Fragmentation and edge effect exacerbate biomass loss in Amazon forests

Long-term tree measurements have shown that forest fragments in Central Amazonia experience a dramatic loss of aboveground tree biomass caused by the mortality of large trees that is not offset by the growth and recruitment of new trees. However, differences in tree allometry caused by edge effects on tree architecture could either lead to additional losses in aboveground biomass. Picture: Freepick (left) EFE (right)

The three-dimensional form of trees, or tree architecture, reflects the allocation of photosynthetically fixed carbon within the plants. Tree architecture can be considered a by-product of environmental pressures on plant growth, reproduction and survival. Fine adjustments of the aboveground architecture of trees can minimise competition from neighbouring trees, improve hydraulic conductance, limit transpiration and maximise light capture.

In Amazonian forests, trees vary greatly in size and architecture across species, as a result of evolutionary processes over millions of years. Habitat fragmentation could potentially affect tree architecture and allometry, thus the architecture of Amazonian trees could be affected by disturbances arising from this forest fragmentation.

In a new study published in Nature Communications authors use ground surveys of terrestrial LiDAR in Central Amazonia to explore the influence of forest edge effects on tree architecture and allometry, as well as forest biomass, 40 years after fragmentation.

According to this study, the edges of forest fragments tend to have greater light availability due to the mortality of large trees and lateral light penetrating from the edges. “This may induce changes in tree architecture to optimise the capture and use of light under these new circumstances, including higher vertical and horizontal crown growth that modify branching patterns and crown shape. Higher temperatures and lower water availability in forest edges increase the evaporative demand of the vegetation, and trees can shorten the distances for transporting water and nutrients to minimise hydraulic conductance”, explains Dr. Matheus Henrique Nunes, from University of Helsinki and University of Maryland.

Authors tested two hypotheses, that: (1) both pre-existing trees established before forest fragmentation and trees that colonised the forest fragments had their architectural traits and allometry affected by forest edges, given the higher light availability, higher wind turbulence, the hotter and drier conditions near these forest edges and the high mortality of large trees that may damage their neighbours; and (2) the aboveground biomass of fragmented forests is impacted by edge effects on tree allometry, with potentially significant biome-wide implications.

Models presented in this study demonstrated that edge effects affected architectural traits, but these effects were dependent on when plants were established in the forest fragments. The surviving tall trees in the edges had higher surface area per unit volume of trunks, which demonstrates that edge effects led to thinner trunks. Results also demonstrate that short trees colonising the forest edges had thicker branches and trunks, owing to reduced branch surface area per unit volume and trunk surface area per unit volume, trees were more asymmetrical and had higher path fraction.

Thus, this study finds that young trees colonising the forest fragments have thicker branches and architectural traits that optimise for light capture, which result in 50% more woody volume than their counterparts of similar stem size and height in the forest interior. However, authors observe a disproportionately lower height in some large trees, leading to a 30% decline in their woody volume. Despite the substantial wood production of colonising trees, the lower height of some large trees has resulted in a net loss. “Our findings indicate a strong influence of edge effects on tree architecture and allometry, and uncover an overlooked factor that likely exacerbates carbon losses in fragmented forests”, concludes Prof. Josep Peñuelas, from CSIC-CREAF.

Publication: Nunes, M., Vaz, M., Camargo, J.L., Laurance, W., de Andrade, A., Vicentini, A., Laurance, S., Raumonen, P., Jackson, T., Zuquim, G., Wu, J., Penuelas, J., Chave, J., Maeda, E. 2023. Edge effects on tree architecture exacerbate biomass loss of fragmented Amazonian forests. Nature Communications 8129. Doi: 10.1038/s41467-023-44004.

La colonización humana provoca cambios en la vegetación de islas de todo el mundo 11 veces más intensos que el clima

Islandia fue colonizada hace unos 1.000 años por vikingos, un pueblo navegante y negociante que le dio la vuelta la economía. Pero los recién llegados también dejaron una huella en el entorno natural que nunca más se borraría, al igual que muchos otros pueblos establecidos en islas de todo el mundo.

La colonización humana provoca cambios en la vegetación de islas de todo el mundo 11 veces más intensos que el clima

En Islandia a partir del año 920 la actividad de los primeros pobladores aceleró cambios en la vegetación, intensificó la erosión y destruyó bosques a favor de los pastos. Imagen: Dominio público.

Las materias primas y los recursos que ofrecía la remota isla del Océano Ártico despertaron un fuerte interés de los recién llegados, que dieron la vuelta para siempre a la economía de la zona, del norte de Europa y de casi todo el mundo. Pero los vikingos dejaron una huella en el entorno natural de Islandia que nunca más se borraría, al igual que muchos otros pueblos que han colonizado islas en todo el mundo.

En Islandia, si bien la vegetación muestra cambios en el clima previos a la llegada humana, a partir del año 920 la actividad de los primeros pobladores aceleró cambios en la vegetación, intensificó la erosión y destruyó bosques a favor de los pastos. La madera necesaria para construir embarcaciones, la piedra y el metal de una isla tan rica en recursos fueron saqueados durante años.

Actualmente, la mayoría de islas habitadas de todo el mundo han experimentado al menos dos oleadas de asentamientos diferentes, cada una con cambios característicos y con legados cada vez más complejos. Esto se debe a la condición irreversible de los cambios que se han producido, que cada vez son más rápidos.

La colonización humana provoca cambios en la vegetación de islas de todo el mundo 11 veces más intensos que el clima

Isla de Santo Antão, Cabo Verde (Atlántico Norte), donde colonizadores europeos desembarcaron por primera vez hace 370 años. Cabo Verde se considera la primera colonia europea tropical del Atlántico. Imagen: Sandra Nogué.

El artículo ‘The human dimension of biodiversity changes on islands’ publicado a final de abril 2021 en la revista Science indica que los cambios en la vida vegetal del ecosistema de una isla producidos por la colonización humana son 11 veces mayor que los debidos al clima o a efectos como erupciones volcánicas previos. La investigación se ha llevado a cabo en 27 islas de todo el mundo.

La investigación se ha llevado a cabo en 27 islas de todo el mundo

La investigación se ha llevado a cabo en 27 islas de todo el mundo, de ubicaciones geográficas y climas tan diversos como los del Océano Pacífico Sur, el Índico, el Atlántico Sur o el Océano Ártico, entre otros. Imagen: Sandra Nogué.

Esta modificación causada por la acción humana es irreversible y se reproduciendo de manera constante, siglos después de la colonización por parte del hombre. La primera autora del artículo es  es la investigadora Sandra Nogué, de la Universidad de Southampton (Reino Unido), que analizó los datos y dio forma al trabajo mientras era investigadora visitante en el CREAF, período en que colaboró ​​con el investigador Josep Peñuelas. En el estudio interviene un equipo internacional con profesionales de todo el mundo, entre los que destaca Manuel Steinbauer, co-autor del artículo e investigador de la Universidad de Bayreuth (Alemania) y de la Universidad de Bergen (Noruega).

Las islas, un laboratorio idealEs una de las primeras veces que se cuantifica el impacto humano en un paisaje. Se ha podido hacer analizando polen fosilizado de hace 5.000 años extraído de sedimentos.

El estudio constituye una de las primeras veces que se puede cuantificar el impacto humano en un paisaje, ya que hasta ahora en las masas continentales era difícil separar los efectos del clima y otros impactos ambientales de los provocados por los primeros humanos. El equipo de investigación ha estudiado polen fosilizado de hace 5.000 años, extraído de sedimentos de las 27 islas, que ha permitido entender la composición de la vegetación de cada una y cómo cambió desde las muestras de polen más antiguas hasta a las más recientes.

“Las islas son laboratorios ideales para medir el impacto humano”, apunta Sandra Nogué, “ya que la mayoría fueron colonizadas los últimos 3.000 años, cuando los climas eran similares a los actuales. Saber cuándo se colonizó un territorio aislado facilita estudiar científicamente los cambios de la composición de su ecosistema en años anteriores y posteriores, y aporta una dimensión de su magnitud”.

Por eso ha sido clave conocer que la población de las islas de la Polinesia llegó hace 3.000 años a zonas remotas como Poor Knight (Nueva Zelanda, Océano Pacífico Sur) y también a Fiji (Pacífico Sur); que hace 2.800 que llegaron a Nueva Caledonia (Pacífico), y 370 años que los europeos desembarcaron en Cabo Verde (Atlántico Norte), considerada la primera colonia europea tropical del Atlántico. Y, por ejemplo, a algunas islas del archipiélago de las Canarias (Atlántico) la población europea llegó hace entre 1.800 y 2.000 años, mientras que en las Islas Mauricio (Océano Índico) sólo hace 302 años que pusieron un pie colonizadores europeos.

Vegetación de laurisilva en La Gomera, Canarias

A algunas islas del archipiélago de las Canarias (Atlántico) la población europea llegó hace entre 1.800 y 2.000 años. Esto ha permitido mantener la vegetación de la laurisilva. Imagen: Sandra Nogué.

“El medio ambiente de las que fueron colonizadas por poblaciones más modernas, como las Galápagos (Ecuador, Océano Pacífico, habitadas por primera vez en el siglo XVI) o la neozelandesa Poor Knight, recibieron más impacto”, explica Nogué. “En cambio, las ocupadas previamente recibieron poblaciones más primitivas, que desarrollaron una vida más ligada al ritmo natural y más sostenible y, por tanto, el territorio fue más resiliente a la colonización”. Por ejemplo, el estudio evidencia que las islas a las que llegaron los humanos hace más de 1.500 años, como Fiji y Nueva Caledonia, experimentaron un ritmo de cambio más lento.

“Esta diferencia en el cambio podría significar que las islas pobladas antes fueron más resistentes a la llegada de los humanos. Pero es más probable que las prácticas de uso de la tierra, la tecnología y las especies introducidas por los últimos pobladores fueran más transformadoras que las de los primeros”, explica la investigadora principal del trabajo.

Josep Peñuelas

“Este estudio científico puede ayudar orientar los esfuerzos de restauración y entender la capacidad de respuesta del territorio al cambio”.

JOSEP PEÑUELAS, investigador del CREAF.

Si bien no se puede esperar que los ecosistemas recuperen la situación anterior a los asentamientos, el trabajo puede ayudar a “orientar los esfuerzos de restauración y entender la capacidad de respuesta del territorio al cambio”, en palabras de Josep Peñuelas.

De las Fidji a Cabo VerdeEl equipo de investigación ha comprobado que las perturbaciones causadas por los humanos superan los fenómenos naturales, y que los cambios que provocan suelen ser irreversibles.

Las tendencias se observaron en ubicaciones geográficas y climas tan diversos como los del Océano Pacífico Sur, el Índico, el Atlántico Sur o el Océano Ártico, entre otros. Los cambios en los ecosistemas también pueden ser debidos a varios factores naturales, tales como terremotos, erupciones volcánicas, condiciones meteorológicas extremas y cambios en el nivel de mar. Sin embargo, el equipo de investigación ha comprobado que las perturbaciones causadas por el hombre superan todos estos fenómenos y el cambio suele ser irreversible. Por ello, aconsejan que las estrategias de conservación tengan en cuenta el impacto a largo plazo de los humanos y el grado en que los cambios ecológicos actuales difieren de los de la época pre humana.

Los resultados muestran pocos indicios de que los ecosistemas afectados por el hombre se parezcan a las dinámicas presentes antes de su llegada. Por lo tanto, los impactos antropogénicos en las islas son componentes duraderos de estos sistemas que suelen implicar una limpieza inicial (por ejemplo, mediante el uso de fuego), y se ven agravados por la introducción de una serie de especies y la extinción de endémicas, además de perturbaciones continuas.

Fuente: Blog Creaf

Mortalitat de troncs i decaïment forestal a l’alzinar mediterrani

Quercus mort

El bosc mediterrani està sotmès a unes condicions climàtiques cada cop més càlides i amb una disponibilitat d’aigua més escassa. L’alzina pot ser substituïda per altres espècies arbustives més resistents a la sequera. Tanmateix, una aclarida selectiva de troncs realitzada a l’alzinar de Prades ens mostra com aquesta gestió permet reduir la mortalitat d’arbres i preservar l’actual estructura de l’alzinar i els seus serveis ecosistèmics. La Unitat d’Ecologia Global del CREAF s’ha centrat en dos tractaments experimentals de reducció d’aigua i disminució d’arbres per estudiar-ne les repercussions i per gestionar pròxims escenaris ecosistèmics.


Per a les properes dècades es preveu un augment de la temperatura i alhora canvis en
diversos patrons climàtics arreu del món: la intensitat i durada de fenòmens extrems com ara onades de calor, inundacions i sequeres aniran en augment. Aquest increment de la temperatura, juntament amb una pluviositat semblant o fins i tot més escassa, pot comportar un augment de l’evapotranspiració a moltes zones de clima semi àrid o mediterrani.


S’ha mesurat la mortalitat anual de troncs, en un alzinar situat a les Muntanyes de Prades, durant 20 anys consecutius (1999-2019). S’ha investigat la influència de les condicions climàtiques anuals, així com l’efecte de dos tractaments experimentals: 1) una sequera experimental (15% de disminució en la disponibilitat d’aigua), per tal d’estudiar la mortalitat dels troncs sota les condicions més seques previstes per a les properes dècades; 2) una estassada selectiva (tala d’un 25% dels troncs), per tal d’estudiar el possible esmorteïment dels efectes de la sequera mitjançant l’augment de disponibilitat d’aigua i nutrients pelstroncs romanents.


La mortalitat de troncs ha estat més gran quan la temperatura ha estat més elevada i la pluja més baixa, especialment durant la primavera i l’estiu. La mortalitat de troncs ha estat més gran en l’alzina (Quercus ilex), que no pas en altres espècies arbustives o arbòries com l’aladern de fulla ampla o l’arboç (Phillyrea latifolia o Arbutus unedo respectivament), més ben adaptades a condicions eixutes. El tractament de sequera ha comportat un increment de la mortalitat de troncs, especialment en els anys més secs, i l’alzina ha estat l’espècie més afectada pel tractament de sequera. Per altra banda, l’estassada selectiva ha reduït molt la mortalitat de troncs (d’alzina en particular), protegint així l’estructura d’aquest bosc dels efectes del canvi climàtic.


Aquests resultats mostren un futur augment de la mortalitat d’arbres i decaïment forestal, així com una progressiva substitució de l’actual espècie dominant d’aquest bosc, l’alzina, per altres espècies arbustives millor adaptades a les noves condicions climàtiques. A més, varis serveis ecosistèmics com l’esmorteïment del canvi climàtic mitjançant la captació de CO atmosfèric es veuran seriosament afectats. Tanmateix, l’estassada selectiva de troncs resulta ser una eina excel·lent per a la gestió d’aquest bosc sotmès al canvi climàtic: a més dels beneficis per a la conservació del bosc i el seu funcionament, l’estassada contribueix a esmorteir el canvi climàtic tot augmentant la captació de CO atmosfèric amb l’augment de la seva activitat fotosintètica. L’estassada selectiva de troncs també comporta altres beneficis indirectes com la disminució del risc d’incendis forestals i l’augment de la disponibilitat d’aigua per al consum humà, ja que una elevada densitat de troncs afavoreix la propagació d’incendis forestals degut a l’abundància de troncs i branques mortes, i una vegetació molt densa consumeix una gran quantitat d’aigua de pluja.

Romà Ogaya, Daijun Liu, Adrià Barbeta, Josep Peñuelas
Unitat d’Ecologia Global
CREAF-CEAB-CSIC – Universitat Autònoma de Barcelona
r.ogaya@creaf.uab.cat

Referències
Ogaya, R., Liu, D., Barbeta, A., Peñuelas, J. 2020. Stem mortality and forest dieback in a
20-years experimental drought in a Mediterranean holm oak forest. Frontiers in Forests and Global Change 2: 89. doi: 10.3389/ffgc.201900089.

Font: UAB Divulga

Prof. Penuelas has visited India and Nepal in the frame of the ERC Imbalance-P project

Prof. Penuelas had been on tour during May visiting India and Nepal to stablish new projects and research lines on phosphorus limitation and climate change impacts in these locations.

In India he visited several research centers to conduct meetings with local scientis from:

  • National Institute of Plant Genome Research (NIPGR). Scientists discussed about the limited stock of this vital macronutrient in nature and its Increasing limitation in an increasingly fertilized world with N and C.
    • Principal investigators
      • Dr. Ayay Parida. Director of the Institute of Life Sciences
      • Dr. Ramesh V. Sonti. Director of the National Institute of Plant Genome Research
      • Dr. Jitender Giri.
      • Dr. Raman Meenakshi Sundaram. PhD. Fellow-NAAS, ISGPB and IUSSTF
      • Dr. Jitendra Thakur.
      • Dr. Amar Pal Singh.
      • Dr. Ananda Sarkar.
    • Postdoc researchers
    • PhD students
    • Technicians

 

  • Indian Institute of Technology, Roorkee
    • Dr. Harsh Chauhan
    • Dr. Jitender Giri from the National Institute of Plant Genome Research

 

  • Jawaharlal Nehru University. School of Environmental Sciences. Scientists discussed about antibiotic resistance and air pollution.
    • Postdoc researchers
    • PhD students
    • Technicians

 

During the stay Prof Penuelas held seminars and conferences in the research centers listed above.

 

Dr. Jitender Giri and colleagues from the NIPGR
Dr. Jitender Giri, Prof Penuelas and colleagues from the NIPGR
xxx

IIT-2 (2)
Indian Institute of Technology, Roorkee

 

 

During his visit to Nepal he conducted meetings and fiels trips on research on treeline shifts, nutrients and emergent pollutants in response to global warming and global eutophication and pollution in the Himalayas of Nepal.

Thisresearch involved scientists from:

  •  Chinese Academy of Sciences (CAS) – Institute of Tibetan Plateau Research:
    • Prof. Eryuan Liang
    • Dr. Shalik Ram Sigdel
    • Dr.  Haifeng Zhu

 

  • Nanjing Forestry University – College of Biology and the Environment:
    • Dr. Yafeng Wang

 

  • Tribhuvan University, Nepal
    • Prof. Binod Dawadi (Central Department of Hydrology and Meteorology)
    • Prof. Ram Kailash Prasad Yadav (Central Department of Botany)
    • Dr. Chitra Bahadur Baniya  (Central Department of Botany)

 

During the stay Prof Penuelas held seminars and conferences and visit selected treeline plots across the central Himalayas in Nepal.

Tribhuvan University_30052019
Tribhuvan University, Nepal
xxx   

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Prof. Penuelas seminar at Tribhuvan University, Nepal

Treeline central Himalayas_30052019b
Visit to selected treeline plots across the central Himalayas
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The Patterns of climate change

Biologists analyze data of long-term experiment to monitor and predict how plant species will respond to climate change

Plant Ecology researchers at the University of Tübingen have developed a technique to monitor and predict how plant species will respond to climate change. Dr. Mark Bilton and Professor Katja Tielbörger, from the Institute of Evolution and Ecology, re-analysed data with Spanish collaborators from their unprecedented 16-year experiment. The experiment was conducted in an area the size of two football pitches within the Garraf National park south west of Barcelona. The landscape is mostly a Mediterranean scrubland, featuring thickets of low rise shrubs and herbs such as rosemary and thyme, and home to many protected species.

Using large automatic shelters, climate for the plants living in their natural environment was changed in order to match climate conditions predicted in the future, separately by decreasing rainfall and by raising temperatures. However, until now, it was unclear how the different species of plants were responding to changed climate, making it difficult to make further predictions about which species may be most affected in the future. The results of the study were published in the New Phytologist.

In general, global warming and reduced precipitation may lead to large-scale species losses and vegetation shifts in ecosystems around the world. Depending on whether plants are better adapted to warm and dry conditions or to cool and wet conditions, the response to a changed climate is likely to vary even within a region. In the study the scientists showed, that within a region, the relative rate and direction of plant response to a changed climate can be directly related to where and which climates the species occur in more frequently.

Therefore the researchers used a large online database containing the localities of where the different species in the experiment occurred all throughout southern Europe. These observations were combined with rainfall and temperature maps. This way the average temperature or rainfall requirements of the different co-occurring species in Spain could be used to rank them, based on which climates they are more commonly found. This ranking technique helped the scientists unlock the secrets behind which species were changing in the experiment, and monitor their changes over time.

In this particular experiment, the overall species diversity and vegetative biomass did initially respond negatively, but from 8 to 16 years the overall amount of vegetation was increasing again. Here the researchers showed that the initial decrease was due to a disappearance of the wet adapted species, followed by a delayed increase in the dry loving species. In addition, the novel ranking technique showed, that the species that declined under decreased rainfall, were different to those disappearing under increased temperatures.

By finding that responses were mainly related directly to where the species originally occur more frequently, separately for either rainfall or temperature, predictions can be extended to other future scenarios of climate change. “The technique is logical, but also surprisingly revealing”, says Dr. Mark Bilton, who has been using the same method to study plant responses in Israel. “It allows us to compare the rate of change of species within a habitat, but also between habitats”. Combining the ranking technique with the leading experimental approach to understanding climate change responses, the response of vegetation in other regions can be monitored and compared. “Within a region this can aid conservation efforts to identify those species likely to be lost most quickly. We are also confident it can help identify, which species and regions around the world may be more vulnerable to climate change in the future.”

 

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Automatic shelters used to alter either precipitation or temperature in Garraf National Park near Barcelona. Images: Courtesy of Josep Peñuelas

Publication: Daijun Liu, Josep Penuelas, Roma Ogaya, Marc Estiarte, Katja Tielbörger, Fabian Slowik, Xiaohong Yang and Mark C. Bilton: Species selection under long-term experimental warming and drought explained by climatic distributions, New Phytologist , DOI: 10.1111/nph.14925, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.14925/full

Contact: Daijun Liu, Prof. Josep Peñuelas, Universitat Autònoma de Barcelona, CREAF – Global Ecology Unit, Phone +34 667094190, d.liu@creaf.uab.es

Dr. Mark Bilton, Tübingen University, Institute of Evolution and Ecology, Phone +49 7071 29-73235, mark.bilton@uni-tuebingen.de