Land-use Change Dynamics, Soil Type and Species Forming Mono-dominant Patches: the Case of Pteridium aquilinum in a Neotropical Rain Forest Region

Deforestation and agricultural land degradation in tropical regions can create conditions for growth of perennial plant species forming mono-dominated patches (MDP). Such species might limit forest regeneration, and their proliferation forces the abandonment of fields and subsequent deforestation to establish new fields. Therefore, identifying factors fostering MDP species is critical for biodiversity conservation in human-modified landscapes. Here, we propose a conceptual framework to identify such factors and apply it to the case of Pteridium aquilinum (bracken fern), a light-demanding species, tolerant of low soil fertility and fire. We hypothesize that bracken proliferation is promoted by land-use changes that increase light availability, especially in sites with low soil fertility and land uses involving fire. We assessed this idea using agricultural fields in southeastern Mexico with different land-use change histories and quantifying prevalence and cover of bracken. Five different land-use change histories resulted from transitions among forest, crop, pasture, and fallow field stages. Of the 133 fields sampled, 71 percent had P.aquilinum; regression tree analysis indicated that 65 percent of inter-field variation in prevalence and 90 percent in cover was explained by land-use change history and soil type. Maximum prevalence, cover, and rates of increase in bracken were found on fields with low fertility sandy/clay soils, which had been used for crops and pasture, were frequently burned, and had high levels of light. Fields on fertile alluvial soil never used for pasture were bracken-free. Agriculture promoting high light environments on less fertile soils is a major cause of bracken proliferation and likely that of other MDP species. Abstracto En regiones tropicales, la deforestacion y la degradacion de campos agricolas puede crear las condiciones para el crecimiento de plantas perennes formadoras de parches mono-dominados. Tales especies pueden limitar la regeneracion del bosque y su proliferacion conlleva el abandono de los campos agricolas y genera subsecuente deforestacion debido al establecimiento de nuevos campos agricolas. Por lo tanto, identificar los factores que promueven especies formadoras de parches mono-dominados es critico para la conservacion de la biodiversidad en paisajes dominados por el humano. En este articulo se propone un marco conceptual para identificar tales factores y lo aplicamos al caso del helecho Pteridium aquilinum (petatilla), una especie demandante de luz, tolerante a la baja fertilidad del suelo y al fuego. Hipotetizamos que la proliferacion de P.aquilinum es promovida por cambios en el uso del suelo que incrementan la disponibilidad de luz, especialmente en sitios con baja fertilidad del suelo y que incluyen el uso de fuego. Evaluamos esta idea mediante el uso de campos agricolas con diferentes historias de cambio de uso del suelo y cuantificamos la prevalencia y la cobertura de P.aquilinum en el sureste de Mexico. Cinco diferente historias de cambio de uso de suelo resultaron de la transicion entre bosque, agricultura, pastizales y sitios abandonados. De los 133 campos muestreados, 71% presentaron P.aquilinum. Un analisis de arbol de regresion indico que para la prevalencia y la cobertura, el 65% y 90% de la variacion entre campos, respectivamente fue explicada por la historia de cambios de uso de suelo y el tipo de suelo. La maxima prevalencia, la cobertura y las tasas de incremento de P.aquilinum se encontraron en campos con baja fertilidad tales como suelos arenosos y arcillosos, que se utilizaron para agricultura y pastizales y que fueron frecuentemente quemados y con alta disponibilidad de luz. Campos en suelos aluviales que representan suelo fertiles y que nunca se utilizaron como pastizales estuvieron libres de P.aquilinum. Las historias de uso de suelo que promueven ambientes de alta disponibilidad de luz en suelo fertiles son una causa mayor de la proliferacion de P.aquilinum y probablemente de otras plantas perennes que forman parches dominados por una sola especie.