Tree-ring studies of meteorology, climate, and forest ecology in the Central United States

Abstract

Long-term dendrochronological records can offer substantial evidence on how changes in the physical environment affect ecosystems structure, dynamics and functioning. This work presents two sections: 1) a brief literature review showing the relevance of dendrochronology to climate and environmental sciences; 2) two independent studies with different applications of dendrochronological techniques to address the effects of climate in trees. The first article deals with event chronology of frost-rings in high altitude bristlecone pines and the relation of these events with meso-scale meteorological and climatic conditions. This research aimed to develop an unbiased record of early and latewood frost-rings in high altitude bristlecone pines (Pinus aristata) at Goliath Peak, Colorado, during the last 60 years. To determine the climatic significance of the frost-ring records, daily temperature data and composite mapping of weather features were analyzed. Earlywood frost-rings were far more common than latewood frosts at Goliath Peak and represented highly unusual late-season outbreaks of severe subfreezing temperatures early in the growing season. Latewood frosts were related with below average summer temperatures that could have delayed both the onset and termination of radial growth in high elevation bristlecone pines. Composite mapping of weather features document the large-scale advection of cold air masses associated with severe frost episodes since 1952. The second article consisted in a dendroclimatic approach to evaluate how climate affects radial growth patterns across an environmental gradient that parallels the vegetation continuum in the southcentral United States. Tree-ring chronologies from post oak (Quercus stellata) were selected from 55 sites comprising three major ecosystems: Ozark oak-hickory forest, Cross Timbers, and Post-oak Savanna. Four data sets were analyzed using principal components analysis (PCA) and rotated PCA: (1) 55 tree-ring chronologies, (2) Palmer Z-indices for the 44 grid points closest to each of the 55 tree-ring sites, (3) climate “signal free” tree-ring chronologies, and (4) tree-ring chronologies for non-overlapping 50-yr sub-periods from 1751-1950. The major spatial patterns of tree growth indeed resembled the major patterns of June moisture balance. After removing climate signal a considerable amount of residual variance was still left over and appeared to be related with plant phenology (seasonal onset of growth) and disturbance (such as tornado, fire, and ice storms). A temporal analysis conducted with four 50-yr sub-periods showed that the spatial patterns of tree growth variation appeared to be stable over time.

Registros dendrocronológicos de longo prazo podem oferecer evidências consistentes de como modificações no ambiente físico afetam a estrutura, dinâmica e funcionamento de ecossistemas. Esse trabalho é dividido em duas seções: 1) uma breve revisão de literatura e destacando a relevância da dendrocronologia para as ciências ambientais e do clima; 2) dois estudos independentes, na forma de artigos, com aplicações das técnicas dendrocronológicas para avaliar o registro de eventos climáticos. O primeiro artigo trata da cronologia de eventos de congelamento registrados nos anéis de crescimento de Pinus aristata, relacionando esses eventos a condições climáticas e meteorológicas. O objetivo deste trabalho foi construir um histórico de eventos de congelamento registrados nos lenhos inicial e tardio de árvores presentes no Pico Goliath, Colorado, ao longo de 60 anos. Os registros de congelamento presentes nos anéis foram analisados junto a dados diários de temperatura e de variáveis meteorológicas. O congelamento no lenho inicial foi mais comum que no tardio, indicando uma elevada ocorrência de baixas temperaturas no início da estação de crescimento; no lenho tardio o congelamento foi relacionado a menores temperaturas no verão que podem retardar o início e término do crescimento radial de P. aristata em altitudes elevadas. O mapeamento de características meteorológicas indicou a advecção de massas de ar frio associadas a episódios de congelamento severo desde 1952. O segundo artigo visou estudar a influência do clima nos padrões de crescimento radial de árvores, ao longo de um gradiente ambiental paralelo ao da vegetação, no centro-sul dos Estados Unidos. Séries cronológicas de anéis de crescimento de Quercus stellata foram selecionadas de 55 sítios em três ecossistemas: Ozark oak-hickory forest, Cross Timbers e Post-oak Savanna. Quatro bases de dados foram submetidas à análise de componentes principais (PCA) e PCA rotacionada (RPCA): (1) 55 cronologias de anéis de crescimento, (2) índice Z de Palmer para 44 pontos de grade correspondentes aos 55 sítios, (3) cronologias livres do sinal climático e (4) cronologias sem sobreposição, em períodos de 50 anos de 1751 a 1950. Em geral, o padrão de crescimento radial das árvores foi semelhante aos padrões dos índices de umidade de junho. Após a remoção do sinal climático, a distribuição espacial da variância pareceu estar associada à fenologia (sazonalidade da quebra de dormência de Q. stellata) e com a ocorrência de distúrbios (como tornados, queimadas e granizo). A análise dos períodos de 50 anos indicou que o padrão espacial de crescimento das árvores foi estável ao longo do tempo.