Identification of functional groups in páramo plants and evaluation of their susceptibility to global climate change

Abstract

Above treeline in the mountains from the Northern Andes, there is an ecosystem of restricted distribution locally called as páramo. Páramos are tropical ecosystems of high altitude where there are special conditions that make them and their flora unique, such as greatly dynamic cloud conditions, excessive amounts of UV radiation, rapid changes of incident sunlight and pronounced temperature fluctuations during each day, among others. They are critical as a source of water in the region, are important carbon sinks, are home to a vast endemic flora, and possess some of the fastest rates of diversification in the world. Although the ecosystemic services of páramos depend to their high spatial abiotic and biotic heterogeneity that generates complex mosaics of plants associations; unfortunately, little work has been done on the susceptibility of páramo plants to climate change. Human-induced climate change is affecting all the Earth's biomes, including páramos, where models predict that temperatures will increase, while the volume and frequency of precipitation will decrease to the end of this century. All research indicates that warmer and drier environments will drive vegetation upward, as plants did in the past, during interglacial periods, rather than adapting to the new conditions. Plants can respond to climate change by adaptation, migration, or local extinction; adaptation implies that plants can acclimate its physiology to the new conditions, migration requires reproductive traits that favored dispersal and colonization of new areas, and it is well established, that species with limited ranges of distribution, such as those restricted to the páramo, have a higher risk of extinction. However, adaptation and migration capacities are not enough studied facing global warming in plants of the humid Colombian páramo. In the first chapter, new findings in plant functional classification are presented that allow us to conclude that although the harsh conditions of páramos promote a huge variety of morphological adaptations, it is also the cause of a smaller number of functional responses, and since functional responses are closely linked to growth forms, in páramos it could be useful to use growth forms as a proxy of plant functional types (PFT) in all cases and with caution in the case of shrubs. In the second chapter, thermal acclimation of photosynthesis and respiration was evaluated and, in addition to the limited functional response, it was found that páramo plants have a limited capacity for thermal acclimation, but although páramo plants cannot adjust their physiology to warming, high temperatures do not have an adverse effect on plant performance. Finally, in the third chapter, the effect of warmer temperatures on germination traits was evaluated and it was found that seeds of few páramos plants will be affected by higher temperatures, so it appears that there is a wide range of temperature functioning for germination processes. All results together seem indicate that although páramo plants are more capable of migrating than adapting, they would survive because other mechanisms as decoupling leaf temperature from ambient temperature may operate ensuring their survival.

En las montañas del norte de los Andes, por encima del límite arbóreo, existe un ecosistema de distribución restringida denominado localmente como páramo. Los páramos son ecosistemas tropicales de gran altitud en los que existen condiciones especiales que los hacen únicos a ellos y a su flora, como son las condiciones de nubosidad muy dinámicas, la excesiva cantidad de radiación UV, los rápidos cambios de la luz solar incidente y las pronunciadas fluctuaciones de temperatura durante cada día, entre otras. Los páramos juegan un papel importante como fuente de agua en la región, son significativos sumideros de carbono en los suelos, albergan una vasta flora endémica y poseen una de las tasas de diversificación más rápidas del mundo. Aunque los servicios ecosistémicos de los páramos dependen de su elevada heterogeneidad espacial abiótica y biótica, que genera complejos mosaicos de asociaciones de plantas, lamentablemente se ha trabajado poco sobre la susceptibilidad de las plantas de los páramos al cambio climático. El cambio climático inducido por el hombre está afectando a todos los biomas de la Tierra, incluidos los páramos, donde los modelos predicen que las temperaturas aumentarán, mientras que los patrones de precipitaciones son inciertos para finales de este siglo. Todas las investigaciones indican que los ambientes más cálidos y probablemente más secos impulsarán la vegetación hacia límites superiores, como lo hicieron las plantas en el pasado, durante los períodos interglaciares, antes que adaptarse a las nuevas condiciones ambientales. Las plantas tienen tres opciones para responder al cambio climático: la adaptación, la migración o la extinción local; la adaptación implica que las plantas puedan aclimatar su fisiología a las nuevas condiciones ambientales, la migración requiere rasgos reproductivos que favorezcan la dispersión y colonización de nuevas áreas, y está bien establecido, que las especies con rangos de distribución limitados, como las restringidas al páramo, tienen un mayor riesgo de extinción. Sin embargo, las capacidades de adaptación y migración no están suficientemente estudiadas frente al calentamiento global en las plantas del páramo húmedo colombiano. En la sección de introducción se definen los ecosistemas de páramo y su singularidad climática y biológica, así como las principales amenazas actuales para el ecosistema, especialmente el efecto del cambio climático. En el primer capítulo se presentan nuevos hallazgos en la clasificación funcional de las plantas que permiten concluir que aunque las duras condiciones de los páramos promueven una enorme variedad de adaptaciones morfológicas, también es la causa de un número menor de respuestas funcionales, y dado que las respuestas funcionales están estrechamente ligadas a las formas de crecimiento, en los páramos podría ser útil utilizar las formas de crecimiento como proxy de los tipos funcionales de las plantas (TFP) en todos los casos y con precaución en el caso de los arbustos. En el segundo capítulo, se evaluó la aclimatación térmica de la fotosíntesis y la respiración y, además de la respuesta funcional limitada, se encontró que las plantas de páramo tienen una capacidad limitada de aclimatación térmica, pero, aunque las plantas de páramo no puedan ajustar su fisiología al calentamiento, las altas temperaturas no tendrán un efecto adverso en el funcionamiento de las plantas. Finalmente, en el tercer capítulo, se evaluó el efecto de las temperaturas más cálidas sobre los rasgos de germinación y se encontró que las semillas de pocas plantas de páramo se verán afectadas por temperaturas más altas, por lo que parece que existe un amplio rango de funcionamiento de la temperatura para los procesos de germinación. Todos los resultados en conjunto parecen indicar que, aunque las plantas de páramo son más capaces de migrar que de adaptarse, sobrevivirían porque otros mecanismos como el desacoplamiento de la temperatura foliar de la temperatura ambiental pueden operar asegurando su supervivencia.