Recent Forest Expansion in Europe (1985-2015). Patterns, Drivers, and Implications on Forest Growth

Abstract

A Europa, la superfície forestal ha augmentat des de principis de segle XX, principalment a causa de l’abandonament de terres agrícoles que ha induït l’expansió forestal al continent. Tot i la rellevància d’aquest fenomen, moltes preguntes segueixen sense resposta principalment per la manca d’estudis globals. L’ objectiu d’ aquesta tesi va ser explorar els patrons espacials d’expansió forestal a Europa durant les últimes dècades (1985-2015) i els seus principals impulsors socioambientals per investigar les conseqüències en l’establiment i creixement dels boscos secundaris i en la composició i configuració del paisatge. Per aconseguir aquest objectiu, hem utilitzat diferents mapes de cobertes i altres conjunts de dades de teledetecció. Al Capítol 2, abordem l’associació entre l’augment de la cobertura forestal a Europa i els canvis en els patrons espacial a través d’un conjunt de mètriques que reflecteixen la diversitat de cobertes del paisatge i la fragmentació i connectivitat de l’hàbitat. Els resultats van mostrar que els paisatges on incrementa la superfície forestal mostren una disminució en la diversitat de cobertes i un augment en la desfragmentació i connectivitat forestal, encara que els canvis en la diversitat de cobertes no van ser atribuïbles a l’augment de bosc sinó a la composició inicial del paisatge. Els patrons d’expansió forestal depenen també de l’elevació i la posició geogràfica, sent la desfragmentació forestal més freqüent en paisatges dominats per bosc - majorment al nord i est d’Europa -, i la proliferació de noves taques de bosc en paisatges menys boscosos - majoritaris a les regions sud i oest. Al Capítol 3, examinem la magnitud i distribució dels boscos recentment establerts a través dels gradients soci-ecològics d’Europa. Classifiquem els boscos establerts en regenerats després de pertorbacions o en expandits en àrees agrícoles abandonades, i vam determinar els principals factors socioambientals associats. També vam avaluar l’efecte d’aquests patrons i el llegat agrícola (regeneració versus expansió) en la productivitat forestal utilitzant l’Índex de Vegetació Millorat (EVI). Els resultats van determinar que l’àrea forestal va augmentar a Europa (0,06% any-1) principalment a causa de l’expansió a les regions Mediterrànies i temperades de l’est, mentre que la regeneració va ser rellevant en la regió boreal. Tant l’expansió com la regeneració dels boscos va ser més gran en els paisatges boscosos i/o diversos. Per contra, la resta de factors socioambientals van mostrar diferents associacions depenent del domini climàtic. A més, es van determinar valors d’ EVI més alts en els boscos resultants d’expansió que de regeneració, excepte en les àrees més càlides i propenses a sequeres on, probablement, no van poder beneficiar-se dels llegats dels antics sòls agrícoles. Al Capítol 4, ens centrem en la Península Ibèrica per explorar canvis en el patró d’establiment de bosc secundari i les seves implicacions per al creixement forestal (biomassa aèria), per als principals tipus d’hàbits foliars. Els resultats van mostrar taxes d’expansió a la Península Ibèrica (0,31% any-1) per sobre de la mitjana Europea. Els boscos secundaris es van establir progressivament en llocs amb millors condicions ambientals (és a dir, major disponibilitat d’aigua i terrenys més plans). A més, els resultats van destacar un paper clau en el creixement de bosc secundari de la precipitació estival, la temperatura, el pendent i la coberta forestal, i el paper menor dels esdeveniments de sequera. Particularment, observem que les temperatures càlides van comprometre el creixement dels boscos secundaris aciculifolis mentre que els planifolis es van beneficiar més de la precipitació de l’estiu. Els nostres resultats poden ser útils per abordar algunes de les estratègies de reforestació europees perquè aporten informació sobre quins llocs poden ser prioritzats i visualitzen el potencial de l’expansió forestal passiva com a estratègia rendible de restauració d’ecosistemes.

En Europa, la superficie forestal ha aumentado desde principios del siglo XX, principalmente debido al abandono de tierras agrícolas que ha inducido a la expansión forestal en el continente. A pesar de la relevancia de este fenómeno, muchas preguntas siguen sin respuesta debido principalmente a la falta de estudios a escala global. En esta tesis, nuestro objetivo fue explorar los patrones espaciales de expansión forestal en Europa durante las últimas décadas (1985-2015) y sus principales impulsores socio-ambientales para investigar sus consecuencias en el establecimiento y crecimiento de los bosques secundarios y en la composición y configuración del paisaje. Para lograr este objetivo, utilizamos diferentes mapas de cobertura terrestre y otros conjuntos de datos de teledetección. En el Capítulo 2, abordamos la asociación entre el aumento de la cobertura forestal en Europa y el cambio en el patrón espacial a través de un conjunto de métricas que reflejan la diversidad de cubiertas del paisaje y la fragmentación y conectividad del hábitat. Los resultados mostraron que los paisajes dónde aumenta la superficie forestal muestran una disminución en la diversidad de cubiertas y un aumento en la desfragmentación y conectividad forestal, aunque los cambios en la diversidad de cubiertas no fueron directamente atribuibles al aumento del bosque sino a la composición inicial del paisaje. Además, los patrones de expansión forestal también dependen de la elevación y posición geográfica, siendo la desfragmentación forestal más frecuente en paisajes dominados por bosques -mayormente en el norte y este de Europa-, y la proliferación de nuevos parches en los paisajes menos boscosos - mayoritarios en las regiones sur y oeste. En el Capítulo 3, examinamos la magnitud y distribución de los bosques recientemente establecidos a través de los gradientes socio-ecológicos Europeos. Clasificamos los bosques establecidos en regenerados después de perturbaciones o en expandidos en áreas agrícolas abandonadas, y determinamos los principales factores socio-ambientales asociados. También evaluamos el efecto de estos patrones y el legado agrícola (regeneración versus expansión) en la productividad forestal utilizando el Índice de Vegetación Mejorado (EVI). Los resultados determinaron que el área forestal aumentó en Europa (0.06% año-1) principalmente por la expansión en las regiones Mediterráneas y templadas del este, mientras que la regeneración fue relevante en la región boreal. La expansión y regeneración del bosques fue mayor en los paisajes boscosos y/o diversos. Sin embargo, otros factores socio-ambientales mostraron diferentes asociaciones dependiendo del bioma. Además, determinamos valores de EVI más altos en los bosques resultantes de expansión, excepto en las áreas más cálidas y propensas a sequías donde, probablemente, no pudieron beneficiarse de los legados del suelo agrícola. En el Capítulo 4, nos centramos en la Península Ibérica para explorar cambios en el patrón de establecimiento del bosque secundario y sus implicaciones para el crecimiento forestal (biomasa aérea), para los principales tipos de hábitos foliares. Los resultados mostraron tasas de expansión en la Península Ibérica (0,31% año-1) por encima de la media Europea. Los bosques secundarios se establecieron progresivamente en lugares con mejores condiciones ambientales (es decir, mayor disponibilidad de agua y terrenos más llanos). Además, los resultados destacaron un papel clave en el crecimiento del bosque secundario de la precipitación en verano, la temperatura, la pendiente y la cubierta forestal, y el papel menor de los eventos de sequía. Observamos que las temperaturas cálidas comprometieron el crecimiento de los bosques secundarios aciculifolios mientras que los planifolios se beneficiaron más de la precipitación del verano. Nuestros resultados pueden ser útiles para abordar las actuales estrategias de forestación europeas porque brindan información sobre qué sitios pueden ser priorizados y visualizan el potencial de la expansión forestal pasiva como estrategia rentable de restauración de ecosistemas.

In Europe, forest area has been increasing in many regions since the early 20th century, mainly due to the abandonment of farmland that has induced widespread forest expansion across the continent. Despite the relevance of this phenomenon, many questions remain poorly understood mostly due to the lack of studies addressing the issue at a global scale. In this thesis, we aimed at exploring the spatial patterns of the forest expansion in Europe for the last decades (1985-2015) and its main socioenvironmental drivers in order to investigate its consequences on secondary forests establishment and growth and on landscape composition and configuration. To achieve this goal, we used different land-cover maps and other remote sensing datasets. In Chapter 2, we addressed the association between forests cover increase and its spatial pattern change in Europe (1990-2012) through a set of landscape metrics regarding land cover diversity and habitat fragmentation and connectivity. Results showed that landscapes experiencing forest area increase exhibit a significant decrease in their land cover diversity, and an increase in both forest defragmentation and connectivity. However, these changes in land cover diversity were not directly attributable to forest increase but to the land cover initial composition. In addition, we determined that forest expansion patterns also depended on elevation and geographical position, with forest defragmentation being more frequent in forest-dominated landscapes concentrated in northern and Eastern Europe and new patch proliferation in the less forested landscapes in southern and western regions. In Chapter 3, we examined the magnitude and distribution of recently established forests (1992-2015) across socioecological gradients in Europe. We classified the established forests into regenerating after disturbances or secondary forests expanded into agricultural areas after abandonment, and we determine main socioenvironmental factors associated while we evaluated the effect of these patterns and the land use legacy (i.e. regeneration vs. expansion) on forest productivity by using the Enhanced Vegetation Index. Results determined that forest area increased in Europe (0.06% year-1) caused mainly by forest expansion in Mediterranean and in Eastern temperate regions, while regeneration was particularly relevant in the boreal region. Both forest expansion and regeneration had a greater magnitude in highly forested and/or highly diverse landscapes, suggesting that landscape composition largely determined the local forest increase across Europe. Conversely, the rest of socioenvironmental factors showed contrasting association with forest expansion and regeneration depending on the climatic domain. Moreover, the analysis of EVI temporal trends revealed that expanding forests had higher EVI values than regenerating forests except in the warmer and drought-prone areas where, probably, they cannot benefit from the biological and physicochemical legacies of former agricultural soils for tree growth. In Chapter 4, we put the focus on the Iberian Peninsula to explore changes in the pattern of secondary forest establishment (1985-2014) and its implications for forest growth (aboveground biomass), for the main forest leaf-habit types. Results showed expansion rates in the Iberian Peninsula (0.31% year-1) above average Europe and that secondary forests were increasingly established in places with better environmental conditions (i.e. higher water availability, at lower elevations and on less steep slopes). In addition, results highlighted a key role of summer precipitation, temperature, slope and forest cover, and the lesser role of drought events, on secondary forest growth. Particularly, we observed that warm temperatures compromise the growth of needleleaf forests while broadleaf secondary forest benefits more from summer precipitation. Our results may improve the knowledge of forest expansion and can be useful in addressing some European afforestation strategies (e.g. Green Deal) because they provide valuable information about which sites may be prioritized while visualize the potential of passive expansion of forests as a cost-effective strategy of habitat restoration.