Search

Aquesta tesi analitza els impactes recents del canvi global sobre els boscos de l’Espanya peninsular basant-se en la informació de les parcel·les dels dos darrers inventaris forestals nacionals (IFN2 i IFN3). Es tenen en compte, a la vegada, els efectes complementaris del clima, l’estructura del bosc i altres factors locals. Un estudi d’aquestes característiques –a escala regional amb un important gradient climàtic, en clima mediterrani (on l’aigua és un dels principals factors limitants) i on, d’acord amb les projeccions dels model climàtics, el canvi climàtic pot ser especialment acusat en el futur– fa que aquesta aproximació sigui especialment rellevant per les implicacions que podria tenir en les funcions i serveis ecosistèmics que ofereixen els boscos. Per mitjà de models estadístics apropiats hem analitzar els efectes sobre els estocs i el balanç de carboni (C), els canvis demogràfics i els canvis en la distribució geogràfica de les espècies arbòries. Els principals resultats són: 1) La riquesa estructural és el principal predictor de l’estoc de C per hectàrea amb els valors més elevats en els rodals amb major riquesa estructural. Les variables climàtiques tenen principalment efectes indirectes sobre l’estoc a través de la riquesa estructural i tenen un efecte predictiu directe baix quan es tenen en compte totes les variables predictores a la vegada; 2) Els bosc no pertorbats de l’Espanya peninsular estan acumulant C a una taxa de 1.4 Mg C ha-1 any-1. Les variables estructurals són els principals determinants del creixement del bosc i dels canvis en l’estoc de C. La disponibilitat d’aigua està positivament relacionada amb el creixement i la taxa d’acumulació de C. L’escalfament recent ha reduït el creixement i la taxa d’acumulació de C especialment en les zones més humides; 3) Les elevades taxes de regeneració dels planifolis es pot explicar per la seva major habilitat per mantenir un elevat banc de plançons degut a la seva tolerància a l’ombra. L’abundància de plançons de coníferes i de planifolis està principalment determinat per l’estructura forestal, mentre que els efectes directes de les pertorbacions i el clima han estat més modestos. No s’ha detectat cap efecte de l’escalfament recent i; 4) La majoria d’espècies arbòries de l’Espanya peninsular s’han mogut muntanya amunt capa zones més fresques. Ara bé la major part dels patrons observats, inclosos alguns canvis geogràfics inesperats, s’expliquen per l’estructura forestal. Les principals conclusions són: 1) Els nostres resultats suggereixen que per aconseguir un major estoc de C és necessari promoure una major riquesa estructural gestionant els boscos com a masses irregulars afavorint els planifolis per damunt de les coníferes. 2) L’efecte negatiu de l’escalfament en la taxa d’acumulació de C desapareix si només es tenen en compte els boscos gestionats, emfatitzant el potencial que pot tenir la gestió forestal per mitigar l’efecte negatiu del canvi climàtic; 3) La resposta diferencial de les coníferes i els planifolis al tancament de capçades suggereix un probable increment dels primes a expenses de les segones. Aquesta transició pot tenir lloc més d’hora en els rodals on la dinàmica de tancament de les capçades és més ràpida i; 4) L’abandonament de la gestió forestal i les pertorbacions (p.e., focs) de les darreres dècades ha dut a l’expansió dels planifolis a expenses de les coníferes, degut a la seva major habilitat per fer front als factors biòtics com la competència. No és gens clar que aquesta tendència pugui mantenir-se en el futur degut a l’increment de l’aridesa de les projeccions dels models climàtics, tenint en compte la major habilitat de les coníferes per fer front als esdeveniment climàtics extrems., This Ph D Thesis analyzes the recent impact of global change on forests of Peninsular Spain using the information of the two last national forest inventories (IFN2 and IFN3). It takes into account at the same time the complementary effects of climate, forest structure and other local factors. A study of such characteristics –at a regional scale, with an important climatic gradient, in a Mediterranean climate (where water is one of the main limiting factors) and where, according to the predictions of climatic models, climatic change may be especially important in the future– makes that this approach is especially relevant for the implications that these changes may have on ecosystem services offered by forests. By means of appropriate statistical models I have analyzed the effects of these impacts on stocks and carbon (C) balance, demographic changes and geographical changes in the distribution of tree species. The main results are: 1) The structural richness is the main predictor of stand tree C stock with larger C stocks in structurally richer stands. Climate variables have mainly an indirect effect through structural richness but a smaller direct predictive ability when all predictors are considered.; 2) Undisturbed forests in Peninsular Spain are accumulating C at a rate of 1.4 Mg C ha-1 yr-1. The forest structural variables are the main determinants of forest growth and C stock change. Water availability was positively related to growth and C accumulation. Recent warming has reduced growth rate and C accumulation, especially in wet areas; 3) The higher values of regeneration rate of broadleaves can be explained because of their ability to maintain a higher sapling bank due to their higher shadetolerance. Sapling abundance and regeneration rate were mainly determined by stand structure, both in conifers and broadleaves, whereas the direct effects of disturbances and climate were relative small and there was no detectable effect of recent warming and; 4) The geographic distribution of most tree species in peninsular Spain has moved upwards towards cooler environments. We also show that most of the observed patterns, including some counterintuitive geographic shifts, are explained by forest structure. The main conclusions are: 1) To achieve a greater standing C stock, our results suggest the need for promoting high structural richness by managing for uneven-aged stands and favoring broadleaf over conifer species; 2) Interestingly, the negative effect of warming on forest C accumulation disappears if only managed stands are considered, emphasizing the potential of forest management to mitigate the effects of climate change; 3) The differential response of conifers and broadleaves to canopy closure suggests a likely increment of broadleaves at the expense of conifers. This transition could occur earlier in stands with faster canopy closure dynamics and; 4) Changes in forest management practices (i.e., forest abandonment) and disturbances (e.g., fires) during the last decades have leaded to the expansion of broadleaves over conifers, due to their greater ability to cope with biotic factors such as competition. It is unclear whether this trend will continue under the greater aridness projected by climate models, considering the greater ability of conifers to cope with extreme drought events.

La agricultura és l’activitat humana més afectada pel canvi climàtic, i, actualment, està fortament impactada a la conca Mediterrània. No obstant això, el segrest i emmagatzematge de carboni a la biomassa de cultius llenyosos i sòls agrícoles podria ser considerable a l’hora de combatre el canvi climàtic a la Mediterrània. El principal objectiu d’aquesta tesi és generar coneixement empíric que serveixi de base per a simular estratègies de gestió d’usos de sòl i practiques agrícoles per l’adaptació i mitigació del canvi climàtic. Una avaluació fiable de les existències de carboni agrícoles suposa una línia de base molt útil per a quantificar la seva variabilitat espacial i temporal per comprendre millor el cicle del carboni i ajudar en la presa de decisions de les polítiques d’adaptació i mitigació a escala local i regional. D’altra banda, avaluar com s’espera que el clima afecti als cultius és extremadament útil per als diferents actors del territori, que són els que poden proposar i executar estratègies d’adaptació i mitigació a escala local i/o regional per fer possible una agricultura més resilient als canvis i millorar la seguretat alimentaria. Els objectius específics d’aquesta tesi són: i) avaluar els estocs de carboni de la biomassa dels cultius llenyosos mediterranis a partir de models específics per zona i cultiu a escala regional, ii) estimar els estocs de carboni orgànic en sòls (COS) agrícoles, avaluar la importància de les variables explicatives i entendre els patrons espacials dels estocs de COS i iii) fer una diagnosi dels impactes del canvi climàtic en les necessitats hídriques netes (NHN) i fenologia dels cultius i altres paràmetres agroclimàtics a escala de conca i subconca. El Capítol 2 ofereix estimacions espacials del total del estoc de carboni en la biomassa de cultius llenyosos a Catalunya d’uns 5.48 Tg C. Per la dècada dels 2010, i tot i que en general l’àrea ocupada pels cultius llenyosos es va reduir anualment un 2.8%, els estocs de carboni a la biomassa de cultius llenyosos van augmentar (+0.17 Tg C/any) degut al creixement en aquelles àrees on no hi va haver canvis d’ús de sòl. El segon treball (Capítol 3) va generar una estimació espacial dels estocs de COS superficials dels sòls agrícoles de Catalunya d’uns 47.9 Tg C. A més, mentre que la variació dels estocs de COS superficials va dependre principalment del clima, la textura del sòl i altres variables agrícoles, els estocs de COS de la capa subterrània van dependre principalment dels atributs del sòl. El Capítol 4 destaca l’augment generalitzat de les NHN fins al 6.7% que es produiria en les tres conques de Catalunya estudiades, tot i que les dinàmiques són diferents per les tres conques i, en general, aquestes tendències variaven entre cultius. A més, els canvis fenològics podrien representar una gran restricció per la producció agrícola. El nombre de dies de gelades decreixerà en les tres conques, mentre que els dies extremadament càlids podria incrementar-se. El cicle de creixement dels cultius podria avançar-se i escurçar-se. D’aquesta manera, els impactes avaluats en aquest treball, juntament amb el predit esgotament dels recursos hídrics a la zona d’estudi, podrien resultar en limitacions significatives per als cultius. En general, aquesta tesi aporta estimacions espacials dels estocs de carboni de la agricultura a Catalunya i una diagnosi dels principals impactes del canvi climàtic en els cultius majoritaris de tres conques representatives del nord-est Mediterrani. Tot el coneixement empíric obtingut en aquesta tesi pot contribuir significativament a avaluar les conseqüències en termes de carboni de la gestió agrícola i a avaluar l’adaptació dels cultius al canvi climàtic a escala de paisatge per a diferents escenaris de gestió agrícola i territorial, oferint assistència a responsables polítics i actors del territori. La agricultura es la actividad humana más afectada por el cambio climático, y, actualmente, es impactada fuertemente en la cuenca del Mediterráneo. Sin embargo, el secuestro y almacenaje de carbono en la biomasa de cultivos leñosos y los suelos agrícolas podría ser considerable a la hora de combatir el cambio climático en el Mediterráneo. El principal objetivo de esta tesis es generar conocimiento empírico que sirva de base para simular estrategias de gestión de usos de suelo y prácticas agrícolas para la adaptación y mitigación del cambio climático. Una evaluación fiable de las existencias de carbono agrícolas supone una línea de base muy útil para cuantificar su variabilidad espacial y temporal a fin de comprender mejor el ciclo del carbono y apoyar las políticas de adaptación y mitigación a escala local y regional. Por otro lado, evaluar cómo se espera que el clima afecte a los cultivos es extremadamente útil para otros actores del territorio, quienes pueden proponer y ejecutar estrategias de adaptación y mitigación a escala local i/o regional para hacer posible una agricultura más resiliente a los cambios y mejorar la seguridad alimentaria. Los objetivos específicos de esta tesis, correspondientes a los capítulos 2, 3 y 4, son: i) evaluar los stocks de carbono de la biomasa de los cultivos leñosos Mediterráneos a partir de modelos específicos del cultivo y la zona a escala regional, ii) estimar los stocks de carbono orgánico en suelos (COS) agrícolas, evaluar la importancia de sus variables explicativas y entender la distribución espacial de los stocks de COS y iii) hacer una diagnosis de los impactos del cambio climático en las necesidades hídricas netas (NHN) y fenología de los cultivos y otros parámetros agroclimáticos a escala de cuenca y subcuenca. El Capítulo 2 ofrece estimaciones espaciales del total del stock de carbono en la biomasa de cultivos leñosos en Cataluña (NE de España) de unos 5.48 Tg C. Para la década de los 2010, y a pesar de que en general el área ocupada por cultivos leñosos decreció anualmente un 2.8%, los stocks de carbono en la biomasa de cultivos leñosos aumentaron debido al crecimiento de los cultivos leñosos de aquellas áreas que no presentaron cambios de uso de suelo. El Capítulo 3 generó una estimación espacial de los stocks de COS superficiales en los suelos agrícolas de Cataluña de unos 47.9 Tg C. Además, mientras que la variación de stocks de COS en la parte superficial del suelo dependió principalmente del clima, la textura del suelo y variables agrícolas, los stocks de COS de la capa subterránea dependieron principalmente de los atributos del suelo. El Capítulo 4 destaca el aumento generalizado de las NHN del 0.1% al 6.7% que se produciría en las tres cuencas de Cataluña estudiadas, aun siendo las dinámicas diferentes para las tres cuencas y, en general, estas tendencias variarían entre cultivos. Además, los cambios fenológicos podrían representar una gran restricción para producción agrícola. El número de días de heladas decrecerá en las tres cuencas, mientras que los días extremadamente cálidos podría incrementarse. El ciclo de crecimiento de los cultivos podría empezar antes y acortarse. De este modo, los impactos evaluados en este trabajo, junto con el agotamiento de los recursos hídricos predicho para la zona de estudio, podrían resultar en limitaciones significantes para los cultivos. En general, esta tesis aporta estimaciones espaciales de los stocks de carbono de la agricultura en Cataluña y una diagnosis de los principales impactos del cambio climático en los cultivos mayoritarios de tres cuencas representativas del nordeste Mediterráneo. Todo el conocimiento empírico obtenido en esta tesis puede contribuir significativamente a evaluar las consecuencias en términos de carbono de las prácticas y la gestión agrícola y a evaluar la adaptación de los cultivos al cambio climático a escala de paisaje para diferentes escenarios de gestión agrícola y territorial, ofreciendo asistencia a responsables políticos y actores del territorio. Agriculture is the human activity most severely affected by climate change, and, at present, it is heavily impacted in the Mediterranean Basin. However, carbon sequestration and storage in woody biomass and crop soils could become important tools in the fight against climate change in the Mediterranean. The main objective of this thesis is to generate empirical knowledge that will serve as a baseline to test land use and agricultural management as strategies for adaptation and mitigation of climate change. A reliable evaluation of carbon stock in agriculture would be a useful baseline to quantify its spatial and temporal variability and gain a better understanding of the carbon cycle. Furthermore, assessing how climate is expected to affect crops is extremely useful for stakeholders, who can act at the local/regional scale to make agriculture more resilient and enhance food security. The specific objectives of this thesis are: i) to assess carbon stocks of Mediterranean woody crop biomass through crop- and site-specific models at the regional level; ii) to estimate soil organic carbon (SOC) stocks in agriculture, assessing the importance of their drivers and seeking to understand their spatial distribution; and iii) to diagnose climate change impacts on net hydric needs (NHN) and phenology of crops and other agroclimatic parameters at the basin and the sub-basin scale. The results of Chapter 2 offer spatial estimates of total biomass carbon stock on woody cropland in Catalonia (NE Spain) of 5.48 Tg C, with an average value of 16.44 ± 0.18 Mg C/ha. During the 2010s, although in general the area covered by woody crops showed an annual decrease of 2.8%, carbon stocks in biomass of woody crops increased (+0.17 Tg C/year) due to growth of remaining woody cropland. Chapter 3 generated spatial estimates of total SOC stocks under agriculture in Catalonia at the topsoil level (0-30 cm) of 47.9 Tg C, with an average value of 48.8 ± 8.9 Mg C/ha. While topsoil variation of SOC stocks depended mainly on climate, soil texture and agricultural variables, subsoil SOC stock were principally dependent on soil attributes (soil texture, clay content, soil type or depth to bedrock). Modeling revealed that the relationship between SOC stocks and drivers varied spatially. According to the results of Chapter 4, NHN are expected to increase from 0.1% to 6.7% in the three basins of Catalonia studied, although dynamics will be different for each basin and, in general, trends vary from crop to crop. Moreover, phenological changes could represent a greater constraint for crop productivity. The number of frost days will decrease (from −0.1 days in March to −8.7 days in April) in the three basins, while extremely hot days will increase (from +0.3 days in July to +3.8 days in August). Growth cycles will begin earlier (from −1 days to −12 days for crops with a base temperature of 10 °C) and will be shorter (from −8 days to −27 days). Therefore, the impacts assessed in this study, together with the forecasted depletion of water sources in the study area, could result in significant limitations for crops if adaptive strategies beyond irrigation and growing cycle issues are not applied. In summary, this thesis provides spatial estimates of carbon stocks of agriculture in Catalonia and a diagnosis of the main climate change impacts on major crops in three representative basins of the Northwestern Mediterranean. All the empirical knowledge obtained can make a significant contribution to the tasks of evaluating the carbon consequences of agricultural practices and management and assessing adaptation of crops to climate change at the landscape level for different land and agricultural management scenarios, assisting stakeholders and policy makers. Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ecologia Terrestre