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Maciej Krzysztof Barczyk

• Tropical forests have always fascinated scientists due to their unique biodiversity. However, our understanding of ecological processes shaping the complexity of tropical rainforests is still relatively poor. Plant regeneration is one of the processes that remain understudied in the tropics although this is a key process defining the structure, diversity and assembly of tropical plant communities. In my dissertation, I combine experimental, observational and trait-based approaches to identify processes shaping the assembly of seedling communities and compare associations between environmental conditions and plant traits across plant life stages. By working along a steep environmental gradient in the tropical mountains of Southern Ecuador, I was able to investigate how processes of plant regeneration vary in response to biotic and abiotic factors in tropical montane forests. My dissertation comprises three complementary chapters, each addressing an individual research question. First, I studied how trait composition in plant communities varies in relation to the broad- and local-scale environmental conditions and across the plant life cycle. I measured key traits reflecting different ecological strategies of plants that correspond to three stages of the plant life cycle (i.e., adult trees, seed rain and recruiting seedlings). I worked on 81 subplots along an elevational gradient covering a large climatic gradient at three different elevations (1000, 2000 and 3000 m a.s.l.). In addition, I measured soil and light conditions at the local spatial scale within each subplot. My findings show that the trait composition of leaves, seeds and seedlings changed similarly across the elevational gradient, but that the different life stages responded differently to the local gradients in soil nutrients and light availability. Consequently, my findings highlight that trait-environment associations in plant communities differ between large and small spatial scales and across plant life stages. Second, I investigated how seed size affects seedling recruitment in natural forests and in pastures in relation to abiotic and biotic factors. I set up a seed sowing experiment in both habitat types and sowed over 8,000 seeds belonging to seven tree species differing in seed size. I found that large-seeded species had higher proportions of recruitment in the forests compared to small-seeded species. However, small-seeded species tended to recruit better in pastures compared to large-seeded species. I showed that high surface temperature was the main driver of differences in seedling recruitment between habitats, because it limited seedling recruitment of large-seeded species. The results from this experiment show that pasture restoration requires seed addition of large-seeded species and active protection of recruiting seedlings in order to mitigate harmful conditions associated with high temperatures in deforested areas. Third, I examined the associations between seedling beta-diversity and different abiotic and biotic factors between and within elevations. I applied beta-diversity partitioning to obtain two components of beta-diversity: species turnover and species richness differences. I associated these components of beta-diversity with biotic pressures by herbivores and fungal pathogens and environmental heterogeneity in light and soil conditions. I found that species turnover in seedling communities was positively associated with the dissimilarity in biotic pressures within elevations and with environmental heterogeneity between elevations. Further, I found that species richness differences increased primarily with increasing environmental heterogeneity within elevations. My findings show that the associations between beta-diversity of seedling communities and abiotic and biotic factors are scale-dependent, most likely due to differences in species sorting in response to biotic pressures and species coexistence in response to environmental heterogeneity. My dissertation reveals that studying processes of community assembly at different plant life stages and spatial scales can yield new insights into patterns and processes of plant regeneration in tropical forests. I investigated how community assembly processes are governed by abiotic and biotic filtering across and within elevations. I also experimentally explored how the process of seedling recruitment depends on seed size-dependent interactions, and verified how these effects are associated with abiotic and biotic filtering. Identifying such processes is crucial to inform predictive models of environmental change on plant regeneration and successful forest restoration. Further exploration of plant functional traits and their associations with local-scale environmental conditions could effectively support local conservation efforts needed to enhance forest cover in the future and halt the accelerating loss of biodiversity.
• Tropische Regenwälder haben Wissenschaftler aufgrund ihrer einzigartigen Artenvielfalt schon immer fasziniert. Allerdings ist unser Verständnis der oftmals komplexen ökologischen Prozesse in diesen Wäldern, wie zum Beispiel der Verjüngung von Pflanzenpopulationen und Gemeinschaften, immer noch relativ gering. Die Pflanzenverjüngung ist ein der Schlüsselprozess, der die Struktur, Vielfalt und Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften bestimmt. Die Pflanzenverjüngung umfasst die Abfolge von einem keimenden Samen zu einem etablierten Keimling, bis hin zu einer reproduzierenden Pflanze. Die Etablierung und das Überleben von Pflanzen wird hierbei von sogenannten Filtern, also den gegebenen Umweltbedingungen, beeinflusst. Abiotische Filter sind z.B. Temperatur oder Niederschlag, während biotische Filter sich auf die Interaktionen zwischen der Pflanzen mit anderen Organismen bezieht (z.B. Herbivorie, Befall von Pathogenen Pilzen) beziehen. Diese Filter sind entscheidend für die Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften und wirken auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen. Bisherige Studien haben die frühen Stadien im Lebenszyklus von Pflanzen, wie die Etablierung von Keimlingen, oft nur wenig untersucht. Dabei sind es insbesondere diese frühen Stadien, die die Zusammensetzung einer Pflanzengemeinschaft über Raum und Zeit hinweg verändern können. Ein umfassendes Verständnis der Pflanzenverjüngung ist daher erforderlich, um die derzeitigen Diversitätsmuster zu verstehen und künftige Veränderungen in Ökosystemen besser vorhersagen zu können. Merkmalsbasierte Forschung ist besonders nützlich, um die Auswirkungen abiotischer und biotischer Faktoren auf die Pflanzenverjüngung und die Zusammensetzung von Artengemeinschaften zu entflechten. Funktionelle Merkmale sind die Merkmale eines Individuums, die sich auf Wachstum, Fortpflanzung und Überleben auswirken und somit indirekt die Fitness eines Individuums beeinflussen. Zum Beispiel kann die Samengröße einer Pflanze, deren Verjüngung beeinflussen. Kleinsamige Pflanzen produzieren oft eine große Anzahl von Samen und haben daher eine hohe Chance, dass zumindest einige der Samen für die Verjüngung geeignete Stellen erreichen. Allerdings ist die Etablierungswahrscheinlichkeit kleiner Samen relativ gering. Im Gegensatz dazu produzieren großsamige Pflanzen oftmals weniger Samen, jedoch ist hier die Etablierungswahrscheinlichkeit deutlich höher. Methodisch können Messungen von Merkmalen durch die Messung der funktionalen Vielfalt erweitert werden. Diese beschreibt, wie die Merkmale innerhalb einer Gemeinschaft verteilt sind. So gibt die funktionelle Zusammensetzung einer Pflanzengemeinschaft Aufschluss über das Vorhandensein und die Dominanz bestimmter Pflanzeneigenschaften und spiegelt somit die vorherrschenden ökologischen Strategien in einer Pflanzengemeinschaft wider. Abiotische und biotische Faktoren können die funktionelle Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften sowohl auf großräumiger als auch auf lokaler räumlicher Ebene beeinflussen. So können beispielsweise klimatische Bedingungen entlang von Höhengradienten die Artenzusammensetzung bestimmen, während gleichzeitig kleinräumige Prozesse, wie z.B. das Mikroklima, für die lokale Artenzusammensetzung von Bedeutung sind. Das Konzept der Beta-Diversität ist eine wertvolle Methode, um solche skalenabhängigen Prozesse in der Artenzusammensetzung zu entschlüsseln, da es quantitativ beschreibt, wie sich Gemeinschaften untereinander und über Umweltgradienten hinweg unterscheiden.