Tree-grass dynamics in a Prosopis-thornscrub savanna parkland: Reconstructing the past and predicting the future

Abstract:

Although trends toward increased woody plant abundance in grasslands and savannas in recent history have been reported worldwide, our understanding of the processes involved is limited. Here I review and integrate a series of studies which quantify the rates, dynamics, spatial patterns and successional processes involved in tree patch and woody plant community development at a savanna parkland site in southern Texas, U.S.A. Stable carbon isotope ratios of soil organic carbon indicate C₃ woody plants currently occupy sites once dominated by C₄ grasses. Historical aerial photographs (1941–1990), tree ring analysis and plant growth models all indicate this displacement has occurred over the past 100 to 200 years.

Succession from grass– to woody plant–domination occurs when the N₂–fixing arborescent, honey mesquite (Prosopis glandulosa (Torr.) var. glandulosa), invades and establishes in herbaceous patches. Over time, this plant modifies soils and microclimate to facilitate the ingress and establishment of additional woody species. The result is a landscape comprised of shrub clusters of varying ages organized around a Prosopis nucleus. As new clusters form and existing clusters enlarge, coalescence occurs. This process appears to be in progress on upland portions of the landscape and has progressed to completion on lowlands. Rates of cluster development and patterns of distribution appear regulated by subsurface variations in clay content and by variations in annual rainfall. Simulation models based on reconstructions and forward projections indicate succession from grassland to woodland steady states would require 400–500 years, with the most dramatic changes occurring over a 200-year period. The shrubs initially facilitated by Prosopis appear to contribute to its demise and prevent its re–establishment. Structure and function of future communities may therefore depend on how remaining woody plants react to changes in microclimate and nitrogen cycling that occur after Prosopis is gone.

Résumé:

Bien qu’on rapporte partout dans le monde une tendance vers un accroissement, au cours de l’histoire récente, de l’abondance des plantes ligneuses dans les prairies et les savannes, notre compréhension des processus en cause est plutôt limitée. Nous passons ici en revue et tentons d’intégrer une série d’études quantifiant les taux ainsi que la dynamique des patrons spatiaux et des processus successionnels en cours dans le développement de communautés d’îlots arborescents et de plantes ligneuses, dans un site de la savanne arborée du sud du Texas, aux États-Unis. Le rapport des isotopes stables de carbone dans le carbone organique des sols indique que des plantes ligneuses C₃ occupe actuellement des sites jadis dominés par des graminées C₄. Les photographies aériennes anciennes (1941-1990), l’analyse dendrochronologique ainsi que les modèles de croissance des plantes indiquent que cette substitution est survenue dans les 100 à 200 dernières années. Ce changement de dominance depuis les graminées vers les plantes ligneuses est survenue au moment où Prosopis glandulosa (Torr.) var. glandulosa, un arbre fixateur de N₂, a envahi le site et s’est établi dans les plaques herbacées. Avec le temps, cette plante contribue à modifier le sol et le microclimat, ce qui favorise l’arrivée et l’établissement d’autres espèces ligneuses. La résultante de ce processus est un paysage comprenant de petits groupes d’arbustes d’âges variables s’organisant autour d’un noyau de Prosopis. La coalescence survient au fur et à mesure qu’apparaissent de nouveaux regroupements et que s’aggrandissent les noyaux existants. Ce processus est en progression dans les hautes terres et est en voie d’achèvement dans les basses terres. Le taux de développement des groupes et leurs patrons de répartition semblent réglés par les variations dans la teneur en argile des sols et les variations dans la précipitation annuelle. Des modèles de simulation reposant sur des reconstitutions et des projections indiquent que la succession depuis la prairie jusqu’à un état d’équilibre des forêts exigerait de 400 à 500 ans, les changements les plus draconiens survenant sur une période de 200 ans. Les arbustes dont l’établissement initial a été favorisé par Prosopis semblent contribuer à sa mort et ils empêchent son rétablissement sur le site. La structure et le fonctionnement des communautés subséquentes dépendraient par conséquent de la façon dont les plantes ligneuses subsistantes vont réagir aux changements dans le microclimat et le recyclage de l’azote après la disparition de Prosopis.

Keywords::

• boundaries
• competition
• facilitation
• Prosopis glandulosa
• soil δ¹³C
• succession

Mots-clés::

• frontières
• compétition
• facilitation
• Prosopis glandulosa
• δ¹³C édaphique
• succession