Các mô hình rối loạn do con người ảnh hưởng và sự tiếp diễn của rừng: tác động của cạnh tranh và việc ăn cỏ của động vật nhai lại

Oecologia - Tập 189 - Trang 1061-1070 - 2019
Jordan D. Maxwell1, Aaron C. Rhodes1, Samuel B. St. Clair1
1Department of Plant and Wildlife Sciences, Brigham Young University, Provo, USA

Tóm tắt

Các hoạt động của con người đang làm thay đổi các mô hình ăn cỏ của động vật nhai lại và chế độ cháy rừng trên toàn cầu với những tác động tiềm tàng lớn đến sự tiếp diễn của cộng đồng thực vật và khả năng phục hồi của hệ sinh thái. Cây bạch dương (Populus tremuloides) là một loài quan trọng đóng vai trò trụ cột, cùng tồn tại với các loài thông trong các khu rừng ôn đới ở Bắc Mỹ. Sự tái sinh của cây bạch dương từ rễ (còn gọi là suckers) là cơ sở cho sự tiếp diễn của rừng bạch dương – thông thường là nguồn thức ăn được nhiều loài động vật nhai lại nhắm đến. Bằng cách sử dụng mạng lưới xung quanh ở toàn vùng qua một gradient rộng lớn về sự phong phú của cây bạch dương và thông, chúng tôi đã kiểm nghiệm thực nghiệm tác động của việc ăn cỏ của động vật nhai lại và cạnh tranh từ thông (tăng lên khi có sự kiểm soát cháy) đối với sự tái sinh và tuyển chọn cây rừng bạch dương trong vòng 4 năm. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc ăn cỏ của động vật nhai lại và sự gia tăng số lượng thông làm giảm nghiêm trọng sự tái sinh và thành công trong việc tuyển chọn cây bạch dương. Chiều cao trung bình của cây bạch dương từ rễ bị tác động bởi động vật nhai lại ngắn hơn 72% so với cây ở các khu vực được làm hàng rào và dẫn đến sự suy giảm 24% trong việc tuyển chọn. Có sự giảm 9% trong việc tuyển chọn cây bạch dương và giảm 12% chiều cao trung bình của cây bạch dương với mỗi 20% gia tăng về mật độ cây thông. Cây bạch dương từ rễ dễ bị ăn cỏ nhất ở độ cao 70 cm, với xác suất bị ăn cỏ giảm khi chiều cao dưới 50 cm hoặc trên 90 cm. Các góc độ dốc và lượng mưa mùa đông cao hơn làm tăng tỷ lệ tái sinh và thành công trong việc tuyển chọn cây bạch dương. Việc giảm số lượng bạch dương trong phản ứng trước việc ăn cỏ của động vật nhai lại và cạnh tranh từ cây thông có thể dẫn đến mất đa dạng sinh học, làm biến đổi chức năng rừng và mất đi các dịch vụ hệ sinh thái quan trọng do vai trò quan trọng của cây bạch dương trong việc tạo thuận lợi cho sự tiếp diễn của rừng và đa dạng sinh học.

Từ khóa

#rừng #bạch dương #động vật nhai lại #tái sinh #cạnh tranh #đa dạng sinh học #hệ sinh thái

Tài liệu tham khảo

Adams MA (2013) Mega-fires, tipping points and ecosystem services: managing forests and woodlands in an uncertain future. For Ecol Manag 294:250–261 Augustine DJ, Derner JD (2014) Controls over the strength and timing of fire–grazer interactions in a semi-arid rangeland. J Appl Ecol 51:242–250 Augustine DJ, McNaughton SJ (1998) Ungulate effects on the functional species composition of plant communities: herbivore selectivity and plant tolerance. J Wildl Manag 62:1165–1183 Beck JL, Peek JM (2005) Diet composition, forage selection, and potential for forage competition among elk, deer, and livestock on aspen–sagebrush summer range. Rangel Ecol Manag 58:135–147 Berdanier AB, Klein JA (2011) Growing season length and soil moisture interactively constrain high elevation aboveground net primary production. Ecosystems 14:963–974 Binkley D (2008) Age distribution of aspen in Rocky Mountain National Park, USA. For Ecol Manag 255:797–802 Bork EW, Carlyle CN, Cahill JF, Haddow RE, Hudson RJ (2013) Disentangling herbivore impacts on Populus tremuloides: a comparison of native ungulates and cattle in Canada’s Aspen Parkland. Oecologia 173:895–904 Bowman D, Balch JK, Artaxo P, Bond WJ, Carlson JM, Cochrane MA, D’Antonio CM, DeFries RS, Doyle JC, Harrison SP, Johnston FH, Keeley JE, Krawchuk MA, Kull CA, Marston JB, Moritz MA, Prentice IC, Roos CI, Scott AC, Swetnam TW, van der Werf GR, Pyne SJ (2009) Fire in the earth system. Science 324:481–484 Buck JR, Clair SBS (2012) Aspen increase soil moisture, nutrients, organic matter and respiration in Rocky Mountain forest communities. PLoS One 7:e52369 Buck JR, St Clair SB (2014) Stand composition, proximity to overstory trees and gradients of soil moisture influence patterns of subalpine fir seedling emergence and survival. Plant Soil 381:61–70 Calder WJ, St Clair SB (2012) Facilitation drives mortality patterns along succession gradients of aspen-conifer forests. Ecosphere 3:1–11 Calder WJ, Horn KJ, St Clair SB (2011) Conifer expansion reduces the competitive ability and herbivore defense of aspen by modifying light environment and soil chemistry. Tree Physiol 31:582–591 Dormann CF, McPherson JM, Araújo MB, Bivand R, Bolliger J, Carl G, Davies RG, Hirzel A, Jetz W, Daniel Kissling W (2007) Methods to account for spatial autocorrelation in the analysis of species distributional data: a review. Ecography 30:609–628 Franklin J, Syphard AD, He HS, Mladenoff DJ (2005) Altered fire regimes affect landscape patterns of plant succession in the foothills and mountains of southern California. Ecosystems 8:885–898 Frey BR, Lieffers VJ, Landhausser SM, Comeau PG, Greenway KJ (2003) An analysis of sucker regeneration of trembling aspen. Can J For Res 33:1169–1179 Frey BR, Lieffers VJ, Hogg EH, Landhausser SM (2004) Predicting landscape patterns of aspen dieback: mechanisms and knowledge gaps. Can J For Res 34:1379–1390 Gallant AL, Hansen AJ, Councilman JS, Monte DK, Betz DW (2003) Vegetation dynamics under fire exclusion and logging in a Rocky Mountain watershed, 1856–1996. Ecol Appl 13:385–403 Gervasi V, Sand H, Zimmermann B, Mattisson J, Wabakken P, Linnell JD (2013) Decomposing risk: landscape structure and wolf behavior generate different predation patterns in two sympatric ungulates. Ecol Appl 23:1722–1734 Goetz S, Mack M, Gurney K, Randerson J, Houghton R (2007) Ecosystem responses to recent climate change and fire disturbance at northern high latitudes: observations and model results contrasting northern Eurasia and North America. Environ Res Lett 2:045031 Group PC (2004) Oregon State University. PRISM Climate Data Hanley TA (1982) The nutritional basis for food selection by ungulates. J Range Manag 35:146–151 Harding SA, Jarvie MM, Lindroth RL, Tsai C-J (2009) A comparative analysis of phenylpropanoid metabolism, N utilization, and carbon partitioning in fast-and slow-growing Populus hybrid clones. J Exp Bot 60:3443–3452 Harrison XA, Donaldson L, Correa-Cano ME, Evans J, Fisher DN, Goodwin CE, Robinson BS, Hodgson DJ, Inger R (2018) A brief introduction to mixed effects modelling and multi-model inference in ecology. PeerJ 6:e4794 Holeski LM, Vogelzang A, Stanosz G, Lindroth RL (2009) Incidence of Venturia shoot blight in aspen (Populus tremuloides Michx.) varies with tree chemistry and genotype. Biochem Syst Ecol 37:139–145 Hollenbeck JP, Ripple WJ (2007) Aspen and conifer heterogeneity effects on bird diversity in the northern Yellowstone ecosystem. West N Am Nat 67:92–101 Johnstone JF, Hollingsworth TN, Chapin FS, Mack MC (2010) Changes in fire regime break the legacy lock on successional trajectories in Alaskan boreal forest. Glob Change Biol 16:1281–1295 Kauffman MJ, Brodie JF, Jules ES (2010) Are wolves saving Yellowstone’s aspen? A landscape-level test of a behaviorally mediated trophic cascade. Ecology 91:2742–2755 Kaye MW, Binkley D, Stohlgren TJ (2005) Effects of conifers and elk browsing on quaking aspen forests in the central Rocky Mountains, USA. Ecol Appl 15:1284–1295 Knowles J, Frederick C (2016) merTools: tools for analyzing mixed effect regression models (R package version 0.2. 1). See https://CRAN.R-project.org/package=merTools. Accessed 15 May 2018 Kuznetsova A, Brockhoff PB, Christensen RHB (2015) lmerTest: tests in linear mixed effects models (R package version:2-0). http://CRAN.R-project.org/package=lmerTest. Accessed 15 May 2018 LaMalfa EM, Ryle R (2008) Differential snowpack accumulation and water dynamics in aspen and conifer communities: implications for water yield and ecosystem function. Ecosystems 11:569–581 Launchbaugh KL, Howery LD (2005) Understanding landscape use patterns of livestock as a consequence of foraging behavior. Rangel Ecol Manag 58:99–108 Lindroth RL, St Clair SB (2013) Adaptations of quaking aspen (Populus tremuloides Michx.) for defense against herbivores. For Ecol Manag 299:14–21 Long RA, Bowyer RT, Porter WP, Mathewson P, Monteith KL, Kie JG (2014) Behavior and nutritional condition buffer a large-bodied endotherm against direct and indirect effects of climate. Ecol Monogr 84:513–532 Mauricio R, Rausher MD, Burdick DS (1997) Variation in the defense strategies of plants: are resistance and tolerance mutually exclusive? Ecology 78:1301–1311 Midoko-Iponga D, Krug CB, Milton SJ (2005) Competition and herbivory influence growth and survival of shrubs on old fields: implications for restoration of renosterveld shrubland. J Veg Sci 16:685–692 Myking T, Bøhler F, Austrheim G, Solberg EJ (2011) Life history strategies of aspen (Populus tremula L.) and browsing effects: a literature review. Forestry 84:61–71 Mysterud A, Austrheim G (2014) Lasting effects of snow accumulation on summer performance of large herbivores in alpine ecosystems may not last. J Anim Ecol 83:712–719 NRCS National Water and Climate Center, home (2019) https://www.wcc.nrcs.usda.gov/snow/snow_map.html. Accessed 2.5.19 Painter LE, Beschta RL, Larsen EJ, Ripple WJ (2015) Recovering aspen follow changing elk dynamics in Yellowstone: evidence of a trophic cascade? Ecology 96:252–263 Pollard J (1971) On distance estimators of density in randomly distributed forests. Biometrics 991–1002 RC Team (2017) R: a language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, p 2016 Rehfeldt GE, Ferguson DE, Crookston NL (2009) Aspen, climate, and sudden decline in western USA. For Ecol Manag 258:2353–2364 Rhodes AC, Clair SBS (2018) Measures of browse damage and indexes of ungulate abundance to quantify their impacts on aspen forest regeneration. Ecol Ind 89:648–655 Rhodes AC, Anderson V, St Clair SB (2017a) Ungulate herbivory alters leaf functional traits and recruitment of regenerating aspen. Tree Physiol 37:402–413 Rhodes AC, Wan HY, Clair SBS (2017b) Herbivory impacts of elk, deer and cattle on aspen forest recruitment along gradients of stand composition, topography and climate. For Ecol Manag 397:39–47 Rogers PC, Mittanck CM (2014) Herbivory strains resilience in drought-prone aspen landscapes of the western US. J Veg Sci 25:457–469 Romme WH, Turner MG, Wallace LL, Walker JS (1995) Aspen, elk, and fire in northern Yellowstone-National-Park. Ecology 76:2097–2106 Seager ST, Eisenberg C, St Clair SB (2013) Patterns and consequences of ungulate herbivory on aspen in western North America. For Ecol Manag 299:81–90 Smith AE, Smith FW (2005) Twenty-year change in aspen dominance in pure aspen and mixed aspen/conifer stands on the Uncompahgre Plateau, Colorado, USA. For Ecol Manag 213:338–348 Smith EA, O’Loughlin D, Buck JR, Clair SBS (2011) The influences of conifer succession, physiographic conditions and herbivory on quaking aspen regeneration after fire. For Ecol Manag 262:325–330 Smith DS, Fettig SM, Bowker MA (2016) Elevated Rocky Mountain elk numbers prevent positive effects of fire on quaking aspen (Populus tremuloides) recruitment. For Ecol Manag 362:46–54 Spear D, Chown SL (2009) Non-indigenous ungulates as a threat to biodiversity. J Zool 279:1–17 St Clair SB, Cavard X, Bergeron Y (2013) The role of facilitation and competition in the development and resilience of aspen forests. For Ecol Manag 299:91–99 Strand EK, Vierling LA, Bunting SC, Gessler PE (2009) Quantifying successional rates in western aspen woodlands: current conditions, future predictions. For Ecol Manag 257:1705–1715 Tilman D, Isbell F, Cowles JM (2014) Biodiversity and ecosystem functioning. Annu Rev Ecol Evol Syst 45:471–493 Turner MG (2010) Disturbance and landscape dynamics in a changing world. Ecology 91:2833–2849 Villalba JJ, Burritt EA, St Clair SB (2014) Aspen (Populus tremuloides Michx.) intake and preference by mammalian herbivores: the role of plant secondary compounds and nutritional context. J Chem Ecol 40:1135–1145 Wagner CEV, Finney MA, Heathcott M (2006) Historical fire cycles in the Canadian Rocky Mountain parks. For Sci 52:704–717 Wan HY, Olson AC, Muncey KD, Clair SBS (2014a) Legacy effects of fire size and severity on forest regeneration, recruitment, and wildlife activity in aspen forests. For Ecol Manag 329:59–68 Wan HY, Rhodes AC, St Clair SB (2014b) Fire severity alters plant regeneration patterns and defense against herbivores in mixed aspen forests. Oikos 123:1479–1488 Weisberg PJ, Bugmann H (2003) Forest dynamics and ungulate herbivory: from leaf to landscape. For Ecol Manag 181:1–12 Westerling AL (2016) Increasing western US forest wildfire activity: sensitivity to changes in the timing of spring. Philos Trans R Soc B Biol Sci 371:20150178 Wood S, Scheipl F (2014) gamm4: generalized additive mixed models using mgcv and lme4. R package version 0.2-3 Wooley SC, Walker S, Vernon J, Lindroth RL (2008) Aspen decline, aspen chemistry, and elk herbivory: are they linked? Aspen chemical ecology can inform the discussion of aspen decline in the West. Rangelands 30:17–21 Worrall JJ, Hogg EH, Rehfeldt GE, Hamann A, Michaelian M, Gray L (2012) Recent mortality episodes of Populus tremuloides and climate in North America. Phytopathology 102:137 Worrall JJ, Rehfeldt GE, Hamann A, Hogg EH, Marchetti SB, Michaelian M, Gray LK (2013) Recent declines of Populus tremuloides in North America linked to climate. For Ecol Manag 299:35–51 Worrall JJ, Keck AG, Marchetti SB (2015) Populus tremuloides stands continue to deteriorate after drought-incited sudden aspen decline. Can J For Res 45:1768–1774 Zuur AF, Ieno EN, Elphick CS (2010) A protocol for data exploration to avoid common statistical problems. Methods Ecol Evol 1:3–14