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Effects of biodiversity and abiotic environment on the growth rates of native tree species in subtropical plantations

Auswirkungen der Biodiversität und abiotischer Umweltfaktoren auf die Wachstumsrate einheimischer Baumarten in subtropischen Plantagen

  • Biodiversity loss could jeopardize ecosystem functioning. Yet, the evidences that support this demonstration have been mostly obtained in aquatic and grassland ecosystems. Howbiodiversity affects ecosystem functioning still remain largely unanswered in forests, particularly in subtropical broad-leaved evergreen forests (EBLF). Tree productivity, among a wealth of forest ecosystem functioning, is of particular interest because it reflects the carbon sink capacity and wood productivity. Biodiversity-productivity relationships have been usually investigated at community level. However, tree-tree interactions occur at small scale. Thus, local neighborhood approach may allow a better understanding of tree-tree interactions and their contributions to the effects of biodiversity on tree productivity / growth rates. This thesis aims to analyze the effects of biodiversity and the abiotic environmental factors on the tree growth rates using both local neighborhood and community-based approaches. Furthermore, tree growth rates vary among different tree species. Functional traits have been related to the species-specific growth rates to understand the effects of species identity. Therefore, I also evaluated the crown- and leaf traits to predict the interspecific difference in growth rates. For a better understanding of the mechanisms that underline the relationships of biodiversity and tree growth rates, data of high solution and along time series is required to scrutinize the tree-tree interactions. Thereupon, I evaluated the applicability of terrestrial laser scanning (TLS) in assessing the tree dendrometrics. This thesis was conducted in the Biodiversity Ecosystem Functioning (BEF)–China experiment, which is located in a mountainous subtropical region in southeast China. A total of 40 native broad-leaved tree species were planted. In the first study, I used the local neighborhood approach to analyze how local abiotic conditions (i.e. topographic and edaphic conditions) and local neighborhood (i.e. species diversity and competition by neighborhood) affect the annual growth rates of 6723 individual trees. The second study used the community approach to partition the effects of environmental factors (i.e. topographic and edaphic), functional diversity according to Rao’s quadratic entropy (FDQ) and community weight mean (CWM) of 41 functional traits on community tree growth rates. The main question of the third study was how the species-specific growth rates are related to five crown- and 12 leaf traits. In the fourth study, I investigated 438 tree individuals for the congruence between the conventional direct field measurements and TLS measurements. It was found that tree growth rates were strongly influenced by the local topographic and edaphic conditions but not affected by the diversity of local neighborhood. In contrast, results obtained by using the community-based approach showed that FDQ and CWMs of various leaf traits rather than abiotic environmental factors had significant impact on the community means of growth rates. Tree-tree interactions already occur in early life stages of trees, which were evidenced by the significant effect of competition by local neighborhood. These findings imply that the effects of abiotic environmental factors may be more evident at local scale and biodiversity effects may vary at different spatial scales. The species-specific growth rates were found to be related to specific leaf traits but not to crown traits and were best explained by both types of traits in combination. This finding supports the niche theory and provides the evidence for using functional diversity to examine the BEF relationships. The TLS-retrieved total tree height, stem diameter at 5 cm above ground, and length and height of the longest branch were highly congruent with those obtained from direct measurements. It indicates that TLS is a promising tool for high resolution, non-destructive analyses of tree structures in young tree plantations. Being one of very few studies to incorporate the individual tree scale in examining the biodiversity-productivity relationships within the BEF researches, this thesis stresses the importance of using individual-tree based approach, functional diversity and TLS to find the evidences of explanatory mechanisms of the observed biodiversity and ecosystem functioning (e.g. tree growth rates) relationships. Biodiversity effects may evolve along the successional stages. Therefore, incorporating the interaction between biodiversity and time in analyzing BEF relationship is also encouraged.
  • Der Verlust der biologischen Vielfalt kann Ökosystemfunktionen nachhaltig stören. Bisher haben sich die Beweise, die diese Aussage untermauern, vor allem auf Gewässer- und Graslandökosysteme bezogen. Wie sich die biologische Vielfalt auf die Ökosystemfunktionen von Wäldern auswirkt, ist besonders für immergrüne Laubwälder weitgehend unbeantwortet. Die Baumproduktivität, eine von vielen Waldökosystemfunktionen, ist von besonderem Interesse, weil sie die Kohlenstoffspeicherkapazität und Holzproduktivität widerspiegelt. Die Beziehung zwischen Biodiversität und Baumproduktivität werden in der Regel auf Gemeinschafts- oder Plotebene untersucht. Jedoch treten Baum-Baum Interaktion in kleineren Maßstäben, unterhalb der Plotebene, auf. Dementsprechend können Untersuchungen der lokalen Nachbarschaften ein Ansatz zu einem besseren Verständnis von Interaktionen zwischen Bäumen und den Auswirkungen der Biodiversität auf die Baumproduktivität sein. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Auswirkungen der biologischen Vielfalt und der abiotischen Umweltfaktoren auf die Baumwachstumsraten sowohl mit lokalen Nachbarschaften als auch mit gemeinschaftsgetragenen Ansätzen zu analysieren. Außerdem variieren zwischen den verschiedenen Baumarten die Baumwachstumsraten. Funktionale Merkmale wurden mitartspezifischen Wachstumsraten verbunden, um die Effekte der Identität der Arten zu verstehen. Hierbei wurden Kronen- und Blattmerkmale einbezogen, um die interspezifischen Unterschiede in den Wachstumsraten vorhersagen zu können. Für ein besseres Verständnis der Mechanismen, die die Beziehung zwischen der biologische Vielfalt und der Baumwachstumsraten unterstreichen, sind Daten von hoher Auflösung und einer langen Zeitspanne erforderlich, um die Baum-Baum Interkationen zu untersuchen. Zusätzlich wurdedie Anwendbarkeit von terrestrischem Laserscanning (TLS) bei der Messung der Baumdendrometrie evaluiert. Diese Arbeit wurde im Rahmen des DFG Projekts „Biodiversity Ecosystem Functioning (BEF)–China“ (DFG FOR 891) durchgeführt. Das Untersuchungsgebiet befindet sich in einem gebirgigen Gebiet im subtropischen Südosten von China. Insgesamt wurden hierzu 40 einheimische Laubbaumarten gepflanzt. In der ersten Studie verwendete ich den lokalen Nachbarschaftsansatz zur Analyse der Einflüsse der lokalen abiotischen Umweltfaktoren (d.h. Topographie und Böden) und lokalen Nachbarschaft (d.h. Artenvielfalt, Konkurrenz durch Nachbarbäume) auf die jährlichen Wachstumsraten von 6723 Baumindividuen. In der zweiten Studie verwendete ich einen gemeinschaftsbezogenen Ansatz. Die Effekte der 4 topographischen und edaphischen Umweltfaktoren, die funktionale Diversität nach Rao’s quadratic entropy (FDQ) und den gewichteten Gemeinschaftsmittel (CWM) von 41 funktionalen Merkmalen auf die Mittel des gemeinschaftlichen Baumwachstums wurden untersucht. Die Hauptfragestellung der dritten Studie war, wie das Baumwachstum im Zusammenhang mit fünf Kronen- und 12 Blattmerkmalen steht. In der vierten Studie untersuchte ich 438 Baumindividuen auf die Übereinstimmung zwischen der konventionellen (direkten) Feldvermessung und der TLS Vermessung. Es konnte gezeigt werden, dass das Baumwachstum stark von den lokalen topographischen und edaphischen Zuständen beeinflusst ist, aber nicht von der Artenvielfalt der lokalen Nachbarschaft. Gegensätzlich dazu waren die Ergebnisse der zweiten Studie. Der gemeinschaftsgetragene Ansatz zeigt, dass FDQ und CWMs von verschiedenen Blattmerkmalen eine Auswirkung auf die Mittel des gemeinschaftlichen Baumwachstums haben, wohin gegen abiotische Umweltfaktoren einen geringen Erklärungswert haben. Der signifikante Effekt von der Konkurrenz der Nachbarschaft auf das Wachstum der Baumindividuen weist darauf hin, dass bereits während der frühen Altersstufen Interaktionen zwischen Bäumen vorhanden sind. Diese Befunde implizieren, dass die Effekte der abiotischen Umweltfaktoren eher in kleinen Maßstäben wirken und die Effekte der Biodiversität in den verschiedenen räumlichen Maßstäben variieren. Das artspezifische Baumwachstum steht im Zusammenhang mit Blattmerkmalen aber nicht mitKronenmerkmalen und wurde am Besten durch die Kombination der beiden Merkmalstypen erklärt. Das Ergebnis unterstützt die Nischentheorie und weist darauf hin, dass die Benutzung der funktionale Diversität zur Untersuchung der BEF Beziehungen angemessen ist. Die mittels TLS erfassten Baumhöhen, Baumstammdurchmesser sowie Länge und Höhe der längsten Ästen sind kongruent mit den Werten aus der konventionellen Feldmessung. Eskonnte gezeigt werden, dass TLS ein vielversprechendes Instrument zu einer hochauflösenden und zerstörungsfreien Analyse der Baumstrukturen in jungen Baumbeständen ist. Die Arbeit ist eine von wenigen BEF-Studien, die die Beziehung zwischen Biodiversität und Produktivität auf der Ebene von Baumindividuen untersucht. Die Arbeit unterstreicht die Bedeutung der Nutzung von individuen-basierten Ansätzen, funktionaler Diversität und TLS, um die Nachweise der Mechanismen der beobachteten BEF Beziehungen sichtbar zu machen. Biodiversitätseffekte könnten sich aber erst mit zunehmendem Alter stärker ausprägen. Daher wird der Ansatz der Interaktion zwischen Biodiversität und Zeit in der Untersuchung von BEF Beziehungen empfohlen.

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Metadaten
Author:Ying Li
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus-144280
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/792
Advisor:Goddert von Oheimb (Prof. Dr.)
Referee:Werner Härdtle (Prof. Dr.)ORCiDGND, Alexandra Erfmeier (Prof. Dr.)ORCiDGND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Date of Publication (online):2017/01/23
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Universitätsbibliothek der Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Date of final exam:2016/04/26
Release Date:2017/01/23
Tag:Artenvielfalt; BEF-China; funktionale Diversität; lokale Nachbarschaft; terrestrisches Laserscanning
BEF-China; functional diversity; local neighborhood; species diversity; terrestrial laser scanning
GND Keyword:China; Artenreichtum; Biodiversität; Nachbarschaft
Institutes:Fakultät Nachhaltigkeit / Institut für Ökologie (IE)
Dewey Decimal Classification:3 Sozialwissenschaften / 33 Wirtschaft / 333.7 Natürliche Ressourcen, Energie und Umwelt
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht