Simulating long-term wildfire impacts on boreal forest structure in Central Yakutia, Siberia, since the Last Glacial Maximum.

Background: Wildfires are recognized as an important ecological component of larch-dominated boreal forests in eastern Siberia. However, long-term fire-vegetation dynamics in this unique environment are poorly understood. Recent paleoecological research suggests that intensifying fire regimes may induce millennial-scale shifts in forest structure and composition. This may, in turn, result in positive feedback on intensifying wildfires and permafrost degradation, apart from threatening human livelihoods. Most common fire-vegetation models do not explicitly include detailed individual-based tree population dynamics, but a focus on patterns of forest structure emerging from interactions among individual trees may provide a beneficial perspective on the impacts of changing fire regimes in eastern Siberia. To simulate these impacts on forest structure at millennial timescales, we apply the individual-based, spatially explicit vegetation model LAVESI-FIRE, expanded with a new fire module. Satellite-based fire observations along with fieldwork data were used to inform the implementation of wildfire occurrence and adjust model parameters. Results: Simulations of annual forest development and wildfire activity at a study site in the Republic of Sakha (Yakutia) since the Last Glacial Maximum (c. 20,000 years BP) highlight the variable impacts of fire regimes on forest structure throughout time. Modeled annual fire probability and subsequent burned area in the Holocene compare well with a local reconstruction of charcoal influx in lake sediments. Wildfires can be followed by different forest regeneration pathways, depending on fire frequency and intensity and the pre-fire forest conditions. We find that medium-intensity wildfires at fire return intervals of 50 years or more benefit the dominance of fire-resisting Dahurian larch (Larix gmelinii (Rupr.) Rupr.), while stand-replacing fires tend to enable the establishment of evergreen conifers. Apart from post-fire mortality, wildfires modulate forest development mainly through competition effects and a reduction of the model's litter layer. Conclusion: With its fine-scale population dynamics, LAVESI-FIRE can serve as a highly localized, spatially explicit tool to understand the long-term impacts of boreal wildfires on forest structure and to better constrain interpretations of paleoecological reconstructions of fire activity. Supplementary Information: The online version contains supplementary material available at 10.1186/s42408-023-00238-8.

Antecedentes: Los incendios de vegetación son reconocidos como un componente importante de los bosques boreales dominados por alerces en el este de Siberia. Sin embargo, la dinámica a largo plazo entre fuegos y vegetación en este ambiente único es pobremente entendido. Estudios paleo-ecológicos recientes sugieren que la intensificación de regímenes de fuego puede inducir cambios, a escala de milenos, en la estructura y composición de estos bosques. Estos pueden, a su vez, resultar en una retroalimentación positiva en la intensificación de los incendios y en la degradación del permafrost, aparte de amenazar la vida humana. Los modelos de fuego-vegetación más comunes, no incluyen específicamente detalles basados en la dinámica poblacional de árboles individuales, aunque el enfocarnos en los patrones de la estructura forestal que emerge de interacciones entre árboles individuales puede proveer de una perspectiva beneficiosa sobre los impactos de los cambios en los regímenes del fuego en el este de Siberia. Para simular estos impactos en la estructura forestal a escalas de milenios, aplicamos el modelo espacialmente explícito, individualmente basado, LAVESI-FIRE, expandido en un nuevo módulo de fuego. Observaciones de fuego basadas en imágenes satelitales junto con datos de campo fueron usados para informar la implementación de la ocurrencia de fuegos de vegetación y ajustar los parámetros del modelo. Resultados: Las simulaciones del desarrollo anual de los bosques y de la actividad de los incendios en un sitio de estudio de la República de Sakha (Yakutia) desde el Último Máximo Glacial (c. 20.000 años atrás), resaltan los impactos variables de los regímenes de fuegos en la estructura forestal a través del tiempo. La probabilidad modelada de forma anual en la ocurrencia de incendios y subsecuentemente del área quemada durante el Holoceno se compara muy bien con la reconstrucción del flujo de carbón en los sedimentos lacustres. Los incendios de vegetación pueden verse mediante diferentes patrones de regeneración del bosque, dependiendo de la frecuencia e intensidad de los fuegos y de las condiciones del bosque en el pre-fuego. Encontramos que fuegos de mediana intensidad a intervalos de retorno de unos 50 años o más, benefician la persistencia del alerce dahurian (Larix gmelinii (Rupr.) Rupr.), especie resistente al fuego, mientras que los fuegos de reemplazo tienden a permitir el establecimiento de coníferas siempreverdes. Aparte de la mortalidad post-fuego, los fuegos de vegetación modulan el desarrollo del bosque, fundamentalmente a través de efectos de competencia y una reducción de la capa de mantillo predicho por el modelo. Conclusiones: Con sus características de detectar la dinámica de la población a una escala fina, el modelo LAVESI-FIRE puede servir como una herramienta altamente localizada y espacialmente explícita, para entender los impactos a largo plazo de los bosques boreales sobre la estructura forestal y para mejorar los condicionamientos de las interpretaciones de las reconstrucciones paleo ecológicas en la reconstrucción de la actividad de los incendios.

Evolutionary adaptation of trees and modelled future larch forest extent in Siberia.

With changing climate, the boreal forest could potentially migrate north and become threatened by droughts in the south. However, whether larches, the dominant tree species in eastern Siberia, can adapt to novel situations is largely unknown but is crucial for predicting future population dynamics. Exploring variable traits and trait adaptation through inheritance in an individual-based model can improve our understanding and help future projections. We updated the individual-based spatially explicit vegetation model LAVESI (Larix Vegetation Simulator), used for forest predictions in Eastern Siberia, with trait value variation and incorporated inheritance of parental values to their offspring. Forcing the model with both past and future climate projections, we simulated two areas - the expanding northern treeline and a southerly area experiencing drought. While the specific trait of 'seed weight' regulates migration, the abstract 'drought resistance' protects stands. We show that trait variation with inheritance leads to an increase in migration rate (∼ 3% area increase until 2100). The drought resistance simulations show that, under increasing stress, including adaptive traits leads to larger surviving populations (17% of threatened under RCP 4.5 (Representative Concentration Pathway)). We show that with the increase expected under the RCP 8.5 scenario vast areas (80% of the extrapolated area) of larch forest are threatened and could disappear due to drought as adaptation plays only a minor role under strong warming. We conclude that variable traits facilitate the availability of variants under environmental changes. Inheritance allows populations to adapt to environments and promote successful traits, which leads to populations that can spread faster and be more resilient, provided the changes are not too drastic in both time and magnitude. We show that trait variation and inheritance contribute to more accurate models that can improve our understanding of responses of boreal forests to global change.