Fire and Climate Suitability for Woody Vegetation Communities in the South Central United States

Climate and fire are primary drivers of plant species distributions. Long-term management of south central United States woody vegetation communities can benefit from information on potential changes in climate and fire frequencies, and how these changes might affect plant communities. We used historical (1900 to 1929) and future (2040 to 2069 and 2070 to 2099) projected climate data for the conterminous US to estimate reference and future fire probabilities using a physical chemistry fire frequency model. We then used the fire probability data with additional climate parameters to construct maximum entropy environmental suitability models for three south central US vegetation communities. The modeled communities included an oak type (dominated by post oak, Quercus stellata Wangenh., and blackjack oak, Q. marilandica Münchh.), a mesquite type (dominated by honey mesquite, Prosopis glandulosa Torr., and velvet mesquite, P. velutina Wooton), and a pinyon-juniper type (dominated by pinyon pine, Pinus edulis Engelm., and Utah juniper, Juniperus osteosperma [Torr.] Little). We mapped baseline and future mean fire-climate suitability using data from three global climate models for 2040 to 2069 and 2070 to 2099; we also mapped future locations of threshold conditions for which all three models agreed on suitability for each community. Future projections included northward, southward, and eastward shifts in suitable conditions for the oaks along a broad path of fire-climate stability; an overall reduction in suitable area for historic mesquite communities coupled with potential expansion to new areas; and constriction and isolation of suitable conditions for pinyon-juniper communities. The inclusion of fire probability adds an important driver of vegetation distribution to climate envelope modeling. The simple models showed good fit, but future projections failed to account for future management activities or land use changes. Results provided information on potential future de-coupling and spatial re-arrangement of environmental conditions under which these communities have historically persisted and been managed. In particular, consensus threshold maps can inform long-term planning for maintenance or restoration of these communities, and they can be used as a potential tool for other communities in fire-prone environments within the study area and beyond its borders.ResumenEl clima y el fuego son los conductores primarios de la distribución de especies vegetales. El manejo a largo plazo de las comunidades vegetales leñosas del centro sur de los EEUU puede beneficiarse de la información sobre los cambios potenciales en el clima y en la frecuencia de fuegos, y sobre cómo estos cambios podrían afectar a estas comunidades. Nosotros utilizamos datos proyectados del clima histórico (1900 a 1929) y futuro (2040 a 2069 y 2070 a 2099) para todo el territorio de EEUU, para estimar probabilidades futuras y de referencia utilizando un modelo físico-químico de frecuencia de fuegos. Utilizamos entonces datos de probabilidad de fuego con parámetros de clima adicionales para construir modelos apropiados de máxima entropía ambiental para tres comunidades vegetales del centro-sur de EEUU. Las comunidades modeladas incluyeron un tipo de roble (dominado por roble de los postes, Quercus stellata Wangenh., y blackjack oak, Q. marilandica Münchh.), un tipo de mezquite (dominado por mezquite dulce Prosopis glandulosa Torr., y mezquite terciopelo, P. velutina Wooton), y un tipo de piñón-enebro (dominado por pino piñonero, Pinus edulis Engelm., y enebro de Utah Juniperus osteosperma [Torr.] Little). Mapeamos la línea base y el promedio ajustado de clima y fuego a futuro utilizando datos de tres modelos climáticos globales de 2040 a 2069, y de 2070 a 2099; también mapeamos lugares que a futuro presenten condiciones límite y en los cuales los tres modelos coincidieron en ser apropiados para cada comunidad. Proyecciones futuras incluyeron cambios, en sentido norte, sur y este, en las condiciones apropiadas para los robles a lo largo de una amplia gama de estabilidades de clima y fuego; una reducción general en un área adecuada para comunidades históricas de mezquite, acopladas con una expansión potencial hacia nuevas áreas, y la retracción y aislamiento de condiciones apropiadas para comunidades de piñón-enebro. La inclusión de la probabilidad de fuego agrega un importante indicador de la distribución de la vegetación al modelado de cobertura climática. Los modelos simples mostraron un buen ajuste, pero las proyecciones en el tiempo fracasaron en explicar actividades futuras de manejo o cambios de uso de la tierra. Los resultados proveen de información sobre de potenciales disociaciones futuras y nuevos arreglos espaciales de las condiciones ambientales bajo las cuales estas comunidades han persistido históricamente y han sido manejadas. En particular, los mapas consensuados de límites pueden informar planes a largo plazo para el mantenimiento o la restauración de estas comunidades, y estos pueden ser utilizados como una herramienta potencial para otras comunidades en ambientes propensos al fuego dentro del área de estudio y también por fuera de sus límites.