The Role of Seeds in a Changing Climate - Linking Germination Ecophysiology to Population and Community Ecology

Rekruttering fra frø (frøspiring og frøplantenes overlevelse) er en nøkkelprosess i plantenes livshistorie med konsekvenser for artenes utbredelse, evolusjon, og overlevelse. Både frøenes økologiske rolle og deres klimarespons best forstås ved å sette dette livshistoriestadiet inn i en større sammenheng, og vi studerer derfor klimaresponsene på hele plantelivssyklusen og på flere nivåer; fra frøplantefysiologi via plantenes vekst og ressursallokering til populasjonsdynamikk til samfunnsdynamikk og diversitet. SeedClim utnytter de naturlige klimagradientene på Vestlandet, fra kyst til innland og fra fjord til fjell, for å utforske hvordan klima og klimaendringer påvirker planter og vegetasjon. Vi har 12 eksperimentlokaliteter som faller inn i et klimatisk «nettverk» hvor fire nivå av årsnedbør (600, 1200, 2000 og 2700 millimeter per år) kombineres med tre nivå av sommertemperatur (gjennomsnittlig 7.5, 9.5, and 11.5°C i årets fire varmeste måneder) mens alle andre faktorer holdes så konstant som mulig. Klimastasjoner overvåker temperatur, nedbør og jordfuktighet på hver lokalitet. Mellom disse stedene har vi transplantert intakte vegetasjonsmatter (25 x 25 cm) og frø av fire fokusarter (fjellplantene fjellfiol og fjellveronika og lavlandsartene myrfiol og legeveronika) mot varmere, våtere og varmere og våtere forhold, slik den regionale værmeldingen er for fremtiden. Dette eksperimentoppsettet lar ossundersøke hvordan frøspiring og frøplanterekruttering spesielt, samt populasjons- og samfunnsdynamikk generelt, vil påvirkes av klimaendringene. Vi finner, som forventet, at planter som vokser i et varmt klima generelt sett blomstrer mer enn de som vokser i kalde klima, men de allokerer samtidig mindre av sine totale ressurser til blomster og røtter og mer til blader og stengler. Nedbør har mer variable effekter på blomstring, og for noen av artene minker blomstringen i de våteste områdene. Dette kan tyde på at de høyeste nedbørsmengdene på kysten ikke utgjør en ressurs, men heller et problem, for plantene. Konkurranse fra gress og moser, skadedyr og utvasking av næringsstoffer kan være forklaringer på dette. Når disse resultatene fremskrives ved hjelp av regionale klimamodeller ser vi at en temperaturøkning på 2ºC vil føre til at vi kan få mer blomstring i vestnorsk natur, mens en nedbørsøkning på 10% vil ha relativt begrenset effekt. Samtidig er frøplanterekrutteringen begrenset av konkurranse, spesielt under varme klima, og er avhengig av ulike typer forstyrrelser, noe som kan forsinke lavlandsartenes kolonisering av opp i fjellet, spesielt under et varmere klima og i områder med lite beitedyr. Hvis vi ser på hele livssyklusen er resultatene mye de samme. Fjellplanter reagerer generelt negativt på oppvarming, mens lavlandsarter reagerer positivt. Effekten av økt nedbør er igjen variable, og det mest interessante funnet er at økt nedbør ikke ser ut til å kunne kompensere for den negative temperatureffekten fjellplantene opplever. Vi finner også tydelige mønstre i vegetasjonens sammensetning langs klimagradientene, og vegetasjonen forandrer seg også systematisk som respons på de eksperimentelle temperatur- og nedbørendringene. Et interessant funn er at responsen på klimaendringer er mye raskere i tørre enn i fuktige strøk. Dette er interessant fordi det bekrefter eksperimentelt funn fra en rekke observasjonelle studier. Fordi vi jobber eksperimentelt har vi mulighet til å undersøke de økologiske prosessene bak dette mønsteret. Vi finner at alle alpine systemer, uavhengig av hvor de finnes langs nedbørsgradienten, lett lar seg invadere av arter fra lavlandslokalitetene. Invasjonene skjer imidlertid litt saktere i oseaniske strøk. Samtidig forsvinner fjellplanter mye raskere fra tørre enn fra oseaniske strøk når klimaet blir varmere. I tørre strøk som utsettes for økning både i temperatur og nedbør skjer endringene raskere. Det er under slike klimaforhold effekten av klimaendringene oppleves å være raskest. Graminider (gress og gressligngnede arter) øker raskt under disse forholdene, og konkurranse fra gressarter kan være en forklaring på at artene forsvinner så raskt. Frøplanterekrutteringen er generelt relativt høy i fjellet, og å i uforstyrret vegetasjon. Dette betyr at alle fjellstrøk vil invaderes av lavalandsarter, men at både invasjonsraten og effekten av invasjonene i form av fortrengsel av fjellplanter vil skje raskest i tørre strøk. Vi finner også at selv i en eksperimentell sammenheng hvor svært små økosystemer (25 x 25 cm!) utsettes for plutselige klimaendringer på ca. 2°C oppvarming og/eller rundt 700 mm økning i nedbør så er det flere års, kanskje tiårs, forsinkelser i vegetasjonsresponsene. Det betyr at det vil være betydelige forsinkelser i alpine økosystemers respons på klimaendringer.

In order to understand, and predict, the effects of climate change on the temporal and spatial scales relevant to the needs of society, we need approaches that enable us to scale up from detailed mechanistic studies of the effects on local ecological proc esses to landscape-scale or even regional-scale consequences. This project develops new methods that integrate observational and experimental approaches across broad-scale climate gradients to explore how climate, and climate change, affects the role o f seed recruitment across four levels of organization - from direct physiological effects via demographic responses to population and community dynamics. We focus on the seed regeneration stage because this is a key event in the life-histories of plants that affects their ability to disperse, to evolve, and to persist under unfavorable conditions. We therefore hypothesize that any impact of climate change on this life-history stage is likely to have strong effects on the fates of local populations and c ommunities. The ambitious goals will be achieved by a joining the forces of two strong ecological research groups in Norway with broad expertise in the ecological effects of climate change on terrestrial ecosystems (EECRG and NINA) in an interdisciplina ry collaboration with experts on down-scaling climate data in complex landscapes (met.no). International partners will contribute expertise on the effects of environmental change on different levels of ecological organization, from ecophysiology (Royal Bo tanical Gardens, UK) via populations (Charles University, CZ) to communities and ecosystems (University of Michigan, USA). This project will provide a new methodological framework for integrating population, community, and landscape ecology in environme ntal change research. The results will have implications for habitat management and nature conservation strategies under a changing climate.