencia de agua intrínseca (iWUE). Sin embargo, estos cambios no se asociaron a un mayor crecimiento de los árboles, lo que indica que el aumento de EUAi observado fue el resultado de un ajuste en la relación de la fotosíntesis y conductancia estomática, sin evidencia del efecto de fertilización por CO2. En los últimos 150 años, el incremento de área basal de P. menziesii ha experimentado una disminución hasta del 50% (resistencia), y requiere de seis a diez años (resiliencia) para recuperar las tasas de crecimiento anteriores. Cuando las condiciones de humedad son favorables, el área basal se incrementó hasta en un 17% y mostró una "memoria" del efecto favorable a lo largo de tres años. El Abeto Douglas es una especie sensible, indicadora y de importancia ante el posible cambio climático regional en los ecosistemas forestales del norte de México. Tercer artículo: Se examinó la respuesta en eficiencia del uso de agua intrínseca debido al aumento de CO2 atmosférico en tres especies de Abies. El estudio abarcó tres sitios distribuidos de 15 a 30º de latitud N. Como lo muestran otras especies forestales en el mundo, A. concolor, A. durangensis, y A. guatemalensis, muestran evidencias de dilución de 13C en la atmósfera. Sin embargo, el enriquecimiento 13C fue mayor en A. concolor, lo cual es consistente con el ambiente más seco donde la especie crece. La composición de isotopos de oxigeno (18O) en el último siglo no se ha visto afectada, lo que sugiere que la fuente de agua no ha cambiado. No obstante, A. guatemalensis mostró una firma δ18O inferior en 5‰ con respecto a otras especies. Esto se explica por las condiciones de humedad más altas durante el año y menor enriquecimiento de evaporación en la hoja. En el siglo pasado el aumento en EUAi fue el siguiente: A. durangensis (31%), seguido por A. guatemalensis (28%) y A. concolor (21%). Estos incrementos se encuentran dentro del rango observado por otros autores. Los cambios en la discriminación 13C y la EUAi no fueron mayores en el lugar más seco, como se estableció en la hipótesis. Cuarto artículo: Dado que P. menziesii mostró crecimiento periódico y cíclico asociado a los índices del ENSO, se probó la construcción de modelos de predicción de crecimiento en Picea chihuahuana Martínez y P. menziesii, en base a la series de tiempo del incremento en área basal. La primera especie mostró parámetros importantes y altas correlaciones entre las muestras individuales. En el Abeto Douglas se observó periodicidad a 7, 21 y 60 años. El período de 60 años fue más consistente en relación a los índices del ENSO, este patrón ha sido reportado por otros autores. Con la periodicidad de 60 años y la serie de incremento en área basal se construyó un modelo ARIMA (0,1,1). El modelo predice reducciones progresivas en incrementos de área basal en los bosques de la Sierra Madre Occidental. Aunque se prevé ciertos grado de crecimiento de los árboles, la recuperación de las tasas de crecimiento no alcanzarían 60 cm2 año-1, tasa observada en décadas anteriores. Si las predicciones del modelo en este estudio son una reflexión del cambio climático, el crecimiento de los bosques estaría en riesgo en las próximas décadas, ya que de acuerdo a las predicciones de los modelos de cambio climático indican una mayor frecuencia de las sequías, plagas y enfermedades como se ha observado en las últimas décadas en los ecosistemas forestales del norte de México. La tendencia de crecimiento reducido en el futuro trae la pregunta sobre el cambio en la silvicultura en los bosques del area de estudio, enfocándose en las estrategias de manejo de densidades del rodal de acuerdo a la disponibilidad de recursos que lleven a la salud de los bosques para resistir los efectos del clima. _______________ CLIMATE VARIABILITY, INTRINSIC WATER USE EFFICIENCY AND BASAL AREA INCREASE OF FORESTS IN NORTHERN MEXICO TO CLIMATE CHANGE. ABSTRACT: This research focused on physiological responses of Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco, Abies concolor (Gordon & Glend.) Lindl. Abies durangensis Martínez, y Abies guatemalensis Rehder under the recent changes in atmospheric CO2 concentration and climate variability. It started with the tree ring time series for each species, followed by retrospective studies on the water status, intrinsic water use efficiency and tree growth. Also, prognostics for basal area increment were carried out for Picea chihuahuana Martínez. This document was structured in six chapters, four of them were written in a scientific manuscript format. These manuscripts were written in English to facilitate their future publication in international journals. First manuscript: This study is about the relationship between tree growth of P. menziesii and the variation in precipitation in the Western Sierra Madre of Mexico. A 150-year tree chronology confirmed that the tree growth of this species was strongly related to the cumulative precipitation from January to July. Tree growth dynamics of P. menziesii describes cycles related to indices and periodicity of El Niño Southern Oscillation (ENSO). A significant correlation between the tree ring indices and basal area increment was found, which suggests that there is a high potential to rebuild past dynamics of tree growth for some forest species. Second manuscript: This study analyzed changes in intrinsic water use efficiency of P. menziesii as a result of the increase in atmospheric CO2, during last century. The analysis separated wet and dry periods to know how the forest species faced extreme events. P. menziesii responded similarly to other forest species in the world decreasing discrimination (13C) and increasing intrinsic water use efficiency (iWUE). However, these changes were not associated to higher tree growth, which indicated that the increase in iWUE observed was a result an adjustment of the ratio photosynthesis to stomatal conductance, with no evidence of the effect of CO2 fertilization. In the last 150 years the basal area increment of P. menziesii has undergone decreased up to 50% (resistance), requiring six to ten years (resilience) to recover previous tree growth rates. Where moisture conditions were favorable, basal area increased up to 17% and showed a “memory” of the beneficial effect for three years. Douglas fir is a sensitive species and an important indicator in the possible regional climate change in forest ecosystems in northern Mexico. Third manuscript: The response in water use efficiency due to the increase of atmospheric CO2 for three species of Abies was examined. The study included three sites along the 15 to 30o N. latitude. As found in other tree species in the world, A. concolor, A. durangensis, and A. guatemalensis, showed evidence of dilution of atmospheric 13C. However, the 13C enrichment was higher in A. concolor, which is consistent with the drier environment where the species grows. Wood 18O composition has not affected in last century, suggesting that no changes in the source of water. Nonetheless, A. guatemalensis showed a δ18O signature lower in 5‰ with respect to other species. This is explained by higher moisture conditions and lower evaporative enrichment in the leaf. In the last century the increase in iWUE was as follows: A. durangensis (31%), followed by A. guatemalensis (28%) and A. concolor (21 %). These increases are within the range observed by other authors. Changes in the 13C discrimination and iWUE were not higher at the driest site, as was established in the hypothesis. Fourth manuscript: Because P. menziesii, showed a cyclical tree growth associated to the ENSO indices, the building of forecast models was tested to predict tree growth for Picea chihuahuana Martínez and P. menziesii, based on the time series of basal area increments. The first species showed more significant parameters and higher correlations among individual tree samples. The periodicity for Douglas-fir was observed at 7, 21 and 60 years. The 60-year period was more consistently related to the ENSO indices a pattern that has been reported by other authors. With the 60-year periodicity for the basal area increment series an ARIMA model (0,1,1) was built. The model predicts progressive reductions in basal area increments for the forest of the Western Sierra Madre. Although some degree of tree growth recovering is forecasted, growth rates would not reach 60 cm2 year-1, a rate observed in previous decades. If the predictions of the model in this study were a reflection of climate change, then tree growth would be at risk in the next decades, as the predictions of climate change models indicate higher frequency of droughts, pests and diseases as was observed in the last decades in the forest ecosystems of northern of Mexico. The trend of reduced tree growth in the future brings the question about the change in the silviculture for forests of the study area, focusing in strategies to manage stand density which according to the availability of resources, lead to the required forest health to resist to resist the climate effects.