Analytic integration for dendroclimatic modeling in forest ecosystems

Resumen

Una correcta modelización dendrocronológico-climática, o dendroclimá- tica, en ecosistemas forestales (DMFE) deberı́a integrar métodos en den- drocronologı́a, procesamiento de imágenes y ecologı́a numérica. Sin em- bargo, diversas alternativas de modelización, establecidas en la literatura cientı́fica para implementar tales procedimientos, no han sido integradas en código estadı́stico reproducible. En consecuencia, tampoco se han eva- luado algoritmos de este tipo en ecosistemas boscosos. En este trabajo de tesis se postula que el desarrollo de algoritmos estadı́sticos en ambiente R para la DMFE es una alternativa viable para realizar tal integración. Por tanto, en esta investigación se han programado dos librerı́as, o paque- tes, en lenguaje R que integran el software dendrocronológico disponible para este ambiénte (son ejemplos las librerı́as: dplR y bootres) con li- brerı́as para la DMFE. Ambos paquetes se describen, validan, y gen- eralizan con datos ecológicos multinivel MEDS de la Peninsula Ibérica. También se postulan aquı́ dos preguntas de investigación. Ello con el propósito de evaluar mejoras en DMFE con el nuevo código de R y, además, de validar su implementación en ecosistemas forestales mediterrá- neos. La primera librerı́a es una herramienta para la detección de anillos en los árboles TRW. Este paquete informático se denomina measuRing e integra rutinas para la medición de TRW en el ambiente estadı́stico R. El paquete asiste en el proceso de identificación de bordes de anillo. Los algoritmos internos del paquete calculan datos de luminancia en las secciones de imágen, elaboran matrices en escala de grises y producen series suavizadas de gris. La librerı́a contiene funciones para incluir o excluir bordes de anillo usando los dispositivos gráficos de R o, bien, implementado procesos de detección automática. Por otra parte, se realizó un estudio de caso en bosques de Pinus pinaster and P. sylvestris de la Peninsula Ibérica con el objeto de identificar las variables más importantes para la DMFE considerando las dinámicas en el crecimiento de los árboles. Se desarrolla un algoritmo multinivel para modelizar crecimiento alométrico de los árboles a apartir de TRW y para comprender relaciones entre dinámicas en biomasa y sequı́a. Denominado BIOdry, el algoritmo integra modelización de biomasa arbórea, extracción de tendencias de crecimiento con modelos mixtos, normalización de series multinivel, construcción de ı́ndices de aridéz y comparación multivariada entre series normalizadas considerando factores ecológicos. Tales factores suelen formar estructuras gerárquicas y varı́ar desde escalas continentales hasta réplicas de muestreo. La segunda librerı́a de R permite implementar los métodos del algoritmo BIOdry. Esta librerı́a ha sido denominada con el mismo nombre: el pa- quete BIOdry. El paquete involucra escalamiento de series en niveles es- pecı́ficos de varianza, modelización de la sequı́a, escalamiento alométrico, substracción de tendencias ontogenéticas en los árboles y comparación multivariada. Además, el paquete es compatible con otras librerı́as den- drocronolólogicas de R (Por ejemplo, dplR y measuRing). También se formulan métodos teóricos para la DMFE. Se definen los pro- cesos matriciales involucrados en el conteo de anillos en los árboles a partir de análisis de imágenes con measuRing. Se explica un nuevo método para la detección automática de bordes de anillo mediante implementación de esta librerı́a. También se definen las ecuaciones de los algorı́tmos internos del paquete BIOdry. Se formulan los procesos de extracción de tendencias, modelos teóricos, normalización multinivel y comparaciones multivariadas entre MEDS. Se concluye la tesis con una descripción de las contribuciones más impor- tantes. Se concluye que el paquete measuRing permite consolidar aspectos importantes en el análisis de imágenes dendrocronológicas, en tanto que el paquete BIOdry integra procedimientos de caracteres multinivel y mul- tivariado; las bases teóricas de esta tesis legitimizan la AIDM. También se concluye que las relaciones entre fluctuaciones dendroclimáticas en la Penı́nsula Ibérica dependen del lapso de análisis, de estrategias adaptati- vas especı́ficas de la vegetación y de la localización de los rodales forestales; las especies estudiadas se han adaptado a la sequı́a de verano mientras que tanto otoño como invierno han alterado los balances anuales de humedad en el suelo. Durante los últimos 50 años se ha incrementado las sensibili- dad dendroclimática de las especies estudiadas.