ABSTRACT
Forest conversion is one of the greatest global threats to biodiversity, and land-use change and subsequent biodiversity declines sometimes occur over a variety of underlying geologies. However, how forest conversion and underlying geology interact to alter biodiversity is underappreciated, although spatial variability in geology is considered an integral part of sustaining ecosystems. We aimed to examine the effects of forest conversion to farmland, the underlying geology, and their interaction on the stream fishes' diversity, evenness, and abundance in northeastern Japan. We disentangled complex pathways between abiotic and biotic factors with structural equation modeling. Species diversity of stream fishes was indirectly shaped by the interaction of land use and underlying geology. Diversity declined due to nutrient enrichment associated with farmlands, which was mainly the result of changes in evenness rather than by changes in species richness. This impact was strongest in streams with volcanic geology with coarse substrates probably because of the differential responses of abundant stream fishes to nutrient enrichment (i.e., dominance) and the high dependency of these fishes on large streambed materials during their life cycles. Our findings suggest that remediation of deforested or degraded forest landscapes would be more efficient if the interaction between land use and underlying geology was considered. For example, the negative impacts of farmland on evenness were larger in streams with volcanic geology than in other stream types, suggesting that riparian forest restoration along such streams would efficiently provide restoration benefits to stream fishes. Our results also suggest that land clearing around such streams should be avoided to conserve species evenness of stream fishes.
Impactos Geológicamente Dependientes de la Conversión de Bosques sobre la Diversidad de Peces de Arroyo Resumen La conversión de los bosques es una de las mayores amenazas para la biodiversidad mundial y el cambio en el uso de suelo y las declinaciones subsecuentes de la biodiversidad a veces ocurren a lo largo de una variedad de geologías subyacentes. Sin embargo, la manera en que interactúan la conversión del bosque y la geología subyacente está subestimada a pesar de que la variabilidad espacial en la geología es considerada una parte integral del mantenimiento de un ecosistema. Fijamos como objetivo examinar los efectos de la conversión del bosque a tierras de cultivo, la geología subyacente y sus interacciones sobre la diversidad, uniformidad y abundancia de peces de arroyo en el noreste de Japón. Para esto, desentrañamos las vías complejas entre los factores bióticos y abióticos con modelados de ecuación estructural. La diversidad de especies de los peces de arroyo estuvo formada indirectamente por la interacción del uso de suelo y la geología subyacente. La diversidad declinó debido al enriquecimiento de nutrientes asociado con las tierras de cultivo, lo cual fue principalmente resultado de los cambios en la uniformidad de especies en lugar de cambios en la riqueza de especies. Este impacto fue más fuerte en los arroyos con geología volcánica y sustratos ásperos, probablemente debido a las respuestas diferenciales de los peces abundantes en el arroyo al enriquecimiento de nutrientes (es decir, dominancia) y la alta dependencia de estos peces por los grandes materiales del lecho durante su ciclo de vida. Nuestros hallazgos sugieren que la reparación de los paisajes de bosque deforestados o degradados sería más eficiente si se considera la interacción entre el uso de suelo y la geología subyacente. Por ejemplo, los impactos negativos de las tierras de cultivo sobre la uniformidad fueron mayores en los arroyos con geología volcánica que en otros tipos de arroyo, lo que sugiere que la restauración de los bosques ribereños a lo largo de dichos arroyos proporcionaría eficientemente los beneficios de restauración a los peces del arroyo. Nuestros resultados sugieren que el desmonte de tierras alrededor de dichos arroyos debería evitarse para conservar la uniformidad de especies de los peces de arroyo.
Subject(s)
Ecosystem , Rivers , Animals , Biodiversity , Conservation of Natural Resources , Fishes , Forests , GeologyABSTRACT
Enrichment planting in naturally recovering secondary forests or in tree plantations is increasingly being used as strategy to restore later-successional, large-seeded tropical forest trees. We seeded two tree species (Otoba novogranatensis and Ruagea glabra) in three agricultural sites in Southern Costa Rica: abandoned pastures, eight to ten year old secondary forests and three year old tree plantations (containing two N-fixing of four total tree species). We measured micrometeorological conditions, soil water content, plant water potential, leaf area, foliar C and N, and photosynthesis to better understand mechanistic responses of seedlings to conditions in the different successional habitats. Micrometeorological conditions, soil water content, and plant water potential were generally similar across habitats. Certain aspects of leaves (such as Specific Leaf Area and foliar N content), and photosynthesis (e.g. quantum yield and electron transport rate) were highest in the plantations, intermediate in the secondary forests, and lowest in abandoned pastures. Enhanced rates of photosynthetic biochemistry (such as Vcmax and Jmax) and Photosystem II efficiency (e.g. thermal energy dissipation) occurred in leaves from the plantations compared to the abandoned pastures, which may be related to higher leaf %N content. Results suggest that foliar N may be of greater importance than soil water content and micrometeorological factors in driving differences in photosynthetic processes across planting habitats. Planting seeds of these two species in plantations containing three year old trees (including two N-fixing species) enhances certain aspects of their photosynthesis and growth, compared to seedlings in abandoned pastures with non-native grasses, and thus can help increase forest recovery on abandoned agricultural lands.
El enriquecimiento de bosques secundarios o plantaciones forestales en proceso de regeneración natural por medio de la siembra de plántulas es una práctica cada vez más utilizada para restaurar bosques tropicales en estado de sucesión tardía. Sembramos dos especies de árboles (Otoba novogranatensis y Ruagea glabra) en pastizales abandonados, bosques secundarios de ocho a diez años de edad y plantaciones forestales de tres años de edad (con dos especies fijadoras de Nitrógeno de un total de cuatro especies) en tres sitios agrícolas en el Sur de Costa Rica. Medimos condiciones micrometeorológicas, contenido de agua del suelo, potencial hídrico de las plantas, área foliar, C y N foliar, y fotosíntesis para entender de una mejor manera las respuestas funcionales de las plántulas ante condiciones de distintos estadíos sucesionales. Las condiciones micrometeorológicas, contenido hídrico del suelo y el potencial hídrico de las plantas fueron mayoritariamente similares entre hábitats. Algunos aspectos de las hojas (como Área Foliar Específica y contenido de N foliar) y fotosíntesis (ej.: rendimiento cuántico y tasa de transporte de electrones) presentaron valores mayores en las plantaciones, intermedios en los bosques secundarios y menores en los pastizales abandonados. Se obtuvo un aumento en las tasas fotosintéticas bioquímicas (como Vcmax, Jmax) y la eficiencia del Fotosistema II (ej.: disipación de energía térmica) en hojas provenientes de las plantaciones comparado a las de los pastizales, posiblemente relacionado a un mayor %N foliar. Los resultados sugieren que el N foliar puede ser más importante que el contenido de agua del suelo y que los factores micrometeorológicos para marcar diferencias en los procesos fotosintéticos entre hábitats. Las plántulas de estas dos especies en las plantaciones con árboles de tres años de edad (incluyendo dos fijadoras de N) incrementaron ciertos aspectos de su fotosíntesis y crecimiento comparado a las plántulas en los pastizales abandonados de especies exóticas, por lo tanto, esta práctica puede ayudar a incrementar la recuperación de los bosques en áreas agrícolas abandonadas.
