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: 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. RESUMEN—Hipotetizamos que los cambios de vegetación serían visibles en una serie de fotografías de repetición (1948–2010) sacadas en el borde del flujo de lava Bandera, Nuevo México , mientras que un inventario dé arboles y datos de edad revelarían cambios mínimos de la estructura y la composicí on en un sitio boscoso en el interior inaccesible del flujo de lava. Concluimos que las cualidades insulares de las tierras volcánicas siguieron a cambios mínimos en el lugar interior durante los siglos 20 y principios del 21, mientras que cambios vegetales notables ocurrieron en la periferia del flujo de lava Bandera durante el mismo período. Cambios vegetales en la interfaz de lava y suelo podrían estar relacionados con la variabilidad del uso de tierra, manejo de fuego y la precipitací on. Numerous studies have analyzed repeat historical photographs to provide evidence of environmental and anthropogenic changes to western landscapes (Hastings). Repeat-photography (rephotography) analysis compares two or more photographs, depicting the same subject, captured at specified times (Rogers et al., 1984). Although not as spatially comprehensive as aerial photographs and satellite imagery, repeated ground-based photographs provide finer scale for assessment of vegetative changes and anthropogenic activity. Ground-based photography also predates remotely sensed data in many locations (Turner et al., 2003). Repeat historical photographs provide a visual assessment of environmental effects on establishment , growth, and mortality of trees. Rephotography also may permit unique analyses and inferences, especially regarding fragmentation of vegetation, morphological changes in plants, species-composition, and structure of stands. The drought of the early 2000s and projections of regional drying through the remainder of the twenty-first century (Seager et al., 2007; Hughes and Diaz, 2008) raise questions concerning the future effects of climatic
    The Southwestern Naturalist 01/2014; 59(2):235-243. DOI:10.1894/F11-JEM-01.1 · 0.21 Impact Factor
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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: The amplified ‘‘greenhouse effect’’ associated with increasing concentrations of greenhouse gases has increased atmospheric temperature by 18C since industrialization (around 1750), and it is anticipated to cause an additional 28C increase by midcentury. Increased biospheric warming is also projected to modify the amount and distribution of annual precipitation and increase the occurrence of both drought and heat waves. The ecological consequences of climate change will vary substantially among ecoregions because of regional differences in antecedent environmental conditions; the rate and magnitude of change in the primary climate change drivers, including elevated carbon dioxide (CO2), warming and precipitation modification; and nonadditive effects among climate drivers. Elevated atmospheric CO2 will directly stimulate plant growth and reduce negative effects of drying in a warmer climate by increasing plant water use efficiency; however, the CO2 effect is mediated by environmental conditions, especially soil water availability. Warming and drying are anticipated to reduce soil water availability, net primary productivity, and other ecosystem processes in the southern Great Plains, the Southwest, and northern Mexico, but warmer and generally wetter conditions will likely enhance these processes in the northern Plains and southern Canada. The Northwest will warm considerably, but annual precipitation is projected to change little despite a large decrease in summer precipitation. Reduced winter snowpack and earlier snowmelt will affect hydrology and riparian systems in the Northwest. Specific consequences of climate change will be numerous and varied and include modifications to forage quantity and quality and livestock production systems, soil C content, fire regimes, livestock metabolism, and plant community composition and species distributions, including range contraction and expansion of invasive species. Recent trends and model projections indicate continued directional change and increasing variability in climate that will substantially affect the provision of ecosystem services on North American rangelands.
    Rangeland Ecology & Management 09/2013; 66(5):493-511. DOI:10.2111/REM-D-12-00068.1 · 1.46 Impact Factor

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May 31, 2014