Additive effects of nurse and facilitated plants on ecosystem functions

• Published in: The Journal of ecology Vol. 107; no. 6; pp. 2587 - 2597
• Main Authors: Navarro‐Cano, Jose Antonio, Horner, Bethanie, Goberna, Marta, Verdú, Miguel, Kardol, Paul
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Oxford Blackwell Publishing Ltd 01.11.2019
• Subjects: Abiotic factors; Additives; Aridity; Bioaccumulation; Biodiversity; Biomass; Canopies; Canopy; Ecosystems; Fertility; Heavy metals; leaf litter; Litter; Mathematical analysis; Medical personnel; Microbiota; Microorganisms; mine tailing; Mine tailings; Mineral nutrients; Nurses; Nutrient cycles; nutrient cycling; Nutrients; Open spaces; organic matter decomposition; phylogenetic diversity; Plant communities; Plant populations; plant traits; Productivity; Reduction; root biomass; Soil; Soil fertility; soil microbes; Soil stresses; Soils; Species; Stress
• ISSN: 0022-0477; 1365-2745
• DOI: 10.1111/1365-2745.13224

Nurse plants drive the assembly of facilitated communities and commonly promote plant–soil feedbacks, and are thus recognized as key engineers in abiotically stressful ecosystems. The literature neglects; however, the role of the communities which benefit from the presence of the nurse as contributors to soil ecosystem functions. We hypothesized that the nurse and its beneficiaries synergistically enhance essential ecosystem functions mediated by soil microbiota. To track how plant–plant facilitation impacts plant–soil feedbacks, we selected three nurse species in semi‐arid mine tailings and defined three microsites (open space, nurse canopy and nurse + facilitated canopy). In each microsite, we quantified 18 abiotic and biotic variables associated with four functions: reduction in climatic stress, reduction in edaphic stress, soil fertility and soil microbial productivity (decomposition and nutrient cycling). Litter biomass increased from open spaces to the microsite beneath the nurses, and further beneath the nurses and their beneficiaries. Litter biomass was a good predictor of both the reduction in climatic stress and increase in edaphic stress (likely owing to metal bioaccumulation). We attributed increments in soil organics and heterotrophic respiration beneath the nurses and their beneficiaries, compared to nurses alone, to biomass effects through increased litter deposition. Variation in fertility and microbial productivity among microsites shaped by the nurses and their facilitated communities was attributed to both diversity and biomass effects. In particular, fertility was promoted beneath phenotypically diverse facilitated communities, as inferred from ten above‐ and below‐ground traits. However, microbial productivity increased at low levels of root biomass likely due to reduced plant–microbe competition for nutrients. Synthesis. Our results show that facilitated plant communities sheltered by nurse species relieve local abiotic stress and promote plant–microbe interactions, both through biomass and biodiversity effects. These observations shift the conception of facilitated species from simple beneficiaries of the nurse's effects to co‐drivers of essential ecosystem functions. Resumen Las plantas nodriza actúan como especies clave ensamblando la comunidad vegetal y promoviendo las interacciones planta‐suelo en ecosistemas de alto estrés gobernados por facilitación. Sin embargo, habitualmente se ignora el papel adicional que la comunidad de especies facilitadas puede ejercer sobre las funciones ecosistémicas del suelo. En este trabajo hipotetizamos que la comunidad de plantas facilitadas contribuye sinérgicamente con la nodriza a la mejora de funciones ecosistémicas mediadas por la microbiota edáfica. Para evaluar cómo la facilitación entre plantas promueve las interacciones planta‐suelo seleccionamos tres nodrizas en depósitos mineros con vegetación parcheada en ambientes semiáridos y definimos tres micrositios (claro, copa bajo nodriza y copa bajo nodriza con comunidad de facilitadas). Posteriormente, cuantificamos en dichos micrositios 18 variables abióticas y bióticas relacionadas con cuatro funciones principales: reducción del estrés climático, reducción del estrés edáfico, fertilidad edáfica y productividad microbiana (descomposición y ciclado de nutrientes). La biomasa de hojarasca aumentó en el sentido claro < nodriza <nodriza con facilitadas, y fue un buen predictor de la reducción del estrés climático, aunque incrementó la concentración edáfica de algunos metales pesados. Observamos un incremento de la fertilidad y de la respiración heterotrófica en el micrositio nodriza con facilitadas con respecto a la nodriza, que atribuimos a un efecto del aumento en biomasa (biomass effect) promovido por una mayor deposición de hojarasca. La variabilidad en la fertilidad y productividad microbiana bajo la nodriza con facilitadas la atribuimos tanto a un efecto de la variación en biomasa como en diversidad (diversity effect). En particular, la fertilidad se incrementó en comunidades de facilitadas más diversas fenotípicamente (fenotipo medido a partir de 10 rasgos aéreos y subterráneos). Por el contrario, la productividad microbiana aumentó en micrositios nodriza + facilitada con una menor biomasa de raíces, probablemente debido a una menor competencia planta‐microorganismo por los nutrientes. Síntesis. Nuestros resultados cambian la concepción de las especies facilitadas como meras beneficiarias de la presencia de una nodriza, para atribuirles un papel como promotoras de funciones ecosistémicas esenciales, mediadas por los efectos de la diversidad y biomasa sobre el estrés abiótico y las interacciones con la microbiota edáfica. Our results show that facilitated plant communities sheltered by nurse species relieve local abiotic stress and promote plant–microbe interactions, both through biomass and biodiversity effects. These observations shift the conception of facilitated species from simple beneficiaries of the nurse’s effects to co‐drivers of essential ecosystem functions.