Localización de poblaciones muestreadas

En diciembre del 2018 se muestrearon poblaciones naturales de P. hartwegii en los extremos de su distribución altitudinal, 3 500 m (inferior) y 4 000 m (superior), en las montañas Cofre de Perote, Pico de Orizaba y Monte Tláloc en los estados de Veracruz, Puebla y México, respectivamente (Figura 1). Las condiciones ambientales en las tres montañas son similares respecto al clima, suelos, topografía y cobertura vegetal (Cuadro 1). El clima de las zonas de estudio es tipo C(w) semifrío húmedo con lluvias en verano (^{García, 2004}). Los suelos corresponden a unidades de Andosol húmico, Andosol úmbrico y Leptosol (^{IUSS Working Group WRB, 2015}).

En cada montaña se localizaron rodales naturales puros en los que se seleccionaron árboles adultos y dominantes de la especie. La elevación específica de cada rodal varió ligeramente, debido a la distribución espacial natural de la vegetación; para fines del estudio, las elevaciones se refieren como ‘inferior’ y ‘superior’ ((Cuadro 1). En cada sitio se seleccionaron dos rodales de muestreo con una separación mínima de 300 m en línea recta.

Figura 1 Localización geográfica de las tres montañas del Sistema Neovolcánico Transmexicano con las poblaciones naturales de Pinus hartwegii muestreadas en los extremos altitudinales (≈3 500-4 000 m) de su distribución natural (información tomada y modificada de ^{Gómez-Guerrero et al., 2013}). 

Obtención y procesamiento de muestras

En cada rodal se seleccionaron 25 árboles adultos maduros, dominantes, sanos, con copa vigorosa, fuste recto y sin defectos o daños físicos (^{Villanueva-Diaz et al., 2007}). De cada árbol se recolectó un núcleo de madera de 5 mm de diámetro con taladro de incremento, a 1.30 m de altura, hasta el centro del tronco y en orientación perpendicular a la pendiente del terreno para evitar la madera de compresión. Los núcleos de madera se almacenaron en cajas de policarbonato abiertas para permitir la pérdida de humedad; en laboratorio se secaron a temperatura ambiente. Las muestras se aserraron a un espesor aproximado de 2 mm y la resina se extrajo con un baño de pentano (C₅H₁₂) durante 48 h. La muestras se secaron nuevamente y se expusieron a rayos X con el procedimiento descrito por ^{Mothe, Duchanois, Zannier, y Leban (1998}). Las imágenes (negativos) de rayos X se escanearon a 4 000 ppp para adquirir los perfiles de microdensidad utilizando WINDENDRO® (Windendro 2008e Regent instruments Canada Inc.).

Los perfiles de microdensidad se verificaron visualmente, se compararon con las muestras aserradas y se dataron para identificar el año de formación de cada anillo de crecimiento. De acuerdo con los procedimientos descritos por ^{Rozenberg et al. (2012}), para cada anillo, se obtuvieron las variables siguientes: anchura (mm) total del anillo (ATA), de madera temprana (AEW) y de madera tardía (ALW); y densidad (g∙cm^-3) total del anillo (DTA), de madera temprana (DEW), de madera tardía (DLW), mínima (DMI) y máxima (DMA). Cinco perfiles se excluyeron del análisis porque los límites de los anillos estaban indefinidos debido a un ángulo de grano oblicuo, lo que redujo ligeramente el tamaño de muestra en algunos sitios ((Cuadro 1).

Análisis de datos densitométricos

Los datos densitométricos se ajustaron con el método de residuales para remover el efecto de la edad cambial, utilizando modelos independientes para cada localidad (^{Rozenberg et al., 2020}). En el análisis se excluyeron los anillos cercanos a la médula para evitar la variación por el efecto juvenil (^{Cerano-Paredes et al., 2016}). Dado que el último anillo (2018) no se había formado completamente, tampoco se incluyó en el análisis. Con base en estos criterios y la disponibilidad de datos climáticos instrumentales, se determinó que el periodo más adecuado para distinguir los efectos de los factores climáticos era de 1960 a 2017.

Con los valores promedio de los componentes de los anillos de crecimiento por árbol se realizó un análisis de varianza de dos vías con el procedimiento MIXED de SAS versión 9.4 (SAS Institute, 2013), para estimar valores promedio por localidad y evaluar el efecto de los factores elevación, montaña y su interacción. Posteriormente, por localidad, se estimó el coeficiente de correlación de Pearson con el propósito de analizar las interrelaciones entre el crecimiento radial anual y los componentes del anillo de crecimiento. La homogeneidad de la estructura de correlaciones entre elevaciones y montañas se comparó mediante la prueba Chi-cuadrada (^{Rathgeber, 2017}).

Características de los anillos de crecimiento

El valor promedio de los componentes de los anillos de crecimiento correspondientes al periodo 1960-2017 fue diferente entre montañas y extremos altitudinales (P ≤ 0.05), con excepción de DEW ((Cuadro 2). El (Cuadro 3 muestra que en el Pico de Orizaba se encontraron anillos de crecimiento más angostos (ATA y AEW), pero con mayor ALW y densidad (DTA, DEW, DLW, DMI y DMA) que en las otras montañas. Las características promedio de los anillos en el Cofre de Perote y Monte Tláloc fueron similares, excepto DEW y DMI que son 6.7 % y 4.1 % menores en el Monte Tláloc.

Con respecto a la elevación, el (Cuadro 4 señala que hubo mayor crecimiento radial promedio con anillos de crecimiento más amplios en el extremo altitudinal inferior, debido a una mayor formación de madera temprana y tardía que en el extremo superior. La densidad promedio de los anillos también fue mayor en el extremo inferior, debido fundamentalmente a mayor DLW y DMA, ya que DEW no se modificó y DMI fue ligeramente mayor en el extremo superior. El efecto de la elevación fue similar en las tres montañas, excepto para ATA, AEW, ALW y DMI en el Pico de Orizaba donde no fueron afectadas por la elevación (Figura 2).

Figura 2 Valor promedio de los componentes de anchura (a) y densidad (b) de los anillos de crecimiento durante 1960-2017 en los extremos inferior (≈3 500 m) y superior (≈4 000 m) de la distribución altitudinal de Pinus hartwegii en las montañas Cofre de Perote (P), Pico de Orizaba (O) y Monte Tláloc (T). ATA = ancho total del anillo, AEW = ancho de madera temprana, ALW = ancho de madera tardía, DTA = densidad del anillo, DEW = densidad de madera temprana, DLW = densidad de madera tardía, DMI = densidad mínima del anillo y DMA = densidad máxima del anillo. 

Estructura de correlaciones entre características del anillo de crecimiento

El (Cuadro 5 muestra la matriz de correlaciones entre las características de anchura y densidad del anillo; la prueba Chi-cuadrada indicó que la estructura de correlaciones no fue homogénea en los extremos de distribución altitudinal de P. hartwegii. La fuerte correlación positiva de ATA con AEW (r ≥ 0.95) fue similar en los dos extremos altitudinales, pero la correlación de estas con ALW fue mayor en el extremo inferior.

Las correlaciones de DTA con DEW (r ≥ 0.82), DEW con DMI (r ≥ 0.92) y DLW con DMA (r ≥ 0.91) también fueron homogéneas en los dos extremos altitudinales. En el extremo superior, la correlación de DTA con DMI (r ≥ 0.72) fue mayor y con DLW (r ≥ 0.20) y DMA (r ≥ 0.07) fue heterogénea (Cuadro 5). Las correlaciones de las variables de anchura (ATA, AEW y ALW) con las de densidad (DTA, DEW, DLW, DMI y DMA) mostraron una estructura distinta en los dos extremos. En el extremo inferior, ATA, AEW y ALW tuvieron una correlación débil, positiva o negativa (-0.35 ≤ r ≤ 0.35) con DTA, DEW y DMI, mientras que, en el superior, las correlaciones con DTA y DEW fueron negativas (-0.82 ≤ r ≤ -0.17); además, las correlaciones de DLW y DMA con ATA, AEW y ALW en el extremo inferior del Pico de Orizaba y con ALW en el extremo superior del Monte Tláloc no fueron significativas (P > 0.05). En el extremo superior, las correlaciones entre crecimiento y densidad fueron negativas en componentes de madera temprana (DEW y DMI), y positivas en componentes de madera tardía (DLW y DMA).

La estructura de correlaciones también fue heterogénea entre montañas; el Cofre de Perote y Monte Tláloc contribuyeron más a esta heterogeneidad en el extremo inferior, y el Pico de Orizaba y Monte Tláloc en el extremo superior. En el Pico de Orizaba se encontró una estructura de correlaciones más homogénea entre los extremos altitudinales (Cuadro 5).

Diferencias en las características de los anillos de crecimiento

El efecto de la elevación en el crecimiento radial y en los componentes del anillo de crecimiento de P. hartwegii fue significativo, con anillos 50 % más amplios y 5 % más densos en el extremo inferior (≈3 500 m) del gradiente altitudinal durante 1960-2017. ^{Morgado-González et al. (2019}) describen resultados similares para esta especie, con anchura y densidad promedio del anillo menores al aumentar la elevación del sitio. En Larix decidua Mill., ^{Rozenberg et al. (2020}) también registraron mayor anchura y densidad promedio del anillo en el extremo inferior del gradiente altitudinal; sin embargo, en Fagus silvatica Lipsky se encontró un efecto compensatorio de la elevación que se reflejó en mayor crecimiento promedio y menor densidad de madera en el extremo inferior del gradiente (^{Topaloğlu, Ay, Altun, & Serdar, 2016}).

Las disimilitudes de crecimiento radial entre los extremos altitudinales se pueden deber a diferencias en temperatura y en el periodo de crecimiento. Los datos derivados del modelo Climate NA (^{Wang et al., 2016}) muestran que, en las montañas de estudio, en el extremo altitudinal inferior de los bosques de P. hartwegii, la temperatura media es 3 °C mayor y el periodo libre de heladas en el año es 64 días más largo que en el extremo superior. Aunque las especies de alta montaña están adaptadas a bajas temperaturas, la temperatura media anual (6 °C) en el extremo superior podría no ser suficiente para alcanzar el nivel óptimo de fotosíntesis, que solo ocurre en los momentos de máxima irradiación (^{Körner, 2012}; ^{Sanfuentes, Sierra-Almeida, & Cavieres, 2012}). Una temperatura subóptima, junto con un menor periodo favorable de crecimiento, se refleja en anillos de crecimiento más angostos y con menor densidad promedio, como lo señalan ^{Cerrato et al. (2019}) en Pinus cembra L. Los resultados indican que existen mejores condiciones de crecimiento en el extremo inferior del gradiente, que permiten a los árboles modular la funcionalidad del xilema con mayor efectividad, privilegiando conductividad hidráulica, crecimiento, soporte estructural y acumulación de carbono (Cerrato et al., 2019). En cambio, en la parte superior, la respuesta prioriza la funcionalidad hidráulica, similar a lo señalado por ^{Camarero, Rozas, y Olano (2014}) en Juniperus thurifera L.

Los estudios en otras coníferas muestran que la reducción de humedad del suelo (debido a una menor precipitación, al congelamiento del agua o a una menor capacidad de retención) induce la formación de madera tardía, con traqueidas de menor diámetro y mayor grosor de pared celular, para mantener la funcionalidad hidráulica del xilema (^{Camarero et al., 2014}; ^{Moyes, Castanha, Germino, & Kueppers, 2013}).

Las diferencias en crecimiento radial y densidad entre montañas también se relacionan con diferencias en condiciones ambientales. En el Pico de Orizaba se encontraron anillos más angostos, pero con mayor proporción de madera tardía y mayor densidad promedio y de sus componentes, incluyendo densidad mínima y máxima del anillo (Cuadro 3), lo cual podría estar relacionado con una transición más temprana a formación de madera tardía y un menor periodo de crecimiento, como lo sugieren los datos climáticos estimados. En esta montaña se registró una temperatura media anual (y durante el periodo libre de heladas) 1 a 2 °C más baja que en las otras; además, el periodo libre de heladas fue 56 días menor, con un inicio 44 días después y una terminación 12 días antes que en las otras montañas, lo que puede explicar la mayor proporción relativa de madera tardía y mayor densidad del anillo. La temperatura más baja en la parte alta del Pico de Orizaba podría explicar la mayor DMA (al final del periodo de crecimiento), para reducir riesgos de cavitación en esa época del año, cuando ocurre el mayor descenso de temperatura (^{Arias, Bucci, Scholz, & Goldstein, 2015}; ^{Scholz, Bucci, Arias, Meinzer, & Goldstein, 2012}).

Interrelaciones del crecimiento radial y componentes del anillo

En la mayoría de las coníferas de clima templado-frío es común encontrar una fuerte relación positiva entre la amplitud del anillo y sus componentes de madera temprana y tardía, como lo señalan ^{Rozenberg et al. (2020}) para L. decidua (r ≥ 0.7). ^{Bjorklund et al. (2017}) también indican relación positiva entre la densidad promedio del anillo y la de sus componentes para 27 especies de coníferas (r ≥ 0.5), además de una correlación negativa débil entre amplitud y densidad del anillo y sus componentes. En P. hartwegii, ^{Morgado-González et al. (2019}) mencionan correlaciones negativas entre densidad de la madera y anchura del anillo; sin embargo, ^{Correa-Díaz et al. (2020}) encontraron que la densidad máxima del anillo tuvo una correlación positiva, aunque débil (r = 0.3), con la anchura del anillo en el Monte Tláloc.

En general, el patrón de correlaciones entre las características de los anillos de crecimiento en P. hartwegii es similar al descrito para otras coníferas (^{Björklund et al., 2017}; ^{Dalla-Salda, Martinez-Meier, Cochard, & Rozenberg, 2011}); sin embargo, en esta especie, el patrón se modifica con la elevación. En el extremo superior, la correlación de ATA con ALW fue más débil y las correlaciones negativas de ATA, AEW y ALW con DTA, DEW y DMI fueron más fuertes (Cuadro 5). Este efecto es consistente con las diferencias en condiciones climáticas en los extremos del gradiente; las temperaturas bajas y la longitud corta del periodo favorable de crecimiento en el extremo superior ocasionan que la madera tardía tenga menor importancia relativa en la amplitud del anillo de crecimiento, como se ha mostrado en otras especies (^{Correa-Díaz et al., 2020}; ^{Düthorn et al., 2016}).

Por otra parte, la menor capacidad fotosintética en el extremo superior del gradiente, asociada a menor temperatura promedio, genera mayor competencia por recursos, especialmente durante la formación de madera temprana cuando también ocurre el crecimiento de brotes (^{Antonucci et al., 2017}; ^{Li et al., 2017}). A medida que las condiciones ambientales son más rigurosas, los procesos asociados a captura de energía, como la fotosíntesis, se reducen en mayor grado (^{Pompa-García & Venegas-González, 2016}). En la parte superior, la menor temperatura y la menor disponibilidad de agua en el suelo limitan la actividad fotosintética como lo señalan ^{Pompa-García, Camarero, Colangelo, y Gallardo-Salazar (2021)} en Pinus leiophylla Schl. et Cham. Esto podría explicar la correlación negativa más fuerte de ATA y AEW con DTA y DEW en el extremo superior del gradiente. Lo anterior también podría explicar la diferencia en magnitud de las correlaciones de ATA y AEW con DLW y DMA en el extremo superior del Pico de Orizaba con respecto al Cofre de Perote y Monte Tláloc. Estas correlaciones fueron más fuertes en el Pico de Orizaba y Monte Tláloc, donde la parte alta es más fría. Cuando las condiciones mejoran en esta zona más desfavorable, la densidad de madera temprana disminuye y la de madera tardía aumenta; es decir, el árbol puede distribuir sus recursos más eficientemente entre madera temprana y tardía del anillo, para favorecer las funciones de conducción con células más grandes en madera temprana, y las de soporte del xilema, con células con paredes más gruesas en madera tardía. En las condiciones más limitantes del Pico de Orizaba, hay menores posibilidades que en el Cofre de Perote y Monte Tláloc para distribuir los recursos en forma eficiente.

El menor crecimiento radial de P. hartwegii en el extremo superior, ligado a una menor densidad de madera, refleja el efecto de los factores limitantes y mecanismos de respuesta de la especie para ajustarse a las condiciones ambientales durante la formación de madera, manteniendo la funcionalidad del xilema (^{Park & Spiecker, 2005}; ^{Rozenberg et al., 2020}). Estas diferencias de la especie en los extremos del gradiente altitudinal ayudan a entender la respuesta diferencial de sus poblaciones ante el aumento de temperatura y fluctuación ambiental asociada al cambio climático. No obstante, se requieren estudios más detallados en relación con la fenología de la actividad cambial para entender el proceso de xilogénesis e identificar posibles mecanismos compensatorios entre los componentes del anillo de crecimiento. Esto con el fin de mantener las funciones de soporte mecánico y conductividad hidráulica del xilema (^{Gindl, Grabner, & Wimmer, 2000}) en un escenario de mayor fluctuación del clima que presentan los extremos del gradiente altitudinal de distribución natural de la especie.