The key role of ecosystem services in forests: spatial relationships, conservation implications and risk to climate change hazards

Abstract

Els boscos proveeixen d’una àmplia varietat de serveis ecosistèmics (SE). Entendre com i per què aquests SE es distribueixen en el paisatge és essencial per dotar a les polítiques d’informació per protegir, millorar i restaurar aquests ecosistemes. A més, l’efectivitat de les Àrees Protegides (AP) en el manteniment dels SE i la biodiversitat encara no està clara, i els boscos estan cada vegada més sotmesos a la pressió del canvi climàtic, amb canvis en el règim de pertorbacions (com ara els incendis). Predir on aquestes pertorbacions tindran lloc en el futur i fins a quin punt els SE dels boscos s’hi veuran afectats són reptes fonamentals en la recerca. L’objectiu general d’aquesta tesi és analitzar la distribució espacial dels SE als boscos, la seva rellevància en la conservació i la seva vulnerabilitat i risc enfront pertorbacions del canvi climàtic, especialment els incendis forestals. Per això, 1) hem analitzat la distribució espacial dels estocs de carboni i la biodiversitat, així com la relació entre ells i les seves causes, en boscos de dues regions i cinc subclimes; 2) hem determinat el rol de les AP en la preservació dels SE i la biodiversitat a Catalunya; 3) hem desenvolupat un marc conceptual per avaluar la vulnerabilitat dels boscos i el seu risc de pèrdua de SE; i 4) hem avaluat els patrons espacials i les causes de la vulnerabilitat dels boscos a incendis i el risc associat de pèrdua de SE a Catalunya. La relació entre els estocs de carboni i la biodiversitat és en general positiva, amb valors més elevats al nord d’Espanya i al sud del Québec. Valors de densitat i diversitat estructural elevats han afavorit al mateix temps els estocs de carboni, la biodiversitat d’arbres i la biodiversitat global. Respecte a les AP, hem trobat més estocs de carboni, cobertura d’hàbitats d’interès comunitari, hàbitats prioritaris i llocs d’interès geològic a l’interior de les AP que a les seves àrees d’influència (o buffer zones), però cap dels indicadors de biodiversitat (riquesa d’arbres i d’aus) ha mostrat diferències entre les AP i les àrees d’influència. Hem proposat un marc conceptual per avaluar la vulnerabilitat dels boscos i el risc de pèrdua de SE, basat en els components d’exposició, magnitud de la pertorbació, susceptibilitat i manca de capacitat adaptativa. Finalment, hem aplicat aquest marc general als incendis forestals de Catalunya. Els resultats han mostrat que la magnitud de la pertorbació és el component més important que defineix el risc de pèrdua de SE degut a incendis. El tipus funcional de bosc - especialment les coníferes no Mediterrànies que tenen poca capacitat adaptativa - és el factor més important sota condicions extremes. L’augment de risc més gran s’ha trobat en boscos relativament humits que actualment tenen un risc baix, situació que segons les tendències climàtiques actuals passarà a ser més comuna en un futur. En general, aquesta tesi ha augmentat l’evidència científica de la relació positiva entre els estocs de carboni i la biodiversitat en cinc subclimes. També ha mostrat que la conservació a Catalunya només és efectiva en el manteniment d’alguns dels SE i variables de conservació considerades. També ha contribuït amb un marc conceptual innovador sobre la vulnerabilitat dels boscos i el risc de pèrdua de SE degut a pertorbacions del canvi climàtic, assentant les bases per avaluar la vulnerabilitat i el risc d’una manera operativa i sistemàtica. L’aplicació d’aquest marc conceptual als incendis forestals ha mostrat implicacions rellevants en el risc de pèrdua de SE, fet que podria contribuir en el desenvolupament de polítiques futures mitjançant l’anticipació del risc, i ser una guia per la gestió forestal eficient.

Los bosques proveen una amplia variedad de servicios ecosistémicos (SE). Entender cómo y por qué estos SE se distribuyen en el paisaje es esencial para proteger, mejorar y restaurar estos ecosistemas. Además, la efectividad de las Áreas Protegidas (AP) en el mantenimiento de los SE y la biodiversidad aún no está del todo clara, y los bosques están cada vez más sometidos a la presión del cambio climático, con cambios en el régimen de perturbaciones (como incendios). Predecir en qué lugares estas perturbaciones se darán en un futuro y hasta qué punto los SE se verán afectados son retos fundamentales de investigación.

El objetivo general de esta tesis es analizar la distribución espacial de los SE de los bosques, su relevancia en la conservación y su vulnerabilidad y riesgo frente a perturbaciones del cambio climático, especialmente los incendios forestales. Para cumplir este objetivo, 1) hemos analizado la distribución espacial de los stocks de carbono y la biodiversidad en los bosques, así como la relación entre ellos y sus causas, en dos regiones y cinco subclimas; 2) hemos determinado el rol de las AP en la preservación de los SE y la biodiversidad en Cataluña; 3) hemos desarrollado un marco conceptual para evaluar la vulnerabilidad de los bosques y su riesgo de pérdida de SE; y 4) hemos evaluado los patrones espaciales y las causas de la vulnerabilidad de los bosques a incendios y el riesgo asociado de pérdida de SE en Cataluña. La relación entre los stocks de carbono y la biodiversidad es en general positiva, con valores más elevados en el norte de España y en el sur del Québec. Valores de densidad y diversidad estructural elevados han favorecido los stocks de carbono, la biodiversidad de árboles y la biodiversidad global. Respecto a las AP, hemos encontrado más stocks de carbono, cobertura de hábitats de interés comunitario, hábitats prioritarios y lugares de interés geológico dentro de las AP que en sus áreas de influencia (o buffer zones), pero ninguno de los indicadores de biodiversidad ha mostrado diferencias entre las AP y sus áreas de influencia. Las AP con niveles de protección más elevados no han proveído de más SE y biodiversidad, o viceversa. Además, hemos propuesto un marco conceptual para evaluar la vulnerabilidad de los bosques y el riesgo de pérdida de SE, basado en los componentes de exposición, magnitud de la perturbación, susceptibilidad y ausencia de capacidad adaptativa. Finalmente, hemos aplicado este marco general a los incendios forestales en Cataluña. Los resultados muestran que la magnitud de la perturbación es el componente más importante que define el riesgo de pérdida de SE debido a incendios. El tipo funcional de bosque - especialmente las coníferas no Mediterráneas que tienen una menor capacidad adaptativa - es el factor más importante bajo condiciones extremas. El aumento de riesgo más grande está en bosques relativamente húmedos, situación que según las tendencias climáticas actuales pasará a ser más común en un futuro.

En general, esta tesis ha contribuido a aumentar la evidencia científica de la relación positiva entre los stocks de carbono y la biodiversidad. También ha mostrado que la conservación en Cataluña solo es efectiva para mantener algunos SE y variables de conservación. También ha contribuido con un marco conceptual innovador sobre la vulnerabilidad de los bosques y el riesgo de pérdida de SE debido a perturbaciones del cambio climático. La aplicación de este marco conceptual a los incendios forestales ha demostrado implicaciones en el riesgo de pérdida de SE, que podrían servir para el desarrollo de políticas futuras de anticipación del riesgo, pudiendo servir de guía para la gestión forestal eficiente.

Forest ecosystems provide a wide variety ecosystem services (ES). Understanding how these ES are distributed across the landscape and identifying their main drivers is essential to inform policy to protect, enhance and restore these ecosystems. Besides, protected areas (PAs) are fundamental for biodiversity conservation and the provision of ES, yet their effectiveness in maintaining ES and biodiversity is still unclear. Currently, forests are increasingly under pressure from climate change, resulting in changes in disturbance regimes (e.g., wildfires, drought, insect-outbreaks and windstorms). Predicting where these natural hazards will occur in the future and to what extent forest ES will be affected are also fundamental research challenges. The general objective of this thesis is to analyze the spatial distribution of forest ES, their relevance in conservation and their vulnerability and risk to climate change hazards, especially wildfires. To do so, 1) we have analyzed the spatial distribution, relationship and drivers of forest carbon stocks and biodiversity in two regions and five subclimates; 2) we have determined the role of PAs in preserving ES and biodiversity in forests and shrublands of Catalonia; 3) we have developed a general framework of forest vulnerability and risk of losing ES due to different climate change hazards; and 4) we have assessed the spatial patterns and drivers of forest vulnerability to wildfires and the corresponding risk of losing ES in Catalonia. We have found a general positive relationship between carbon stocks and biodiversity, with the highest values in northern Spain (humid Mediterranean subclimate) and southern Quebec (temperate subclimate). High density and structural diversity have simultaneously favored carbon stocks, tree and overall biodiversity. The variables positively affecting carbon and biodiversity have been also driving their hotspots, emphasizing the viability of ‘win-win’ solutions. Regarding PAs, we have found more carbon stocks, coverage of community-interest habitats, priority-habitats and geological-interest sites in PAs than in buffer zones, but none of the biodiversity variables considered have showed differences between PAs and buffer zones. PAs with higher degree of protection have not provided higher levels of ES and biodiversity, or vice versa. Furthermore, we have proposed a general framework to assess forest vulnerability and risk based on the components of exposure, hazard magnitude, susceptibility and lack of adaptive capacity. Finally, we have applied this general framework to the particular case of wildfires in Catalonia. The results have indicated that hazard magnitude is the most important factor defining ES at risk from wildfires. Climate is the main driving factor of ES at risk under average conditions, but forest functional type - in particular non-Mediterranean conifers that have low adaptive capacity - have gained importance under extreme conditions. The highest increases in risk have been found in relatively wet forests with currently low risk, which according to climate trends will become common in the future.

Overall, this thesis has gained evidence on the positive relationship between carbon stocks and biodiversity and their main drivers in five subclimates, and has showed that the conservation strategy in Catalonia is only effective at maintaining some of the ES and conservation variables considered. It has also contributed with an innovative conceptual framework of forest vulnerability and risk of losing ES due to climate change hazards, constituting a basis for a systematic operationalization of forest risk and vulnerability. The application of this framework to the case of wildfires has showed relevant implications on the future risk of losing ES due to wildfires, which could contribute to future-oriented policies by anticipating conditions associated with particularly high risks and guiding efficient forest management.