Spatiotemporal Changes in Mountain Plant Communities of the Central-Eastern Region of the Trans-Mexican Volcanic Belt Over the Last 17,000 Years

Abstract

[eng] Neotropical mountains are known for their high biodiversity and endemism, providing numerous ecosystem services to the surrounding areas. However, mountain biodiversity is rapidly declining due to climate change and anthropogenic activities.

The present thesis uses pollen analysis to investigate changes in high mountain neotropical plant communities in the central-eastern region of the Trans- Mexican Volcanic Belt (TMVB), in Central Mexico, over the past 17 kyr. Two study sites have been integrated into this thesis: Cofre de Perote and Iztaccíhuatl volcanos. At an elevation of 3700 m asl, the pollen assemblage of a sedimentary record from Cofre de Perote volcano was analysed, supported by charcoal, Magnetic Susceptibility (MS), and Ti concentration analyses. This research documented the vegetation reorganisation and plant colonisation of high elevations after the glacial retreated due to temperature increase during the Early and Mid-Holocene. The results suggested that during the Early Holocene, forests were maybe closer and/or at higher elevations in Cofre de Perote, near the coast, than at similar elevations in inland sites. The results also revealed that the influence of winds on long-distance pollen arrival could play a crucial role in understanding the pollen assemblages in highland sites. Additionally, Picea pollen presence indicated the occurrence of non-analogue communities in this site and its potential role as microrefugia during the Early Holocene.

In the Iztaccíhuatl volcano, the pollen deposition in surface soil samples from the current plant communities along an elevation gradient was analysed. The results suggested that high percentages of Abies were related to the presence of a Fir Forest. High Pinus values and Arceuthobium pollen presence could be associated with Pine Forest. Pollen taxa such as Apiaceae, Eryngium, Valerianaceae, and Caryophyllaceae are linked to Pine Forest and Alpine Grassland. Secondly, the research focused on studying past plant communities' distribution along the volcano's elevation gradient via pollen analysis of palaeosol samples from three elevation transects. The samples collected in each elevation transect spanned a specific age (time window) during the Late Quaternary. The recovery of samples was made using three tephras that potentially sealed the soil protecting the palynomorphs from degradation, and at the same time, worked as chronostratigraphic markers for this research:

Tutti Frutti (~17 cal kyr BP), Ochre (~5.7 cal kyr BP), and Pink (~1.1 cal kyr BP/840 CE) Pumices. In addition, the eruption events resulting in the tephra deposits occurred coeval to three distinct climatic events: Heinrich Event-1 (HE-1), Holocene Thermal Maximum (HTM), and Medieval Climatic Anomaly (MCA). Results indicated that samples at ~17 cal kyr BP lack sufficient pollen grains to propose an accurate paleoenvironmental interpretation. At ~5.7 cal kyr BP, high Poaceae pollen values suggested the extensive presence of open vegetation. At ~1.1 cal kyr BP, the presence of Mixed Forest between ~3300 and 3450 m asl, Pine Forest between 3450 and 3700 m asl, and a more extended ecotone zone between Pine Forest and Alpine Grassland was proposed. Inferred plant community distribution and structure changes at ~5.7 and ~1.1 cal yr BP may be linked to warm and dry conditions during HTM and MCA, which seemed to have a larger effect on trees than on herbs.

The join interpretation of this thesis has revealed the vulnerability of coniferous forests to global warming and human activities. These past and current threats could be involved in: (i) a possible recent expansion of Fir Forest around the Iztaccíhuatl volcano and other areas of the TMVB; and (ii) the evidence of Picea local extinction in TMVB during the Early Holocene, suggesting that species with restricted distributions or isolated populations are at risk. Finally, the importance of natural reserves and conservation programs is highlighted.

[spa] Las montañas neotropicales son reconocidas como importantes centros de biodiversidad y endemismo, proveyendo numerosos servicios ecosistémicos a las zonas circundantes. No obstante, dicha biodiversidad está disminuyendo rápidamente a consecuencia del cambio climático y a las actividades antropogénicas.

La presente tesis utiliza el análisis de polen para investigar los cambios en las comunidades de plantas neotropicales de alta montaña en la región centro-oriental de la Faja Volcánica Trans-mexicana (FVTM), en el centro de México, durante los últimos 17 kiloaños (kyr). En esta tesis se han integrado dos sitios de estudio: Los volcanes Cofre de Perote e Iztaccíhuatl. A una elevación de 3700 m snm, se analizó el ensamblaje polínico de un registro sedimentario en el volcán Cofre de Perote. Dicho análisis se apoyó en el estudio de las micropartículas de carbón, Susceptibilidad Magnética (MS) y concentración de Ti. La investigación documenta la reorganización de la vegetación y la colonización de las plantas en sitios de gran altura tras el retroceso glaciar como resultado del aumento en temperatura durante el Holoceno Temprano y Medio. Los resultados también sugirieren la presencia de bosques más cerrados y/o localizados a mayores elevaciones durante el Holoceno Temprano en el volcán Cofre de Perote, un sitio cercano a la costa, en comparación a elevaciones similares en sitios del del interior. Los resultados también revelaron que la influencia de los vientos en la llegada de polen proveniente de largas distancias podría desempeñar un papel crucial en el análisis del conjunto de polen en los sitios de gran altura. Además, la presencia de polen de Picea podría indicar la existencia de comunidades no análogas en las laderas de este volcán y su posible papel como micro-refugio durante el Holoceno Temprano.

En el volcán Iztaccíhuatl, se analizó la deposición de polen de las comunidades vegetales actuales en muestras de suelo superficial a lo largo de un gradiente de elevación. Los resultados sugirieron que altos porcentajes de Abies estaban relacionados con la presencia de Bosques de Abies. Los valores elevados de Pinus y la presencia de polen de Arceuthobium podrían asociarse con los Bosques de Pinus. La presencia de Apiaceae, Eryngium, Valerianaceae y Caryophyllaceae en el conjunto polínico está relacionada con el

Bosque de Pinus y los Pastizales Alpinos. En segundo lugar, la investigación se centró en estudiar la distribución de las comunidades vegetales del pasado a lo largo de tres gradientes de elevación. Las muestras obtenidas para cada transecto de elevación corresponden a una edad específica (ventana temporal) durante el Cuaternario Tardío. La recuperación de las muestras se realizó utilizando tres tefras, las cuales potencialmente sellaron el suelo protegiendo a los palinomorfos de la degradación, y al mismo tiempo, funcionaron como marcadores cronoestratigráficos para esta investigación: Pómez Tutti Frutti (~17 cal kyr BP), Ocre (~5.7 cal kyr BP), y Pink (~1.1 cal kyr BP/840 CE). Además, las erupciones que dieron lugar a los depósitos de tefra coincidieron con tres fenómenos climáticos distintos: el Evento Heinrich-1 (HE-1), el Máximo Térmico del Holoceno (HTM) y la Anomalía Climática Medieval (MCA). Los resultados indicaron que las muestras de ~17 cal kyr BP carecen de suficientes granos de polen para proponer una interpretación paleoambiental precisa. Alrededor de los ~5.7 cal kyr BP, los altos valores de polen de Poaceae sugieren la presencia extensiva de vegetación abierta. Hace ~1,1 cal kyr BP, los datos pueden indicar la presencia de Bosque Mixto entre ~3300 y 3450 m snm, Bosque de Pinus entre 3450 y 3700 m snm, y una zona de ecotono más extensa entre Bosque de Pinus y el Pastizal Alpino. Los cambios inferidos en la distribución y estructura de las comunidades vegetales alrededor de ~5.7 y ~1.1 cal kyr BP pueden estar relacionados con las condiciones cálidas y secas durante HTM y MCA, que parecen tener un mayor efecto sobre los árboles que sobre las hierbas.

La interpretación conjunta de esta tesis ha revelado la vulnerabilidad de los bosques de coníferas al calentamiento global y a las actividades humanas. Estas amenazas pasadas y actuales podrían estar implicadas en: (i) una posible expansión reciente del Bosque de Abies alrededor del volcán Iztaccíhuatl y otras áreas del TMVB; y (ii) la evidencia de la extinción local de Picea en el TMVB durante el Holoceno Temprano, lo que sugiere que las especies con distribuciones restringidas o poblaciones aisladas están en riesgo. Finalmente, se destaca la importancia de las reservas naturales y los programas de conservación.