Functional diversity mediates contrasting direct and indirect effects of fragmentation on below- and above-ground carbon stocks of coastal dune forests

Publicado en : Forest Ecology and Management Volume 407, 1 January 2018, Pages 174-183. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2017.10.059

Changes in structure and functioning of tree communities in response to forest fragmentation may alter tropical forest’s capacity to store carbon and regulate climate. However, evidence for indirect effects of forest fragmentation on above – and belowground carbon pools through changes in forest biodiversity is scarce. Here we focus on understanding the relative importance of taxonomic and functional diversity and tree cover to explain above- and below-ground carbon stocks in coastal dune forest fragments. We surveyed tree species composition and structure in six coastal forest patches varying in size from 215 to 13350 ha, in Kwa-Zulu Natal, South Africa. For each fragment, we estimated carbon stocks of two pools, aboveground biomass (AGC) and soil organic carbon (SOC). We used structural equation models to test if and to what extent the effects of forest fragmentation on AGC and SOC were mediated by tree cover and taxonomic and functional diversity. Our results showed that forest fragmentation directly reduced AGC, but increased SOC. In contrast, forest fragmentation indirectly, through decreasing functional diversity, increased AGC, but decreased SOC. Small patches therefore had few tree species that were functional similar and had high AGC, but low SOC, which led to a negative relationship between species richness and AGC. Tree cover was not affected by fragmentation, and had a direct positive effect on AGC but not on SOC. Our results suggest that forest fragmentation simultaneously affect multiple processes which directly and indirectly affects carbon stocks of different pools. Fragmentation may trigger a process of biotic homogenization, in which a few species are positively related with carbon storage above-, but not below-ground.

Los cambios en la estructura y funcionamiento de las comunidades de árboles en respuesta a la fragmentación forestal pueden alterar la capacidad de los bosques tropicales para almacenar carbono y regular el clima. Sin embargo, la evidencia de los efectos indirectos de la fragmentación forestal en los reservorios de carbono sobre y bajo el suelo a través de cambios en la biodiversidad forestal es escasa. Aquí nos centramos en comprender la importancia relativa de la diversidad taxonómica y funcional y la cobertura arbórea para explicar las reservas de carbono sobre y bajo el suelo en fragmentos de bosques de dunas costeras. Encuestamos la composición y estructura de especies de árboles en seis parches de bosques costeros que varían en tamaño de 215 a 13,350 ha, en Kwa-Zulu Natal, Sudáfrica. Para cada fragmento, estimamos las reservas de carbono de dos reservorios, biomasa aérea (AGC) y carbono orgánico del suelo (SOC). Utilizamos modelos de ecuaciones estructurales para probar si y en qué medida los efectos de la fragmentación forestal en AGC y SOC fueron mediados por la cobertura arbórea y la diversidad taxonómica y funcional. Nuestros resultados mostraron que la fragmentación forestal redujo directamente el AGC, pero aumentó el SOC. En contraste, la fragmentación forestal indirectamente, a través de la disminución de la diversidad funcional, aumentó el AGC, pero disminuyó el SOC. Los parches pequeños, por lo tanto, tenían pocas especies de árboles que eran funcionalmente similares y tenían un AGC alto, pero un SOC bajo, lo que llevó a una relación negativa entre la riqueza de especies y el AGC. La cobertura arbórea no se vio afectada por la fragmentación y tuvo un efecto positivo directo en el AGC, pero no en el SOC. Nuestros resultados sugieren que la fragmentación forestal afecta simultáneamente múltiples procesos que afectan directa e indirectamente las reservas de carbono de diferentes reservorios. La fragmentación puede desencadenar un proceso de homogeneización biótica, en el cual unas pocas especies están positivamente relacionadas con el almacenamiento de carbono sobre el suelo, pero no bajo el suelo.

V. Rolo and P.I. Olivier are supported by post-doctoral grants from the National Research Foundation (NRF) of South Africa. This work was also partly funded by an Ecologists in Africa grant by the British Ecological Society to P.I. Olivier. R.J. van Aarde is supported by Richards Bay Minerals, NRF and the Technology and Human Resources for Industry Programme (THRIP). M. Pfeifer was supported by European Research Council Project number 281986.