Climate change impacts on the mediterranean forest and shrubland, their ecophysiology, demography and community composition

Abstract

Les alteracions antropogèniques han provocat ràpids canvis climàtics amb un gran impacte sobre els ecosistemes mediterranis, provocant canvis en els processos fisiològics vegetals (per exemple la fotosíntesi), població demogràfica (p. ex. creixement dels troncs, mortalitat, i reclutament de plàntules) i estructura i composició comunitària (per exemple pèrdua d'espècies i canvis de distribució). No obstant això, fins ara, els mètodes eficaços per avaluar amb precisió aquests canvis en resposta al canvi climàtic futur no estan ben establerts. En el present treball, es mostren els resultats de treballs realitzats en experiments de manipulació del clima a llarg terme (≥15 anys) a un alzinar i a un matollar mediterrani per estudiar els canvis en l'ecofisiologia vegetal, la demografia poblacional i l'estructura comunitària. Hem trobat que al bosc mediterrani, la sequera experimental a llarg terme ha provocat una disminució de les taxes fotosintètiques en les espècies dominants: Q. ilex i P. latifolia, però aquesta segona ha resultat ser molt resistent a la sequera, per la qual cosa podria obtenir un avantatge competitiu respecte a Q. ilex en el futur. A més, la sequera experimental a llarg terme ha fet disminuir significativament l'increment de la biomassa i l'augment de la mortalitat de troncs, i aquestes respostes també han estat estretament relacionades amb les sequeres naturals. No obstant això, Q. ilex va resultar més vulnerable a la sequera que P. latifolia. A més, s’ha produït un efecte esmorteïdor d'aquests canvis en la productivitat primària neta (ANPP) durant la sequera experimental a llarg terme. La sequera experimental també ha fet augmentar les taxes anuals de mortalitat i la disminució del creixement dels troncs a nivell de comunitat en parcel·les dominades per arbres alts ((H-) i arbres baixos (L-) durant el període d'estudi. Els canvis en la mortalitat dels troncs, el reclutament, el creixement i la densitat de troncs han indicat que Q. ilex és més sensible a la sequera que P. latifolia. La sequera experimental a llarg terme combinada amb sequeres naturals ha accelerat les disminucions en percentatge d'abundància i àrea basal de Q. ilex, però ha promogut aquests increments per a P. latifolia en parcel·les amb arbres baixos (L-), indicant un canvi de vegetació sota condicions més seques. En el matollar mediterrani, l'escalfament experimental a llarg terme ha tingut un efecte moderat sobre la taxa fotosintètica, i un efecte més fort sobre el potencial hídric i la conductància estomàtica en E. multiflora, mentre que el tractament de sequera ha exercit una forta influència en totes aquestes variables, especialment durant l'estiu. No obstant això, E. multiflora també ha millorat l'aclimatació a les condicions més seques i més càlides mitjançant ajustos en la conductància estomàtica i l'eficiència en l'ús de l'aigua. Hem constatat que l'escalfament i la sequera han comportat una disminució en l'abundància d'espècies associada a les seves distribucions. L'escalfament experimental a llarg terme ha causat una disminució progressiva de l'abundància d’espècies distribuïdes en regions més fresques. Tanmateix, la disminució de la precipitació ha provocat descensos bruscos en les espècies distribuïdes en regions més humides, seguit d'un augment tardà de les espècies distribuïdes en regions més seques. Per altra banda, hem observat disminucions en la riquesa d’espècies en els tractaments d’escalfament i sequera, i s’han trobat disminucions més fortes en la diversitat i uniformitat de la comunitat en el tractament de la sequera. Les respostes en l'estructura de la comunitat i els canvis en la composició han estat fortament relacionades amb les sequeres naturals. Així doncs, els nostres resultats suggereixen que el ràpid escalfament i la sequera han comportat profundes influències sobre els processos fisiològics vegetals, la demografia poblacional i la composició de la comunitat, també s'hauria de prestar més atenció a aquests canvis a escala regional i global.

Anthropogenic disturbances induced rapid global warming and precipitation changes with a great impact in Mediterranean ecosystems, leading to changes in plant physiological processes (e.g. photosynthesis), population demographic (e.g. stem growth, mortality and seedling recruitment) and community structure and composition (e.g. species loss, dominance shifts). However, to date, the effective method to accurately assess these changes in response to future climate change are not well-established. Here, we conducted long-term (≥15 years) climate manipulation experiments in the Mediterranean holm-oak forest and shrubland to study the changes in plant ecophysiology, population demographic and community structure. We found that in the Mediterranean forest, long-term experimental drought decreased photosynthetic rates of the dominant species of Q. ilex and P. latifolia, but the latter was well-resistant to drought, which could gain a competitive advantage relative to Q. ilex in the future. Moreover, the long-term experimental drought significantly decreased the biomass increment and increased stem mortality, branch and leaf litterfall, and these responses were also strongly correlated with natural droughts. However, these responses were associated with natural droughts, but were also species-specific because Q. ilex resulted more vulnerable to drought than P. latifolia. Moreover, there was a dampening effect of these changes in aboveground net primary productivity (ANPP) during the long-term experimental drought. The long-term experimental drought also increased annual rates of stem mortality and decreased stem growth at the community level in plots dominated by tall trees (high canopy plots (H-)) and low trees (low canopy plots (L-)) over the study period. The changes in mean stem mortality, recruitment, stem density and growth indicated that Q. ilex was more sensitive to drought than P. latifolia. The long-term experimental drought combined with natural droughts accelerated the decreases in percentage of abundance and basal area of Q. ilex, but promoted these increases for P. latifolia in low canopy plots (L-), indicating a vegetation shift with drier conditions. For the Mediterranean shrubland, long-term experimental warming moderately influenced photosynthetic rates, shoot water potential and stomatal conductance in E. multiflora, whereas drought treatment strongly influenced these variables, especially during summer. However, E. multiflora also improved the acclimation to drier and hotter conditions by the adjustments of stomatal conductance and water-use efficiency. We found that warming and drought imposed the decrease in species abundance associated with the species distributions. Long-term experimental warming caused a progressive abundance decrease of those species distributed in cooler regions. Correspondingly, reduced precipitation resulted in abrupt decreases in wet-distributed species, followed by a delayed increase in dry-distributed species. Moreover, we observed that the decreases in species richness in both warming and drought treatments, and stronger decreases in community diversity and evenness were found under the drought treatment. The responses in community structure and compositional shifts were strongly correlated with natural droughts. Thus, our results suggest that rapid warming and drought have imposed profound influences on plant physiological processes, population demographic and community composition, more attention should also be paid on these changes at regional- and global-scales.