Michelle Szyja

• Tropical dry forests are crucial for climate adaptation, economic development, and poverty alleviation, offering vital ecosystem services. However, this understudied, and inadequately protected biome faces severe threats like deforestation and land-use changes and is often overlooked in national policies. This neglect poses risks to services like clean water provision, diverse habitats, and climate change mitigation. Changes in land use within these forests impact environmental conditions, causing reduced biodiversity and vegetation restructuring. The regeneration process relies on abiotic factors and natural soil recovery. In this dissertation, I investigated the role of two keystone organism groups—Biological soil crusts ('biocrusts') and leaf-cutting ants (LCA)—in dry forest regeneration. These ecosystem engineers can enhance topsoil quality, introduce essential nutrients and water, and influence plant germination and growth, thereby potentially affecting dry forest regeneration. My primary objectives were to determine the relevance of biocrusts in the Caatinga dry forest, their interaction with LCA, as well as both of their provision of essential ecosystem services, and their response to chronic anthropogenic disturbance. I employed various techniques to document biocrust diversity, and distribution, along with the abiotic environment alterations caused by biocrusts and LCA. Biocrusts, diverse components in the Caatinga dry forest, were present in various successional stages, including agricultural fields, regenerating areas, and old-growth forests. Dominated by cyanobacteria, their coverage depended on factors like leaf-litter burial, disturbance levels, soil stability, seasonality, and the presence/ activity of LCA nests. A balance between vascular plant cover and disturbance pressure was also crucial for biocrust distribution. Both biocrusts and LCA impacted key abiotic factors for dry forest resilience but with significantly differing ecological consequences and reactions to anthropogenic disturbances. Biocrusts, by reducing water infiltration, promoted runoff, fostering small-scale source-sink patterns, benefiting vascular vegetation. They enhanced soil fertility and provided erosion protection, with older biocrusts exhibiting more significant positive effects. Anthropogenic disturbance disrupted biocrust succession, limiting their services and leading to negative feedback loops. LCA nests increased compaction, and reduced water infiltration, potentially hindering forest regeneration. These physico-hydrological barriers persisted, especially in disturbed areas, impacting forest dynamics and resilience for years, even after colony death. Adverse effects of LCA on water availability and soil resistance escalated with anthropogenic disturbance, though LCA refuse had the potential to mitigate some negative soil property changes. Both biocrusts and LCA act as edaphic ecosystem engineers in the Caatinga dry forest, impacting vascular plants through their abiotic influence. A greenhouse experiment demonstrated the positive effects of both organisms on plant germination, development, and survival across various functional groups. This dissertation also showed for the first time that LCA can accelerate germination time. These facilitative effects are attributed to improved soil conditions, including enhanced water availability and nutrient richness. Given species-specific responses and the prevalence of LCA nests and biocrust coverage in regenerating areas, their activities likely play a pivotal role in shaping successional trajectories and regeneration dynamics in dry forests. This underscores the significant potential of both ecosystem engineers in influencing the regeneration and resilience of tropical dry forests. In summary, in the human-modified landscapes of the Caatinga, biocrusts and LCA act as ecosystem engineers, influencing vital soil properties. Biocrusts protect degraded soils and facilitate plant establishment, while the impact of LCA depends on the nest structure. These engineers play a crucial role in dry forest regeneration and sustainability. However, climate change and land degradation pose significant threats to both ecosystems and engineers, impacting their effects diametrically. This research enhances understanding of the biome's functioning, regeneration, and resilience, providing insights for sustainable management, restoration, and conservation to support biodiversity and human well-being.
• Tropische Trockenwälder haben eine herausragende Bedeutung für entscheidende Ökosystemdienstleistungen wie Klimaanpassung, wirtschaftliche Entwicklung und Armutsbekämpfung. Dieses wenig erforschte und unzureichend geschützte Biom ist durch Abholzung und Landnutzungsänderungen gefährdet und wird oft in nationalen Politiken übersehen. Dies führt zu Risiken hinsichtlich sauberem Wasser, Lebensraumvielfalt und Klimaschutz. Veränderungen in der Landnutzung beeinflussen Umweltbedingungen, führen zu geringerer Biodiversität und Umstrukturierung der Vegetation. Der Regenerationsprozess basiert auf abiotischen Faktoren und natürlicher Bodenerholung. Diese Dissertation erforscht die Rolle von zwei Schlüsselorganismengruppen - biologische Bodenkrusten ('Biokrusten') und Blattschneiderameisen (BSA) - bei der Trockenwald-Regeneration. Diese Ökosystem-ingenieure verbessern die Bodenqualität, führen Nährstoffe und Wasser ein und beeinflussen die Pflanzenkeimung und -entwicklung, womit sie die Regeneration prägen. Hauptziele waren die Bestimmung der Biokrustenrelevanz im Caatinga-Trockenwald, ihre Interaktion mit BSA, ihre Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen und ihre Reaktion auf anthropogene Störungen. Verschiedene Techniken dokumentierten Biokrustenvielfalt und -verbreitung sowie Veränderungen der abiotischen Umwelt durch Biokrusten und BSA. Biokrusten, vielseitige Bestandteile des Caatinga-Trockenwaldes, wurden in verschiedenen Sukzessionsstadien, einschließlich landwirtschaftlicher Flächen, regenerierender Gebiete und alter Wälder, gefunden. Dominiert von Cyanobakterien hing ihre Abdeckung von Laub-bedeckung, Störungsniveau, Bodenstabilität, Saisonalität und der Präsenz/Aktivität von BSA-Nestern ab. Ein Gleichgewicht zwischen Gefäßpflanzenbedeckung und Störungsdruck erwies sich ebenfalls als entscheidend für die Biokrustenverteilung. Biokrusten und BSA beeinflussten wesentliche abiotische Faktoren für die Trockenwald-Widerstandsfähigkeit, jedoch mit unterschiedlichen ökologischen Konsequenzen und Reaktionen auf anthropogene Störungen. Biokrusten förderten durch Verringerung der Wasserinfiltration den Oberflächenabfluss, begünstigten kleine Quell-Senken-Muster, verbesserten Bodenfruchtbarkeit und boten Erosionsschutz, wobei ältere Biokrusten positivere Effekte zeigten. Anthropogene Störungen hemmten die Biokrustensukzession, begrenzten Dienstleistungen und führten zu negativen Rückkopplungs-Schleifen. BSA-Nester erhöhten Bodenverdichtung und reduzierten die Wasserinfiltrationskapazität. Diese physiko-hydrologischen Barrieren beeinflussten die Wald-Dynamik und Widerstandsfähigkeit über Jahre, selbst nach Kolonie-Tod. Die nachteiligen Auswirkungen von BSA verstärkten sich mit anthropogenen Störungen, obwohl BSA-Abfall das Potenzial hatte, einige negative Bodenveränderungen zu mildern. Biokrusten und BSA wirken als edaphische Ökosystemingenieure im Caatinga-Trockenwald, beeinflussen Gefäßpflanzen durch abiotische Effekte und zeigten in einem Gewächshaus-experiment förderliche Auswirkungen auf Pflanzenkeimung, -entwicklung und -überleben. Erstmals wurde gezeigt, dass BSA die Keimungszeit beschleunigen. Diese förderlichen Effekte werden auf verbesserte Bodenbedingungen (erhöhte Wasser- und Nährstoff-verfügbarkeit) zurückgeführt. Angesichts artspezifischer Reaktionen und der Verbreitung von BSA und Biokrusten in regenerierenden Gebieten spielen ihre Aktivitäten eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung von Sukzessionstrajektorien und Regenerationsdynamiken in Trockenwäldern. Dies unterstreicht das erhebliche Potenzial beider Ökosystemingenieure zur Beeinflussung der Regeneration und Widerstandsfähigkeit tropischer Trockenwälder. Biokrusten und BSA sind Ökosystemingenieure in der modifizierten Landschaft der Caatinga und beeinflussen maßgeblich Bodeneigenschaften. Biokrusten schützen degradierte Böden und fördern die Pflanzenetablierung, während der BSA-Einfluss von der Neststruktur abhängt. Diese Ingenieure spielen eine entscheidende Rolle in der Regeneration und Nachhaltigkeit der Trockenwälder. Trotzdem bedrohen Klimawandel und Landdegradation diese Ökosysteme und Ingenieure erheblich, was deren Effekte diametral beeinflusst. Die Dissertation vertieft das Verständnis der Funktionsweise, Regeneration und Widerstandsfähigkeit dieses bedrohten Bioms und bietet Erkenntnisse für nachhaltiges Management, Restaurierung und Naturschutz zur Unterstützung von Biodiversität und menschlichem Wohlbefinden.