Article

Regional vegetation die-off in response to global-change-type drought

School of Natural Resources, Institute for the Study of Planet Earth, and Department of Ecology and Evolutionary Biology, University of Arizona, Tucson, AZ 85721-0043, USA.
Proceedings of the National Academy of Sciences (Impact Factor: 9.81). 11/2005; 102(42):15144-8. DOI: 10.1073/pnas.0505734102
Source: PubMed

ABSTRACT Future drought is projected to occur under warmer temperature conditions as climate change progresses, referred to here as global-change-type drought, yet quantitative assessments of the triggers and potential extent of drought-induced vegetation die-off remain pivotal uncertainties in assessing climate-change impacts. Of particular concern is regional-scale mortality of overstory trees, which rapidly alters ecosystem type, associated ecosystem properties, and land surface conditions for decades. Here, we quantify regional-scale vegetation die-off across southwestern North American woodlands in 2002-2003 in response to drought and associated bark beetle infestations. At an intensively studied site within the region, we quantified that after 15 months of depleted soil water content, >90% of the dominant, overstory tree species (Pinus edulis, a piñon) died. The die-off was reflected in changes in a remotely sensed index of vegetation greenness (Normalized Difference Vegetation Index), not only at the intensively studied site but also across the region, extending over 12,000 km2 or more; aerial and field surveys confirmed the general extent of the die-off. Notably, the recent drought was warmer than the previous subcontinental drought of the 1950s. The limited, available observations suggest that die-off from the recent drought was more extensive than that from the previous drought, extending into wetter sites within the tree species' distribution. Our results quantify a trigger leading to rapid, drought-induced die-off of overstory woody plants at subcontinental scale and highlight the potential for such die-off to be more severe and extensive for future global-change-type drought under warmer conditions.

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    ABSTRACT: L’émergence d'une structure décamétrique à hectométrique régulière dans la densité de phytomasse est un phénomène caractéristique des zones de transition entre climat aride et semi-aride. Ces structures de végétation se présentent à l’observateur aérien sous la forme d'une alternance de fourrés denses et de plages de sol nu. Le motif le plus étudié est sans aucun doute celui où la végétation se contracte en bandes parallèles et régulièrement espacées — mieux connues sous le nom de “ brousse tigrée ”. Depuis la découverte de ce phénomène dans les années '50, de nombreux modèles conceptuels ont été proposés pour expliquer l'origine et le maintien de ces structures étonnantes. Plus récemment, des modélisations mathématiques des boucles de rétroaction positive entre plantes et ressources reproduisant, de manière semi-quantitative, les principales observations de terrain ont généré des prédictions précises quant à la dynamique spatiale et temporelle des structures. La disponibilité sans précédent de données de télédétection aérospatiale multi-temporelles à large couverture combinées au développement d'approches statistiques nouvelles et performantes basées sur la transformée de Fourier en deux dimensions nous donne l’opportunité de tester la validité de ces prédictions. Nos recherches sont articulées autour de quatre études distinctes: (i) Une étude des variables environnementales explicatives de l'émergence d'une structure régulière à l'échelle globale. (ii) Une étude synchronique et diachronique (1966, 1988, 2001) de la modulation des structures par la pente et l'aridité dans l'état du Kordofan Occidental au Soudan. (iii) Une étude de l'orientation des bandes de végétation par rapport à l'orientation de la pente dans la même région. (iv) Une étude sur la dynamique des bandes de végétation sur trois continents (Afrique, Amérique du Nord et Australie). Nos résultats mettent en évidence la nature zonale de la distribution géographique des structures régulières de végétation (bandes, trous, labyrinthes, îlots) à la transition entre milieux arides et semi-arides indépendamment du contexte phytogéographique. Le long d’un gradient d’aridité de 200 km au Soudan, nous démontrons la validité de la séquence de structures régulières prédite par les modèles d'auto-organisation sur sol plat. Du plus humide vers le plus aride nous trouvons la succession suivante: végétation uniforme (ou diffuse), trouées circulaires au sein d'une matrice de végétation dense, bandes réticulées en réseau labyrinthique, fourrés circulaires isolés dans une matrice de faible densité végétale et enfin sol nu. Dans la même région, nous avons démontré que la présence d'une faible pente (0,25 – 1,00 %) impose une configuration en bandes orientées, en première approximation, perpendiculairement à la direction de la pente. En d’autres mots, les bandes de végétation révèlent approximativement les courbes de niveau. Cependant nous avons quantifié l’effet d’un facteur d’anisotropie supplémentaire, quoique plus faible, dont la direction est cohérente avec celle des vents dominants (harmattan). Enfin, nous apportons la première confirmation du mouvement de telles bandes vers l’amont en Afrique et en Amérique du Nord. À cette occasion nous avons constaté la corrélation positive entre la longueur d’onde (distance comprenant une bande de végétation et une bande de sol nu) et la célérité du mouvement. Nous montrons également la responsabilité des fluctuations interannuelles des précipitations dans l'alternance de phases de contraction des lisières en aval et de colonisation des lisières en amont des bandes de végétation. Les méthodes d'analyse spatiale employées pour la caractérisation des structures et de leurs dynamiques nous ont permis d'éclaircir les processus de modulation contrôlés par l'environnement. De plus, tout en soulignant le pouvoir explicatif et prédictif des modèles mathématiques d'auto-organisation, ces résultats apportent de nouvelles données empiriques nécessaires à leurs développements futurs. Ainsi nous pouvons affiner les modèles, renforcer la théorie dont ils sont issus et contribuer à l’élaboration de prédictions réellement quantitatives de la dynamique des milieux arides en contexte climatique variable.
    04/2010, Degree: PhD
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    ABSTRACT: Plant hydraulic conductance (ks) is a critical control on whole-plant water use and carbon uptake and, during drought, influences whether plants survive or die. To assess long-term physiological and hydraulic responses of mature trees to water availability, we manipulated ecosystem-scale water availability from 2007 to 2013 in a piñon pine (Pinus edulis) and juniper (Juniperus monosperma) woodland. We examined the relationship between ks and subsequent mortality using more than 5 years of physiological observations, and the subsequent impact of reduced hydraulic function and mortality on total woody canopy transpiration (EC) and conductance (GC). For both species, we observed significant reductions in plant transpiration (E) and ks under experimentally imposed drought. Conversely, supplemental water additions increased E and ks in both species. Interestingly, both species exhibited similar declines in ks under the imposed drought conditions, despite their differing stomatal responses and mortality patterns during drought. Reduced whole-plant ks also reduced carbon assimilation in both species, as leaf-level stomatal conductance (gs) and net photosynthesis (An) declined strongly with decreasing ks. Finally, we observed that chronically low whole-plant ks was associated with greater canopy dieback and mortality for both piñon and juniper and that subsequent reductions in woody canopy biomass due to mortality had a significant impact on both daily and annual canopy EC and GC. Our data indicate that significant reductions in ks precede drought-related tree mortality events in this system, and the consequence is a significant reduction in canopy gas exchange and carbon fixation. Our results suggest that reductions in productivity and woody plant cover in piñon–juniper woodlands can be expected due to reduced plant hydraulic conductance and increased mortality of both piñon pine and juniper under anticipated future conditions of more frequent and persistent regional drought in the southwestern United States.
    Ecology and Evolution 03/2015; 5(8). DOI:10.1002/ece3.1422 · 1.66 Impact Factor
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    ABSTRACT: We hypothesized that vegetative changes would be visible in a series of repeat photographs (1948-2010) taken at the edge of the Bandera Lava Flow, New Mexico, while inventory of trees and data on age would reveal minimal structural and compositional changes at a woodland site on the inaccessible interior of the lava flow. We concluded that the insular qualities of the volcanic badlands resulted in minimal changes at the interior site during the twentieth and early twenty-first centuries, while noticeable vegetative changes occurred at the periphery of the Bandera Lava Flow during the same period. Vegetative changes at the lava-substrate interface could be linked to variability in use of land, management of fire, and precipitation.
    The Southwestern Naturalist 06/2014; 59(2):235-243. DOI:10.1894/F11-JEM-01.1 · 0.21 Impact Factor