Plant functional diversity and seed rain along land-use and elevational gradients in southern Ecuador

  • Seed dispersal is a key ecosystem function for plant regeneration, as it involves the movement of seeds away from the parental plants to particular habitats where they can germinate and transition to seedlings and ultimately adult plants. Seed dispersal is shaped by a diversity of abiotic and biotic factors, particularly by associations between plants and climate and between plants and other species. Due to the ongoing loss of biodiversity and changing global conditions, such interactions are prone to change and pose a severe threat to plant regeneration. One way to address this challenge is to study associations between plant traits and abiotic and biotic factors to understand the potential impacts of global change on plant regeneration. Plant communities have long been analyzed through the lens of vegetative traits, mainly ignoring how other traits interact and respond to the environment. For instance, while associations between vegetative traits (e.g., specific leaf area, leaf nitrogen content) and climate are well studied, there are few case studies of reproductive traits in relation to trait-environment associations in the context of global change. Thus, the overarching aim of this dissertation is to explore how trait-environment associations, with a special focus on reproductive traits, can improve our understanding of the effect that global change may have on seed dispersal, and ultimately on plant regeneration. To this end, my research focuses on studying associations between plant traits and abiotic and biotic factors along an elevational gradient in both forests and deforested areas of tropical mountains. This dissertation addresses three principal research objectives. First, I investigate the extent to which reproductive (seed and fruit traits) and vegetative traits (leaf traits) are related to abiotic and biotic factors for communities of fleshy-fruited plants in the Ecuadorian Andes. I used multivariate analyses to test associations between four (a)biotic factors and seven reproductive traits and five vegetative traits measured on 18 and 33 fleshy fruited plant species respectively. My analyses demonstrate that climate and soil conditions are strongly associated with the distribution of both reproductive and vegetative traits in tropical tree communities. The production of “costly” vs. “cheap” seeds, fruits and leaves, i.e., the production of few rewarding fruits and acquisitive leaves versus the production of many less-rewarding fruits and conservative leaves, is primarily limited by temperature, whereas the size of plant organs is more related to variation in precipitation and soil conditions. My findings suggest that associations between reproductive and vegetative traits and the abiotic environment follow similar principles in tropical tree communities. Second, I assess how climate and microhabitat conditions affect the prevalence of endozoochorous plant species in the seed rain of tropical montane forests in southern Ecuador. I analyzed seed rain data for an entire year from 162 traps located across an elevational gradient spanning of 2000 m. I documented the microhabitat conditions (leaf area index and soil moisture next to each seed trap) at small spatial scale as well as the climatic conditions (mean annual temperature and rainfall in each plot) at large spatial scale. After a one-year of sampling, I counted 331,838 seeds of 323 species/morphospecies. My analyses demonstrate that the prevalence of endozoochorous plant species in the seed rain increases with temperature across elevations and with leaf area index within elevations. These results show that the prevalence of endozoochory is shaped by the interplay of both abiotic and biotic factors at large and small spatial scales. Third, I examine the potential of seed rain to restore deforested tropical areas along an elevational gradient in southern Ecuador. For this chapter, I collected seed rain using 324 seed traps installed in 18 1-ha plots in forests (nine forest plots) and in pastures (nine deforested plots) along an elevational gradient of 2000 m. After a sampling period of three months, I collected a total of 123,039 seeds of 255 species/morphospecies from both forests and pastures along the elevational gradient. I did not find a consistent decrease in the amount and richness of seed rain between forests and pastures, but I detected a systematic change in the type of dispersed seeds, as heavier seeds and a higher proportion of endozoochorous species were found in forests compared to pastures at all elevations. This finding suggests that deforestation acts as a strong filter selecting seed traits that are vital for plant regeneration. Understanding the role that trait-environment associations play in how plant communities regenerate today could serve as a basis for predicting changes in regeneration processes of plant communities under changing global conditions in the near future. Here, I show how informative the measurement of reproductive traits and trait environment associations are in facilitating the conservation of forest habitats and the restoration of deforested areas in the context of global change.
  • Die Samenausbreitung ist eine essentielle Ökosystemfunktion für die Pflanzenregeneration. Sie wird von einer Vielzahl abiotischer und biotischer Faktoren beeinflusst. Aufgrund des voranschreitenden globalen Wandels sind die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und diesen Umweltfaktoren häufig gestört, wodurch die Pflanzenregeneration eingeschränkt ist. Das übergeordnete Ziel meiner Dissertation ist es daher, die Zusammenhänge zwischen Pflanzenmerkmalen und abiotischen und biotischen Faktoren zu untersuchen, um die potenziellen Auswirkungen des globalen Wandels auf die Samenausbreitung und letztlich auf die Pflanzenregeneration besser zu verstehen. Da Pflanzengemeinschaften lange Zeit vor allem mit einem Fokus auf vegetative Merkmale analysiert wurden, hat meine Dissertation einen besonderen Schwerpunkt auf die reproduktiven Merkmale innerhalb der Pflanzengemeinschaften, welche ich entlang eines Höhengradienten in den ecuadorianischen Anden untersucht habe. Zunächst untersuchte ich, inwieweit reproduktive (Samen- und Fruchtmerkmale) und vegetative Merkmale (Blattmerkmale) in Baumgemeinschaften mit abiotischen und biotischen Faktoren zusammenhängen. Ich habe hierfür reproduktive und vegetative Merkmale von verschiedenen Pflanzenarten gemessen und die Beziehungen zwischen diesen Merkmalen und den Umweltbedingungen mit multivariaten Analysen untersucht. Meine Analysen zeigen, dass die Klima- und Bodenbedingungen stark mit der Verteilung sowohl der reproduktiven als auch der vegetativen Merkmale in tropischen Baumgemeinschaften assoziiert sind. Die Produktion von "teuren" bzw. "günstigen" Samen, Früchten und Blättern, wie z.B. wenige, stickstoffreiche Früchte (hohe Belohnung) versus viele, kohlenstoffreiche Früchte (geringe Belohnung), wird in erster Linie durch die Temperatur begrenzt. Die Größe der Pflanzenorgane hängt hingegen eher mit Veränderungen der Niederschlags- und Bodenbedingungen zusammen. Interessanterweise zeigen meine Analysen, dass Klima und Bodenbedingungen in ähnlicher Weise mit der Verteilung von reproduktiven und vegetativen Merkmalen in tropischen Baumgemeinschaften assoziiert sind. Des Weiteren untersuchte ich, wie Klima- und Mikrohabitatsbedingungen die Häufigkeiten dozoochorer Pflanzenarten in den Bergwäldern im Süden Ecuadors beeinflussen. Ich analysierte hierfür Daten über den Sameneintrag, welche ich über ein Jahr in 162 Samenfallen auf 1000, 2000 und 3000 m ü. NN erfasst habe. Für jede dieser Samenfallen erfasste ich zudem die Mikrohabitatsbedingungen (Blattflächenindex, Bodenfeuchtigkeit) in der unmittelbaren Umgebung, sowie die klimatischen Bedingungen für jede Untersuchungsfläche. Insgesamt erfasste ich 331.838 Samen von insgesamt 323 Arten bzw. Morphospezies. Meine Analysen zeigen, dass die Häufigkeit endozoochorer Pflanzenarten im Sameneintrag mit der Temperatur zunimmt sowie innerhalb der jeweiligen Höhenlage positiv mit dem Blattflächenindex korreliert ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Häufigkeit der Endozoochorie in tropischen Pflanzengemeinschaften durch das Zusammenspielvon abiotischen und biotischen Faktoren auf großen und kleinen räumlichen Maßstäbenbestimmt wird. Drittens untersuchte ich das Potenzial des Sameneintrags die natürliche Regeneration entwaldeter tropischer Gebiete im Süden Ecuadors zu fördern. Für diese Studie sammelte ich Daten über den Sameneintrag in 324 Samenfallen, welche in Wäldern und entlang desselben Höhengradienten installiert wurden. Nach einer dreimonatigen Probenahme sammelte ich insgesamt 123.039 Samen, welche 255 Arten bzw. Morphospezies repräsentieren. Ich konnte keine konsistente Abnahme der Menge und des Artenreichtums des Sameneintrags zwischen Wäldern und Weiden feststellen. Allerdings fand ich eine systematische Veränderung im Typ der ausgebreiteten Samen. Große Samen mit einer hohen Samenmasse sowie endozoochore Arten waren zahlreich in den Wäldern und nahmen im Vergleich dazu in den Weiden signifikant ab. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass der Sameneintrag auf den Weiden vor allem aus alternativen Samenquellen und nicht aus den nächstgelegenen Waldhabitaten stammt. Um die komplexen Auswirkungen des globalen Wandels auf die Regeneration von Pflanzen zu verstehen, sind Studien zu verschiedenen Pflanzenmerkmalen erforderlich. Der beispiellose Verlust an biologischer Vielfalt in den Tropen verlangt von der Ökologie, die Lücke zwischen der Grundlagenforschung und der angewandten Forschung zu schließen. Meine Dissertation zeigt, dass die Erforschung der funktionellen Eigenschaften von Pflanzengemeinschaften unterschiedliche Merkmale berücksichtigen sollte, welche verschiedene ökologische Nischen von Pflanzenarten repräsentieren. Daher liefert meine Dissertation wertvolle neue Informationen über die Funktionsweise und das Regenerationspotenzial hoch diverser, tropischer Bergwaldökosysteme. Meine Dissertation zeigt, wie aufschlussreich die Messung von reproduktiven Merkmalen und dieAnalyse der Beziehung dieser Merkmale mit Umweltbedingungen sein können und wie derartige Analysen zum Erhalt und zur Wiederherstellung entwaldeter Gebiete in den Tropen beitragen können.

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Metadaten
Author:Diana Carolina Acosta-RojasORCiDGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-795283
DOI:https://doi.org/10.21248/gups.79528
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Matthias SchleuningORCiDGND, Imke SchmittORCiDGND
Advisor:Matthias Schleuning
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2023/11/14
Date of first Publication:2023/11/10
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2023/11/06
Release Date:2023/11/14
Tag:Climate Change; Functional Ecology; Plant regeneration; Tropical montane forest
Page Number:175
Note:
Kumulative Dissertation - 
enthält die eingereichte Manuskriptversion (Author submitted Manuscript) des folgenden Artikels: 
Acosta-Rojas, Diana Carolina; Barczyk, Maciej; Espinosa, Carlos Ivan; Farwig, Nina; Homeier, Jürgen; Tiede, Yvonne; Tinoco, Boris A.; Velescu, Andre; Wilcke, Wolfgang; Neuschulz, Eike Lena; Schleuning, Matthias: Abiotic factors similarly shape the distribution of fruit, seed and leaf traits in tropical fleshy-fruited tree communities (2023). Acta Oecologica, Volume 121 2023, 103953, ISSN 1146-609X.  DOI 10.1016/j.actao.2023.103953

die Verlagsversion (Versions of Record) des folgenden Artikels:
Acosta-Rojas, Diana-C.; Barczyk, Maciej; Espinosa, Carlos I.; Tinoco, Boris A.; Neuschulz, Eike L.;  Schleuning, Matthias (2023): Climate and microhabitat shape the prevalence of endozoochory in the seed rain of tropical montane forests. Biotropica 2023; 55, Seite 408–417, ISSN 0006-3606. DOI 10.1111/ddi.12946

Die eingereichte Manuskriptversion (Author submitted Manuscript) des folgenden Artikels:
Acosta-Rojas, Diana-Carolina.; Barczyk, Maciej; Espinosa, Carlos Ivan; Tinoco, Boris A.; Neuschulz, Eike Lena;  Schleuning, Matthias (2023): Systematic reduction in seed rain of large-seeded and endozoochorous species in pastures compared to forests of tropical mountains
HeBIS-PPN:51318418X
Institutes:Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 58 Pflanzen (Botanik) / 580 Pflanzen (Botanik)
Sammlungen:Universitätspublikationen
Sammlung Biologie / Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht