Geoecohydrological mechanisms in semiarid tropical forests: spatial and temporal use of water of two coexisting forest tree species

Abstract

"Las regiones semiáridas ya enfrentan un fuerte estrés hídrico y es probable que aumente, ya que los cambios en los patrones de lluvia, asociados al cambio climático, son cada vez más variables. El Centro-Norte de México representa una de las regiones más expuestas a sequía para los bosques semiáridos, a lo largo del gradiente de precipitación estacional que va de Norte-Sur, siendo un excelente sistema para estudiar las interacciones ecohidrológicas, incluyendo; las relaciones hídricas de la planta, la dinámica de la humedad del suelo y los patrones de distribución de raíces. Llevamos a cabo un estudio para identificar los mecanismos y estrategias que permiten la coexistencia de las especies de bosques semiáridos mixtos en temporada de sequía. Este estudio se realizó en tres diferentes tipos de rodales, que incluyen: rodales monoespecíficos de pino, rodales moespecíficos de encino y rodales mixtos de pino-encino. Con la utilización de herramientas geofísicas, identificamos que el bosque se encuentra establecido sobre un suelo rocoso poco profundo de material volcánico impermeable, con un alto grado de fracturamiento y fisuras, y una muy delgada capa de suelo (15 – 30 cm). Con los valores de 18O y 2H de las lluvias provenientes de las cuencas oceánicas del Pacífico y Atlántico, y manantiales, trazamos nuestra Línea Meteórica Local de Agua, la cual se comparó con las 2,800 muestras de abundancias naturales de agua en el xilema. Confirmamos que las especies utilizan diferentes fuentes de agua durante todo el año, lo que nos ha permitido identificar nichos y rasgos funcionales de las especies. Quercus potosina utiliza el agua de la roca volcánica fracturada, particularmente durante la estación seca, moviéndola a través del perfil del sustrato, cuando está en asociación con Pinus cembroides, evitando así la exclusión competitiva. En contraste, P. cembroides, no muestra adaptaciones para adquirir agua de la roca, sin embargo, utiliza el agua levantada por los encinos (levantamiento hidráulico). Durante la estación seca, Q. potosina, puede depender únicamente del agua almacenada en su tronco proveniente de eventos pasados, dejando cierta proporción de humedad del suelo disponible a los pinos. Hemos demostrado que los suelos rocosos también generan un alto grado de variabilidad en el contenido de agua y grandes desplazamientos en el estado fisiológico de los árboles. La interacción positiva observada entre el encino y pino, arroja dudas sobre la capacidad a largo plazo para tener éxito bajo condiciones geohidrometeorológicas cada vez más limitadas, y proporcionamos evidencia de la importancia de Q. potosina en el mantenimiento de la estructura y funcionamiento del ecosistema en este bioma con deficiencias de agua. Estos resultados modifican significativamente el paradigma actual del uso de agua por las plantas, donde el agua que ocurre en las rocas no se considera un recurso potencial."

"Semiarid regions already facing strong water stress are likely to be exposed to higher levels as rainfall patterns change and are becoming more variable under climate change. Central North Mexico represents one of the most drought prone regions for semiarid forest along the north–south seasonal precipitation gradient, making it an excellent location to study ecohydrological interactions, including; plant–water relations, soil moisture dynamics and root distribution patterns. We conducted a study to identify the type of mechanisms and strategies permitting species coexistence in a mixed forest during the drought season. This study was carried in three different stand types including: monospecific P. cembroides stands; monospecific Q. potosina stands and mixed oak-pine stands. Using geophysical tools, we identified that the forest is colonizing shallow rocky soils over impermeable volcanic material with high fracturing and fissuring and an extremely thin layer of soil (15 - 30 cm). With the 18O and 2H values of all recorded rainfall events either coming from the Pacific or Atlantic ocean and of water from springs, we generated our Local Meteoric Water Line and analyzing the natural abundance of water isotopes of 2,800 samples of water in pine and oak xylem confirmed that trees used different water sources throughout the year. This confirmed that trees used different water sources throughout the year, permitting us to identify temporal and spatial niches and functional traits of species. Quercus potosina used fractured volcanic rock water, particularly during drought, moving through the substrate profile when in association with Pinus cembroides, thus avoiding competitive exclusion. In contrast P. cembroides showed no adaptations to acquire water rock however it took advantage of water uplifted by oak (hydraulic lift). During the dry season, Q. potosina rely only on water stored in their trunks from past rain events leaving available the soil moisture for pines. Here we demonstrated that rocky soils also generate a high degree of variability in water content and large offsets in the physiological status of trees. The observed positive interaction between oak and pine shed doubts on the long-term capacity of P. cembroides to succeed in monocultures under increasingly limiting geohydrometeorological conditions, and provided evidence of the importance of Q. potosina to maintain ecosystem structure and function in this water-limited biome. These results significantly modify the current paradigm of water use by trees, where water held in the rocks is not regarded as a potential water source."