Recent dynamics of Fagaceae and Pinaceae in temperate forests in Mexico and worldwide

Abstract

Los bosques templados se distribuyen en el hemisferio norte, y están dominados principalmente por Pináceas y Fagáceas. En las últimas décadas diversos estudios han documentado el declive de estos bosques y los cambios rápidos que están experimentando por efecto del cambio climático y las perturbaciones antropogénicas. Estas evaluaciones indican que, en muchos casos, las especies de Fagáceas están invadiendo áreas que previamente estaban dominadas por Pináceas. El objetivo principal de esta tesis ha sido analizar la dinámica relativa de las especies de Pináceas y Fagáceas en los bosques templados, tanto a escala global como específicamente en el caso de México, con la finalidad de comprender la dinámica reciente de estos bosques y como se puede ver modificada en un contexto de cambio climático. A escala global los objetivos específicos fueron: (1a) establecer si existe una sustitución direccional de Pináceas por parte de Fagáceas y si esta sustitución es consistente para todas las grandes regiones biogeográficas con bosques templados; (1b) determinar si estos cambios direccionales están asociados con condiciones climáticas específicas o reflejan las diferencias en el manejo histórico del bosque y el uso de la tierra entre regiones. En el caso de los bosques de México los objetivos fueron: (2a) evaluar si había un cambio direccional en la abundancia relativa de Pináceas frente a Fagáceas en los bosques de pino-encino mexicanos; (2b) identificar los factores ambientales que determinan la dinámica de crecimiento reciente de Pináceas y Fagáceas en el área de estudio; (3a) evaluar la distribución espacial de la regeneración reciente de Pináceas y Fagáceas en bosques puros y mixtos de ambos grupos de especies para determinar si los patrones actuales de regeneración sugieren cambios direccionales en la composición del bosque; y (3b) identificar los factores ambientales que determinan la dinámica de regeneración de Pináceas y Fagáceas en estos bosques, incluyendo factores climáticos, la estructura forestal y el impacto del manejo y las principales perturbaciones. Para lograr los objetivos se utilizaron datos bibliográficos, datos de mediciones repetidas del Inventario Nacional de Bosques y Suelos de México, y modelos estadísticos. Se combinaron análisis de factores y procesos a diferentes escalas espaciotemporales. A nivel global encontramos que existe una tendencia de cambio direccional de Pináceas a Fagáceas en la mayoría de los bosques templados del mundo que han sido estudiados. Esta tendencia es especialmente acusada en Europa y el este de Asia, y mucho menos clara en el este de Norte América. Los impulsores del cambio de vegetación fueron el estrés climático, la dinámica de sucesión y, en menor medida, las alteraciones antropogénicas. Las transiciones de Fagáceas a Pináceas fueron más comunes en bosques bajo regímenes de perturbaciones naturales. En los bosques templados mexicanos no existe un patrón direccional claro que muestre cambios en la abundancia relativa de Pináceas y Fagáceas en el estrato arbóreo. Las tendencias en el crecimiento, sin embargo, proporcionan evidencias de que las especies de Fagáceas están siendo favorecidas por los aumentos de temperatura, mientras que las Pináceas se están viendo negativamente afectadas bajo entornos más cálidos. Los patrones espaciales de la regeneración se ven afectados por la estructura forestal, por el clima y por la historia de perturbaciones y tenencia de la tierra. La regeneración de las fagáceas es en general más abundante que la de pináceas y se ve favorecida principalmente por temperaturas cálidas y presencia de incendios. En conjunto, nuestros resultados sugieren un aumento de la abundancia de las fagáceas en detrimento de las pináceas a medio plazo, especialmente en un contexto de cambio climático. Estos cambios podrían tener impactos importantes en el funcionamiento de los bosques y su resiliencia ante cambios ambientales.

The temperate forests are distributed in the northern hemisphere and are dominated mainly by Pinaceae and Fagaceae. In recent decades, several studies have documented the decline of these forests and the rapid changes they are experiencing because of climate change and anthropogenic disturbances. These studies indicate that, in many cases, the species of Fagaceae are invading areas that were previously dominated by Pinaceae. The main objective of this PhD thesis has been to analyze the relative dynamics of Pinaceae and Fagaceae in temperate forests, both globally and specifically in the case of Mexico, to understand the recent dynamics of these forests and how can be modified in a context of climate change. On a global scale, the specific objectives were: (1a) to establish if there is a directional substitution of Pinaceae by Fagaceae and if this substitution is consistent for all the large biogeographic regions with temperate forests; (1b) to determine whether these directional changes are associated with specific climatic conditions or reflect differences in the historical management of forests between regions. In the case of Mexican forests, the objectives were: (2a) to evaluate if there was a directional change in the relative abundance of Pinaceae compared to Fagaceae in Mexican pine-oak forests; (2b) to identify the environmental factors that determine the recent growth dynamics of Pinaceae and Fagaceae in the study area; (3a) to evaluate the spatial distribution of the recent Pinaceae and Fagaceae regeneration in pure and mixed forests of both groups of species to determine if the current patterns of regeneration suggest directional changes in forest composition; and (3b) to identify the environmental factors that determine the regeneration dynamics of Pinaceae and Fagaceae in these forests, including climatic factors, forest structure and the impact of management and the main disturbances. To achieve these objectives, we used bibliographic data, repeated sampling data from the National Inventory of Forests and Soils of Mexico, and statistical models. We combined analysis of factors and processes at different spatio-temporal scales. At the global level we found that there is a trend of directional change from Pinaceae to Fagaceae in most of the temperate forests of the world that have been studied. This trend is especially pronounced in Europe and East Asia, and much less clear in eastern North America. The drivers of vegetation change were climate stress, succession dynamics and, to a lesser extent, anthropogenic disturbances. Transitions from Fagaceae to Pinaceae were more common in forests under natural disturbance regimes. In the temperate Mexican forests there is no clear directional pattern showing changes in the relative abundance of Pinaceae and Fagaceae in the tree layer. Growth patterns, however, provide evidence that Fagaceae species are being favored by temperature increases, while Pinaceae are being negatively affected in warmer environments. The spatial patterns of regeneration are affected by forest structure, by climate and by the history of disturbances and land tenure. The regeneration of Fagaceae is in general more abundant than that of Pinaceae and is favored mainly by warm temperatures and presence of fires. Overall, our results suggest an increase in the abundance of Fagaceae to the detriment of Pinaceae in the medium term, especially in the context of climate change. These changes could have important impacts on the functioning of forests and their resilience to environmental changes.