Vulnerability of Tropical Andean Forest tree species to water limitation and its effect at ecosystem scale

Abstract

ABSTRACT : The Tropical Andean Montane Forest (TAMF) is a crucial ecosystem for the socio-ecological systems and regional climate of Tropical South America. This biome is projected to face significant threats from climate change, which is expected to increase the incidence of drought stress. These stress conditions will limit tree growth and potentially lead to mortality. To evaluate the functional responses of TAMF species to drought, we designed two experiments involving seedlings and saplings of five representative tree species. The experiments included a control group (consistently irrigated), a protracted drought group, and two groups subjected to 50% and 80% of the initial plant-available water that were also exposed to three successive drought cycles. Throughout the experiments, we measured mortality rates, stem volume changes, and functional traits. Our findings reveal that TAMF species exhibit varying degrees of vulnerability to drought due to their diverse functional response strategies. A gradient of vulnerability was observed among the species, ranging from less vulnerable to more vulnerable: Quercus humboldtii, Clusia sp., Croton magdalenensis, Erythrina edulis, and Meriania nobilis. While short-term droughts lasting a few weeks can trigger mortality in TAMF species, even droughts of lower intensity and frequency significantly limit growth without necessarily causing death. Successive drought cycles, even intercalated with irrigation, resulted in growth deficits and increased mortality, highlighting the sensitivity of certain TAMF species. We also found that TAMF species have different water-use strategies, positioned along a two-dimensional continuum ranging from drought avoidance with fast growth to drought tolerance with slow growth. Furthermore, saplings exhibited higher and faster mortality rates than seedlings in most species, except for M. nobilis, where seedlings died more quickly and at earlier stages than saplings. Our results suggest potential ecosystem-level impacts under further climate change scenarios, such as changes in demography, species composition, forest structure, and ecosystem processes.

RESUMEN : El Bosque Andino Tropical (BAT, por sus siglas) es un ecosistema crucial para los sistemas socioecológicos y el clima regional de la región tropical de Suramérica. Se proyecta que este bioma enfrente amenazas significativas debido al cambio climático, el cual se espera que aumente la incidencia del estrés por sequía. Estas condiciones de estrés limitarán el crecimiento de los árboles y podrían llevar, potencialmente, a su mortalidad. Para evaluar las respuestas funcionales de las especies del BAT frente a la sequía, diseñamos dos experimentos que incluyeron plántulas y juveniles de cinco especies representativas de árboles. Los experimentos incluyeron un grupo de control (irrigado constantemente), un grupo sometido a sequías prolongadas y dos grupos expuestos al 50% y 80% del agua disponible inicial, los cuales también enfrentaron tres ciclos sucesivos de sequía. A lo largo de los experimentos, medimos las tasas de mortalidad, los cambios en el volumen del tallo y los rasgos funcionales. Nuestros hallazgos revelan que las especies del BAT muestran distintos grados de vulnerabilidad a la sequía debido a sus diversas estrategias de respuesta funcional. Se observó un gradiente de vulnerabilidad entre las especies, desde las menos vulnerables hasta las más vulnerables: Quercus humboldtii, Clusia sp., Croton magdalenensis, Erythrina edulis y Meriania nobilis. Aunque las sequías a corto plazo, que duran algunas semanas, pueden desencadenar la mortalidad en especies del BAT, incluso las sequías de menor intensidad y frecuencia limitan significativamente el crecimiento, aunque no necesariamente causen la muerte. Los ciclos sucesivos de sequía, incluso cuando se alternaron con irrigación, generaron déficits en el crecimiento y aumentaron la mortalidad, lo que subraya la sensibilidad de ciertas especies del BAT. También encontramos que las especies del BAT emplean diferentes estrategias de uso de agua, ubicándose en un continuo bidimensional que abarca desde la evitación de la sequía con crecimiento rápido hasta la tolerancia a la sequía con crecimiento lento. Además, los juveniles presentaron tasas de mortalidad más altas y rápidas que las plántulas en la mayoría de las especies, excepto en M. nobilis, donde las plántulas murieron más rápido y en etapas más tempranas que los juveniles. Nuestros resultados sugieren impactos potenciales a nivel ecosistémico bajo escenarios futuros de cambio climático, tales como cambios en la demografía, composición de especies, estructura del bosque y procesos ecosistémicos.