Factores determinantes del crecimiento, biomasa y producción de los bosques mediterráneos bajo diferentes niveles de aridez y escalas ecológicas

Abstract

El Sur de la Península Ibérica, según los diferentes escenarios pronosticados, se tornará cada vez más árido, lo cual afectará al funcionamiento de los ecosistemas. Sin embargo, todavía no se conoce en detalle cómo esto puede afectar a los bosques y su interacción con otros factores abióticos y bióticos. Por ese motivo es necesario entender cuál es la respuesta fisiológica que la aridez puede provocar en la vegetación, y hasta qué punto puede afectar el crecimiento de los árboles, la biomasa y la producción de los bosques mediterráneos. Para analizar el impacto generalizado de los factores abióticos y bióticos sobre el funcionamiento del ecosistema es necesario un diseño sistemático a diferentes escalas ecológicas (desde el nivel de individuo hasta el nivel de ecosistema). La presente tesis tuvo por objetivo general entender cómo los ecosistemas forestales pueden responder ante el aumento de la aridez. Para eso fueron estudiadas las respuestas ecológicas de los ecosistemas forestales en un gradiente de aridez a varias escalas utilizando la información del inventario forestal nacional (IFN). Inicialmente, se analizó la respuesta de los rasgos funcionales foliares y de madera, la tasa de crecimiento relativo a nivel de individuo, y la biomasa y la producción forestal a nivel de parcela de especies forestales claves del mediterráneo como Pinus halepensis, Pinus pinaster, Quercus faginea y Quercus ilex. Una vez modelada la biomasa y la producción forestal, se proyectaron los posibles escenarios climáticos frente a un hipotético aumento de la aridez. Además, se estudió el impacto de la aridez sobre la diversidad taxonómica y funcional del matorral que acompaña a los bosques de Q. ilex. Por último, se analizó el impacto de la aridez sobre la fenología de las especies forestales más abundantes en el sur peninsular usando series temporales de NDVI (índice de vegetación normalizado). Los resultados mostraron una respuesta significativa de rasgos funcionales como la densidad de la hoja y madera (LD y WD) frente a la aridez, los nutrientes y textura del medio edáfico para el modelo del conjunto de especies estudiadas. En los modelos específicos, la aridez y el contenido de arcilla explicaron significativamente el peso foliar específico (LMA), el grosor de la hoja (LT) y la densidad de la madera (WD) en P. halepensis, Q. faginea y Q. ilex. Por otro lado, la tasa de crecimiento relativo (RGR) no respondió a factores abióticos, pero se relacionó negativamente con el tamaño del individuo. A escala local, la biomasa forestal del conjunto de especies mostró relaciones con el área foliar (LA), el contenido de arcilla y el tamaño medio de los árboles. La aridez mostró relevancia para algunos de los modelos de biomasa específicos (Q. ilex) así como a escala regional en toda Andalucía (6924 parcelas) donde el NDVI y la densidad forestal también se mostraron significativas. La producción forestal a escala local respondió positivamente al medio edáfico (nutrientes y contenido en arcilla), RGR, biomasa media de los árboles y densidad forestal. A 3 escala regional la aridez afectó negativamente en la mayoría de los modelos de producción forestal. Las proyecciones de la aridez para los diferentes escenarios climáticos mostraron reducciones considerables de biomasa y producción forestal. La composición y riqueza taxonómica y funcional del matorral también se vio afectada por la aridez y el contenido de arcilla. En lugares más áridos, la comunidad se compone por especies más xerófilas, con valores elevados de LMA. La fenología de las especies forestales respondió a la aridez mostrando un retraso del inicio y final de la estación (SOS y EOS respectivamente) en lugares más áridos. La duración del ciclo fenológico (LOS) mostró gran variabilidad sin una respuesta homogénea frente a la aridez. El análisis temporal de las métricas fenológicas no mostró relación con la aridez, aun existiendo un aumento de las temperaturas medias en el tiempo. La mayoría de las especies reflejaron resiliencia frente a los eventos climáticos extremos con un incremento en NDVI (reverdecimiento) a lo largo del tiempo en la mayoría de las especies. En conclusión, la aridez y el medio edáfico afectan al comportamiento fisiológico de la vegetación y la composición del matorral, reduciendo la biomasa forestal y su producción. Esto puede originar cambios en la estructura y funcionalidad del ecosistema poniendo en riesgo su estabilidad y subsistencia a largo plazo.

The South of the Iberian Peninsula is expected to become increasingly arid under different forecast scenarios, potentially affecting the functioning of ecosystems. However, the specific impacts of aridity on forests and its interactions with abiotic and biotic factors are not fully understood. Therefore, it is necessary to investigate the physiological responses of vegetation to aridity and how it can affect tree growth, biomass, and forest production, across different ecological scales from individual to ecosystem. The main objective of this thesis was to understand how forest ecosystems can respond to increased aridity by studying ecological responses at various scales along an aridity gradient, using information from the Spanish National Forest Inventory (SNFI). The study focused on key Mediterranean forest species, including Pinus halepensis, Pinus pinaster, Quercus faginea, and Quercus ilex, and examined their foliar and wood functional traits, relative growth rate at the individual level, biomass and forest productivity at the plot level. The study also modeled the predicted change in biomass and forest productivity under different possible climate scenarios with hypothetical increases in aridity. In addition, the study investigated the impact of aridity on the taxonomic and functional diversity of shrub communities accompanying Q. ilex forests and analyzed the phenology of the most abundant forest species in the south of the peninsula using NDVI time series. The results showed that aridity, as alongside soil nutrients and texture, significantly affected functional traits such as leaf and wood density (LD and WD) across the set of species studied. For specific models, aridity and clay content were significant factors for leaf specific weight (LMA), leaf thickness (LT), and wood density (WD) in P. halepensis, Q. faginea, and Q. ilex. On the other hand, the relative growth rate (RGR) did not respond to abiotic factors but was negatively related to the size of the individual. At the local scale, forest biomass of the set of species showed relationships with the leaf area (LA), clay content, and average tree size. Aridity significantly explained some specific biomass models (Q. ilex) as well as at a regional scale throughout Andalusia (6924 plots), where NDVI and forest density were also the main drivers. Forest productivity at a local scale responded positively to the edaphic environment (nutrients and clay content), RGR, average tree biomass, and forest density, while aridity negatively affected most forest productivity models at a regional scale. Projections of aridity under different climate scenarios showed considerable reductions in biomass and forest productivity. The composition, taxonomic, and functional diversity of shrub communities were also affected by aridity and clay content, with more xerophytic species and higher LMA values in more arid places. The phenology of forest species responded to aridity, showing a delay in the beginning and end of the season (SOS and EOS, respectively) in more arid places, but with great variability in the length of the phenological cycle (LOS) without a homogeneous response to aridity. The temporal analysis of phenological metrics did not show a relationship with aridity, despite an increase in average temperatures over time. Overall, the study revealed that aridity and the edaphic environment can affect the physiological behavior of vegetation and the composition of shrub communities, resulting in reduced forest biomass and production and potentially altering the structure and functionality of ecosystems, with implications for its stability and long-term survival.