Spatial and temporal variation in Nothofagus pumilio growth at tree line along its latitudinal range (35°40′-55° S) in the Chilean Andes

Aim To identify the dominant spatial and temporal patterns of Nothofagus pumilio radial growth over its entire latitudinal range in Chile, and to find how these patterns relate to temperature and precipitation variation from instrumental records.Location This study comprises 48 tree line or high elevation N. pumilio sites in the Chilean Andes between 35° 36′ and 55° S. Nothofagus pumilio is a deciduous tree species that dominates the upper tree line of the Chilean and Argentinean Andes in this latitudinal range.Methods At each of the sampled sites, two cores from 15 to 40 living trees were collected using increment borers. Cores were processed, tree rings were measured and cross-dated, using standard dendrochronological procedures. Radii from nearby sites were grouped into 13 study regions. A composite tree-ring width chronology was developed for each region in order to capture and integrate the common growth patterns. For the identification of the dominant patterns of growth, as well as temperature and precipitation variation, we used principal components (PCs) analysis. Correlation analysis was used for the study of the relationship of N. pumilio tree-ring growth with temperature and precipitation records.Results Nothofagus pumilio tree line elevation is 1600 m in the northernmost region and gradually decreases to 400 m in the southernmost region. Despite local differences along the transect, the decrease in tree line elevation is fairly constant, averaging c. 60 m per degree of latitude (111 km). Tree growth at the northernmost regions shows a positive correlation with annual precipitation (PC1-prec) and negative correlation with mean annual temperature (PC2-temp), under a Mediterranean-type climate where water availability is a major limiting factor. Conversely, tree growth is positively correlated with mean annual temperature (PC1-temp) in the southern portion of the gradient, under a relatively cooler climate with little seasonality in precipitation.Main conclusions Our findings indicate that temperature has a spatially larger control of N. pumilio growth than precipitation, as indicated by a significant (P < 0.05) either positive or negative correlation of tree growth and PC1-temp and/or PC2-temp for nine of the 13 regional chronologies (69.2% of the total), whereas precipitation is significantly correlated with only two chronologies (15.4% of the total). Temporal patterns of N. pumilio tree growth reflected in PC1-growth for the period between 1778 and 1996 indicate an increasing trend with above the mean values after 1963, showing high loadings in the southern part of the gradient. This trend may be explained by a well-documented increase in temperature in southern Patagonia. Ongoing and future research on N. pumilio growth patterns and their relationship to climate covering the Chilean and Argentinean Andes will improve the understanding of long-term climate fluctuations of the last three to four centuries, and their relationship to global change at a wide range of spatial and temporal scales.ResumenObjetivo Identificar los principales patrones espaciales y temporales de crecimiento radial de Nothofagus pumilio a lo largo del gradiente latitudinal completo de estos bosques en Chile, y encontrar como estos patrones se relacionan con las variaciones de temperatura y precipitación provenientes de registros instrumentales.Ubicación Este estudio comprende 48 sitios de N. pumilio ubicados en el límite altitudinal arbóreo (tree line) o cerca de éste en los Andes de Chile entre los 35°36′ y los 55° S. N. pumilio es una especie arbórea caducifolia que domina los limites altitudinales de Chile y Argentina en este rango latitudinal.Métodos En cada uno de los sitios muestreados se colectaron dos tarugos (testigos) de 15-40 árboles vivos usando taladros de incremento. Los tarugos fueron procesados usando técnicas dendrocronológicas estándar. Los radios de sitios cercanos fueron agrupados para definir 13 regiones de estudio. Para cada una de estas regiones se desarrolló una cronología compuesta de tal manera de capturar e integrar los patrones de crecimiento comunes dentro de cada región. Se usó análisis de componentes principales (PC) para la identificación de los patrones dominantes de variación del crecimiento, temperatura y precipitación. Las relaciones entre crecimiento de N. pumilio con los registros de temperatura y precipitación fueron estudiadas mediante análisis de correlación.Resultados La altitud del límite superior arbóreo es 1.600 metros para la región de estudio ubicada en el extremo norte y disminuye gradualmente hasta alcanzar 400 metros en el extremo sur. A pesar de variaciones locales a lo largo del transecto, la disminución en la altitud del límite arbóreo es relativamente constante, a una tasa promedio de 60 metros por grado de latitud (111 km). El crecimiento radial en las regiones de estudio ubicadas en el extremo norte del gradiente muestra una correlación positiva con precipitación anual (PC1-prec), y una correlación negativa con temperatura media anual (PC2-temp), bajo un clima de tipo mediterráneo donde la disponibilidad de agua es el factor limitante para el crecimiento. Por el contrario, en la porción sur del gradiente latitudinal el crecimiento radial está positivamente correlacionado con la temperatura media anual (PC1-temp), bajo un clima relativamente más frío con una menor estacionalidad en las precipitaciones.Conclusiones principales Nuestro estudio muestra que la temperatura tiene una importancia relativa mayor sobre el crecimiento de Nothofagus pumilio que la precipitación, indicado por una correlación estadísticamente significativa (P < 0.05) de signo positivo o negativo entre crecimiento arbóreo y PC1-temp y/o PC2-temp para 9 de las 13 cronologías regionales (69.2% del total), mientras que la precipitación (PC1-prec) está correlacionada significativamente sólo con dos cronologías (15.4% del total). Los patrones temporales del crecimiento radial de N. pumilio reflejados en el PC1 de crecimiento para el periodo 1778-1996 indican una tendencia al aumento con valores sobre la media a partir de 1963, con altos valores en los autovectores resultantes del análisis de componentes principales para la porción sur del gradiente. Esta tendencia puede ser explicada por el aumento de temperaturas para la Patagonia Sur, el cual está bien documentado por otros estudios. Los estudios en marcha y la futura investigación en los patrones de crecimiento de N. pumilio y su relación con el clima abarcando los Andes de Chile y Argentina mejorará nuestro entendimiento de las fluctuaciones climáticas de los últimos 3-4 siglos y su relación con el cambio global en un amplio rango de escalas espaciales y temporales.