Application of spatial analysis techniques to conservation and restoration of Mediterranean Quercus under future climate change scenarios

Abstract

Global change (Land use change, climatic change, invasive species, land overuse and changes of biogeochemical cycles) together with biotic factors (pathogens and pests) is affecting the health of trees and forests in multiple ways which have triggered forest decline worldwide. Climate change affects forests health through changes mainly in precipitation and temperature. Consequently, severe drought together with biotic factors has been pointed out as the mayor factor involved on the worldwide forest decline. Moreover, climate change might aggravate many of the threats to forests ecosystems, such as drought and pest outbreaks. The process of extensive mortality associated with abiotic and biotic factors, it is known as forest decline, forest dieback or forest decay, and it might affect with variable severity to different species. Forest decline commonly involves multiple, interacting factors often becoming the determination of a single cause unrealistic. Oak ecosystems have been affected by a severe decline and mortality during the last century, mainly caused by abiotic and biotic factors. Oaks decline can be defined as a multicausal syndrome in which biotic and abiotic agents interact over time and space, though producing similar symptoms, ending with the death of the trees. Oak species are worldwide threatened by the oak decline syndrome and it could be considered as one of the mayor ecosystem problems in the south west of the Iberian Peninsula which primary affect to holm (Quercus ilex L.) and cork oak (Quercus suber L.) tree species. Oak decline in the Iberian Peninsula has been mainly related to prolonged drought and the oomycete Phytophthora cinnamomi, though, at lower scale, the xylophage insects are also involved. The oomycete rot oak´s roots constraining the water uptake and drying out the oaks which might be also infected by xylophage insects which feed partly of their life cycle from wood of decaying oak trees. The combination of both agents forms a serious problem to face with. Therefore, assessing the effects of oak decline in the Iberian Peninsula and its triggers factors is a general concern. Moreover, the activity of oak related pest and diseases might be enhanced by the forecasted future climate change. We used the advance of the Geographical Information Systems, data mining and machine learning algorithms together with the analysis of bid data, (large databases, alphanumeric and spatial) to tackle oak decline in Andalusia at landscape level. The databases used in this PhD included The Third Spanish National Forest Inventory (INF3), the Andalusian Network for Damage Monitoring in Forest Ecosystems (RED SEDA) pathogen survey; the results of the Phytophthora cinnamomi sample testing sample surveys in Southwest Australia, survival data from cork oak afforestation and gridded environmental information at 2000 and 200 m2 spatial resolution. We used Species Distribution Models (SDMs), their ensembles and the beforehand mentioned datasets to assess and analyses the core drivers of forest decline and mortality processes of Quercus ilex and Quercus suber ecosystems in Andalusia, as well as the identification of those limiting factors which promote/reduce/increase/revert/ oak decline. We suggest that the core drivers of forest decline and mortality processes of Quercus ilex and Quercus suber ecosystems in Andalusia might be intensified by climate change. Over this general hypothesis the main objective on this PhD thesis was to assess the spatial distribution of the oak decline in Andalusia. Studying the current spatial distribution of Phytophthora cinnamomi and the xylophage insects, forecast their future spatial distribution in Andalusia; and assess the main drivers which explain their distribution.

El cambio global (cambios en el uso del suelo, cambio climático, especies invasivas, sobre uso del suelo y cambios en los ciclos biogeoquímicos) junto con factores bióticos (patógenos y plagas) están afectando al estado sanitario de los bosques de diversas formas, lo que ha desencadenado el declive sanitario de la masa forestal por todo el mundo. El cambio climático afecta al estado sanitario de los bosques mediante cambios en los regímenes de precipitación y temperatura. Por lo que, se ha determinado que largos periodos de sequía, junto con factores bióticos, han sido los principales factores asociados al decaimiento de las masas forestales a nivel mundial. El proceso de mortalidad asociado con factores abióticos y bióticos se conoce como decaimiento forestal y puede manifestarse con diferentes grados de severidad en diversas especies. Los ecosistemas de Quercus se han visto afectados por una disminución de su superficie causada por eventos severos de mortalidad durante el último siglo, debidos principalmente, a factores abióticos y bióticos. El decaimiento de Quercus se puede definir como un síndrome multicausal en el que tanto agentes bióticos como abióticos interactúan conjuntamente en el espacio y en el tiempo, produciendo síntomas similares, cuyo resultado final es la muerte del árbol. Las especies de Quercus están amenazadas en todo el mundo por este síndrome, que podría considerarse como uno de los principales problemas de los ecosistemas forestales en el suroeste de la Península Ibérica, donde principalmente afecta a encinas (Quercus ilex L.) y alcornoques (Quercus suber L.). El decaimiento de Quercus en la Península Ibérica se ha relacionado, principalmente, con el oomiceto de podredumbre radical Phytophthora cinnamomi Rands y en menor escala con los insectos xilófagos del género Cerambyx sp. Por lo tanto, la evaluación de los efectos del decaimiento de Quercus en la Península Ibérica y sus factores causantes es de máxima importancia. Además, la virulencia de las plagas y enfermedades relacionadas con el decaimiento de Quercus podría incentivarse por las futuras predicciones de cambio climático. En esta tesis doctoral hemos utilizado Sistemas de Información Geográfica, las técnicas de data mining y machine learning, junto con el análisis de big data (grandes bases de datos alfanuméricas y espaciales) para estudiar el decaimiento de Quercus en Andalucía a escala regional. Las bases de datos utilizadas en esta tesis de doctorado han sido el Tercer Inventario Forestal Nacional de España (INF3), la Red Andaluza de Monitoreo de Daños en Ecosistemas Forestales (RED SEDA); datos de presencia de Phytophthora cinnamomi en el sudoeste de Australia, datos de supervivencia de forestaciones con alcornoque en tierras agrícolas e información ambiental en formato “raster” a una resolución espacial de 2000 y 200 m2. Hemos aplicado modelos de distribución de especies (MDE), MDE ensamblados y los datos mencionados anteriormente, para evaluar y analizar los principales factores asociados a los procesos de decaimiento y mortalidad en los ecosistemas Mediterráneos de Q. ilex y Q. suber en Andalucía, así como para identificar los factores limitantes que promueven / reducen / aumentan / revierten / disminuyen el decaimiento de Quercus. Sugerimos que los factores principales del decaimiento y los procesos de mortalidad de los ecosistemas Quercus ilex y Quercus suber en Andalucía podrían verse intensificados por el cambio climático. Sobre esta hipótesis general se ha desarrollado el objetivo principal de esta tesis doctoral, evaluar el decaimiento de Quercus en Andalucía; mediante el estudio de la distribución espacial actual de Phytophthora cinnamomi y de escarabajos xilófagos, predecir su futura distribución potencial en Andalucía; y evaluar los principales factores que explican su distribución. Además de evaluar los programas de forestaciones de tierras agrarias como alternativas para restaurar / mitigar el decaimiento de Quercus en Andalucía.