Multifaceted Diversity in Forest Ecosystems Worldwide

by Maria Laura Tolmos Coquelet
Doctoral thesis
Date of Examination:2024-10-30
Date of issue:2025-02-25
Advisor:Prof. Dr. Holger Kreft
Referee:Dr. Dylan Craven
Referee:Prof. Dr. Kerstin Wiegand
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10976

 

 

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Abstract

English

Earth’s biodiversity faces numerous threats that endanger the delicate balance of ecosystems, highlighting the urgent need for integrated conservation strategies to preserve biodiversity. Forests in particular are critical ecosystems for maintaining global biodiversity, regulating climate through carbon sequestration, supporting hydrological cycles, and providing essential ecosystem services and resources for millions of species. In the last decades, forests have mainly been threatened by deforestation and forest fragmentation followed by the associated loss of biodiversity, with climate change exacerbating these threats. Yet, our understanding of biodiversity patterns across global forest ecosystems, the ecological and evolutionary processes driving them, and how threats might influence these patterns is still limited. This understanding is key to provide more efficient forest management practices and conservation efforts to protect ecosystems’ well-being while meeting human needs. In this dissertation, I estimate multiple diversity facets, i.e., taxonomic, phylogenetic and/or functional, of trees and anurans in highly threatened forest ecosystems (mountains, islands, and rainforests) around the world. In chapter one, I test whether changes in taxonomic and phylogenetic tree diversity with elevation in the Tropical Andes hotspot are consistent with one of, or multiple, competing hypotheses: the water–energy dynamics (WED), species–energy relationship (SER), Tropical Niche Conservatism and Out of The Tropics hypothesis. I find diversity decreases with elevation at the local scale, while at the landscape scale diversity increases nonlinearly for both taxonomic and phylogenetic diversity. Evidence supports the influence of SER and WED on diversity patterns across elevations, yet neither evolutionary hypotheses had sufficient empirical support to be conclusive. In chapter two, I use a global dataset to assess how tree communities change with elevation in mountain ecosystems worldwide from an evolutionary perspective. This study reveals that mountains located in temperate latitudes have evolutionarily older tree assemblages than mountains located at tropical latitudes. Yet, in tropical mountains tree assemblages become older towards higher elevations. By testing the effects of environmental, biogeographical (i.e, floristic realms), and anthropogenic factors, results unveil biogeographical factors as the main driver of tree phylogenetic diversity and structure in mountain ecosystems. This provides evidence that the formation and distribution of continental assemblages play a stronger role in the assembly of mountain tree floras worldwide than climatic factors. In chapter three, I investigate the role of the biogeographic context, i.e., environmental conditions, proportion of non-native species, and number of individuals, in shaping multifaceted diversity and productivity relationships in climatically similar forests on the Canary Islands and mainland Spain. To this end, I assess the extent to which above-ground productivity is determined by ecological and evolutionary processes associated with the biogeographic context. Results show that mainland and island forests exhibit similar levels of productivity, but island forests display overall lower taxonomic, phylogenetic, and functional diversity. I find that multifaceted diversity contributes to elucidating diversity-productivity relationships in mainland and island forests that could not be detected by taxonomic diversity alone by capturing the diversity of evolutionary history. Further, non-native species fundamentally alter ecosystem functioning on islands by filling empty niches and therefore, reveal how biogeographic context can shape biodiversity-productivity relationships. In chapter four, I examine the impact of environmental and anthropogenic factors on anuran taxonomic and phylogenetic diversity in the tropical rainforests of Southeastern Peru. I estimate taxonomic and phylogenetic diversity metrics and assess how environmental and anthropogenic factors drive diversity across forest types (terra firme or floodplain forests). Results reveal that floodplain forests display higher taxonomic and phylogenetic anuran diversity than terra firme forests, but terra firme forests depict a stronger, positive effect of tree cover. This is likely due to forest loss and fragmentation impacting more vegetation-associated and direct-developing anurans. Forest degradation negatively influences anuran phylogenetic diversity suggesting anthropogenic disturbances have a higher impact on species with phylogenetically conserved traits. My dissertation advances our understanding of multifaceted diversity patterns in different taxa in endangered forest ecosystems worldwide, and how environmental, anthropogenic, and biogeographical factors drive these patterns. Further, it clearly shows the importance of a multifaceted approach in multi-taxa diversity assessments in different forests, with many ecological and evolutionary mechanisms acting through phylogenetic diversity instead of the classic taxonomic diversity approach. Yet, despite the progress made in this dissertation, there are still many open questions to be tackled in future multifaceted diversity research. This work shows the relevance of a multifaceted approach to understand diversity patterns and provides a way forward for future studies.
Keywords: forests; multifaceted diversity; phylogenetic diversity; mountains; Andes; Amazon; Canary Islands

German

Die Biodiversität der Erde steht vor zahlreichen Bedrohungen, die das empfindliche Gleichgewicht der Ökosysteme gefährden. Es besteht daher dringender Bedarf an umfassenden Naturschutzmaßnahmen zur Erhaltung der Artenvielfalt. Insbesondere Wälder spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der globalen Biodiversität, indem sie zur Klimaregulation durch Kohlenstoffbindung, zur Unterstützung hydrologischer Kreisläufe sowie zur Bereitstellung wesentlicher Ökosystemdienstleistungen und Ressourcen für Millionen von Arten beitragen. Abholzung, Fragmentierung und der damit einhergehende Verlust an biologischer Vielfalt, verschärft durch den Klimawandel, stellten in den letzten Jahrzehnten die Hauptbedrohungen für Wälder dar. Dennoch bleibt unser Verständnis der Biodiversitätsmuster globaler Waldökosysteme sowie der zu Grunde liegenden ökologischen und evolutionären Prozesse und der möglichen Auswirkungen von Bedrohungen auf diese Muster begrenzt. Das Verständnis dieser Prozesse ist entscheidend, um effektivere Waldbewirtschaftungsstrategien und Naturschutzmaßnahmen zu entwickeln, die sowohl den Erhalt des ökologischen Gleichgewichts als auch die Bedürfnisse der menschlichen Gesellschaft gewährleisten. In dieser Dissertation untersuche ich Diversität von Bäumen und Froschlurchen (Ordnung Anura) auf verschiedenen Ebenen – taxonomisch, phylogenetisch und/oder funktional –in stark bedrohten Waldökosystemen (Gebirgen, Inseln und Regenwäldern) weltweit. Im ersten Kapitel analysiere ich, ob Veränderungen der taxonomischen und phylogenetischen Baumdiversität entlang von Höhengradienten im Biodiversitätshotspot der Tropischen Anden mit einer oder mehreren konkurrierenden Hypothesen übereinstimmen: der Wasser-Energie-Dynamik (WED), der Arten-Energie-Beziehung (AEB), dem Tropischen Nischen-Konservatismus und der Out-of-the-Tropics-Hypothese. Ich stelle fest, dass die Diversität entlang von Höhengradienten auf lokaler Ebene abnimmt, während sie auf Landschaftsebene sowohl für die taxonomische als auch für die phylogenetische Diversität nicht-linear zunimmt. Die Ergebnisse unterstützen den Einfluss von AEB und WED auf die Diversitätsmuster entlang der Höhenstufen, während die evolutionären Hypothesen nicht empirisch belegt werden können. Im zweiten Kapitel untersuche ich die Veränderungen in Baumgemeinschaften entlang von Höhengradienten in Gebirgsökosystemen weltweit aus einer evolutionären Perspektive mithilfe eines globalen Datensatzes. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass Gebirge in gemäßigten Breiten evolutionär ältere Baumgesellschaften aufweisen als Gebirge in tropischen Breiten. Jedoch werden Baumgesellschaften in höheren Lagen in tropischen Gebirgen älter. Unter Einbeziehung der Auswirkungen von Umwelt, biogeografischen und anthropogenen Faktoren zeigen die Ergebnisse, dass biogeografische Faktoren der primäre Treiber der phylogenetischen Baumdiversität und -struktur in Gebirgsökosystemen sind. Dieser Befund verdeutlicht, dass die Entstehung und Verteilung kontinentaler Gesellschaften eine größere Rolle bei der Zusammensetzung der Gebirgsbaumfloren weltweit spielt als klimatische Faktoren. Im dritten Kapitel untersuche ich die Rolle von Umweltbedingungen, dem Anteil nicht-heimischer Arten und der Anzahl der nicht-heimischen Individuen in Diversitäts-Produktivitäts-Beziehungen in klimatisch ähnlichen Wäldern der Kanarischen Inseln und des spanischen Festlands. Dabei bewerte ich, inwieweit die oberirdische Produktivität durch ökologische und evolutionäre Prozesse im Zusammenhang mit dem biogeografischen Kontext beeinflusst wird. Die Ergebnisse zeigen, dass Festlands- und Inselwälder ähnliche Produktivitätsniveaus aufweisen, jedoch eine insgesamt geringere taxonomische, phylogenetische und funktionale Diversität in den Inselwäldern vorhanden ist. Zudem zeige ich, dass multidimensionale Diversität, d.h. Berücksichtigung von phylogenetischer und funktionaler Diversität, zum Verständnis von Diversitäts-Produktivitäts-Beziehungen in Festlands- und Inselwäldern beiträgt. Multidimensionale Diversität geht dabei über rein taxonomische Diversität hinaus, da sie die Vielfalt der evolutionären Geschichte berücksichtigt. Nicht-heimische Arten verändern die Funktionsweise von Ökosystemen auf Inseln grundlegend, indem sie ungenutzte Nischen besetzen. Dies verdeutlicht, wie der biogeografische Kontext die Diversitäts-Produktivitäts-Beziehungen gestalten kann. Im vierten Kapitel analysiere ich den Einfluss von Umwelt und anthropogenen Faktoren auf die taxonomische und phylogenetische Diversität von Froschlurchen in den tropischen Regenwäldern Südostperus. Dabei untersuche ich taxonomische und phylogenetische Diversitäts-Kennzahlen, um zu erfassen, wie Umwelt und anthropogene Faktoren die Diversität in verschiedenen Waldtypen (Terra Firme-Wälder und Auenwälder) beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass Auenwälder eine höhere taxonomische und phylogenetische Diversität von Froschlurchen aufweisen als Terra Firme-Wälder, wobei der Bewaldungsgrad in Terra Firme-Wäldern einen stärkeren positiven Einfluss darstellt. Dies lässt sich vermutlich auf den Verlust und die Fragmentierung von Wäldern zurückzuführen, welche sich stärker auf vegetationsassoziierte und direkt entwickelnde Froschlurche auswirken. Walddegradation beeinflusst die phylogenetische Diversität von Froschlurchen negativ, was darauf hindeutet, dass anthropogene Störungen einen größeren Einfluss auf Artengruppen haben, in denen sich Merkmale von Arten wenig von denen naher Verwandten unterscheiden. Meine Dissertation erweitert unser Verständnis multidimensionaler Diversitätsmuster verschiedener Taxa in bedrohten Waldökosystemen weltweit und beleuchtet, wie Umwelt, anthropogene und biogeografische Faktoren diese Muster beeinflussen. Zudem unterstreicht sie die Bedeutung eines multidimensionalen Ansatzes bei der Untersuchung multi-taxonomischer Diversität in unterschiedlichen Waldökosystemen, indem sie zeigt, dass viele ökologische und evolutionäre Mechanismen über phylogenetische statt über taxonomische Diversität wirken. Trotz der in dieser Dissertation erzielten Fortschritte bleiben zahlreiche Fragen offen, die in zukünftigen Studien zur multidimensionalen Diversität erforscht werden müssen. Diese Dissertation verdeutlicht die Relevanz eines multidimensionalen Ansatzes, um Diversitätsmuster zu verstehen, und zeigt einen Weg für zukünftige Studien auf.
 
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