Neighborhood structure influences the convergence in light capture efficiency and carbon gain: An architectural approach for cloud forest shrubs

Abstract

Although plant competition is recognized as a fundamental factor that limits survival and species coexistence, its relative importance on light capture efficiency and carbon gain is not well understood. Here, we propose a new framework to explain the effects of neighborhood structures and light availability on plant attributes and their effect on plant performance in two understory shade-tolerant species (Palicourea padifolia (Roem. & Schult.) C.M. Taylor & Lorence and Psychotria elata (Swartz)) within two successional stages of a cloud forest in Costa Rica. Features of plant neighborhood physical structure and light availability, estimated by hemispherical photographs, were used to characterize the plant competition. Plant architecture, leaf attributes and gas exchange parameters extracted from the light-response curve were used as functional plant attributes, while an index of light capture efficiency (silhouette to total area ratio, averaged over all viewing angles, STAR) and carbon gain were used as indicators of plant performance. This framework is based in a partial least square Path model, which suggests that changes in plant performance in both species were affected in two ways: (i) increasing size and decreasing distance of neighbors cause changes in plant architecture (higher crown density and greater leaf dispersion), which contribute to lower STAR and subsequently lower carbon gain; and (ii) reductions in light availability caused by the neighbors also decrease plant carbon gain. The effect of neighbors on STAR and carbon gain were similar for the two forests sites, which were at different stages of succession, suggesting that the architectural changes of the two understory species reflect functional convergence in response to plant competition. Because STAR and carbon gain are variables that depend on multiple plant attributes and environmental characteristics, we suggest that changes in these features can be used as a whole-plant response approach to detect environmental filtering in highly diverse tropical forest communities. © The Author 2016. Published by Oxford University Press.

Aunque la competencia de las plantas se reconoce como un factor fundamental que limita la supervivencia y la coexistencia de las especies, su importancia relativa en la eficiencia de captura de luz y la ganancia de carbono no se entiende bien. Aquí, proponemos un nuevo marco para explicar los efectos de las estructuras del vecindario y la disponibilidad de luz en los atributos de la planta y su efecto en el rendimiento de la planta en dos especies tolerantes a la sombra del sotobosque (Palicourea padifolia (Roem. & Schult.) CM Taylor & Lorence y Psychotria elata (Swartz)) dentro de dos etapas sucesivas de un bosque nuboso en Costa Rica. Las características de la estructura física del vecindario de la planta y la disponibilidad de luz, estimadas por fotografías hemisféricas, se utilizaron para caracterizar la competencia de la planta. La arquitectura de la planta, los atributos de la hoja y los parámetros de intercambio de gases extraídos de la curva de respuesta a la luz se usaron como atributos funcionales de la planta, mientras que se utilizó un índice de eficiencia de captura de luz (relación de silueta a área total, promediado en todos los ángulos de visión, STAR) y ganancia de carbono. como indicadores del rendimiento de la planta. Este marco se basa en un modelo de ruta parcial de mínimos cuadrados, que sugiere que los cambios en el rendimiento de la planta en ambas especies se vieron afectados de dos maneras: (i) el aumento del tamaño y la disminución de la distancia de los vecinos provocan cambios en la arquitectura de la planta (mayor densidad de la copa y mayor hoja dispersión), que contribuyen a reducir la ESTRELLA y, posteriormente, a reducir la ganancia de carbono; y (ii) las reducciones en la disponibilidad de luz causadas por los vecinos también disminuyen la ganancia de carbono de la planta. El efecto de los vecinos sobre STAR y la ganancia de carbono fue similar para los dos sitios de bosques, que se encontraban en diferentes etapas de sucesión, lo que sugiere que los cambios arquitectónicos de las dos especies del sotobosque reflejan la convergencia funcional en respuesta a la competencia de las plantas. Debido a que STAR y la ganancia de carbono son variables que dependen de múltiples atributos de la planta y características ambientales, sugerimos que los cambios en estas características se pueden usar como un enfoque de respuesta de toda la planta para detectar el filtrado ambiental en comunidades de bosques tropicales muy diversas.