Vascular plant reproduction, establishment, and growth and the effects of cryptogamic crusts within a polar desert ecosystem, Devon Island, N.W.T., Canada

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Abstract

Most of the ice-free lands within the Canadian High Arctic are classified as polar desert (44%) or semidesert (49%). Much of this desert landscape supports no more than 6–10 vascular species that provide 1–3% cover and cryptogamic organisms that occupy 0–5% cover on the soil surface. The barrenness of these lands results from a short growing season and low summer temperatures that limit plant growth and the production of viable seeds. Limited areas have a 50–80% cover of cryptogamic crust and an 8–12% cover of vascular plants. These are areas in which surfaces remain moist for considerable periods in summer from snowflush waters. Where such cryptogamic soil crusts develop, they play a central role in soil development and nitrogen fixation. The two major components of this study were (i) an examination of fundamental reproductive, establishment, and growth characteristics of polar desert plants in the field and (ii) the relationship of these characteristics to environmental conditions in areas with and without cryptogamic crusts. Summer conditions during the study ranged from unusually warm (1991; 252 degree-days) to unusually cool (1992; 123 degree-days) with two average years (1994 and 1995; 172 and 166 degree-days, respectively). Differences in reproduction and establishment among these summers included (i) higher germination ability of seeds produced in the warm summer (1991) compared with more average summers (1994 and 1995) and (ii) significant seedling occurrence only in the average summers of 1994 and 1995. Seedling densities were much higher at crusted (206 seedlings/m2) than noncrusted sites (26 seedlings/m2). In both sites, root elongation of seedlings and older plants were significantly greater than shoot elongation, yet in established plants, shoot biomass was much greater than root biomass (root/shoot ratios from 0.1 to 0.3). Reproductive attributes varied among the species examined. Saxifraga caespitosa L. produced much smaller seeds then Draba corymbosa R. Br. ex DC. and Papaver radicatum Rottb., but the largest seeds of S. caespitosa (produced in the warm summer of 1991) had much higher germination rates than any seeds of the other species. Based on an analysis of population age structures, seedling survivorship was low for all species but was especially low for S. caespitosa, despite its higher germination rates. All species were slow to germinate, with isolated seeds under ideal controlled conditions requiring a minimum of 20–30 days at a 20°C day and 15°C night. Seed germination in excised soil blocks under comparable conditions averaged 36–48 days. We believe these polar desert plant species lack special attributes to uniquely exploit the environment of these very stressful locations. Rather, they are simply adept at surviving the rigors experienced there. The same species grow much larger, flower and fruit more abundantly, and produce more viable seeds in high arctic environments more favorable than polar deserts, such as lowland polar oases (e.g., Truelove Lowland, Devon Island, Canada). Within the harsh polar desert landscape of the High Arctic, the presence of a cryptogamic crust that retains surface moisture, prevents soil churning, and includes nitrogen-fixing organisms provides a more favorable habitat for plant reproduction, establishment, and growth.

La plupart des terres sans glace du Haut Actique Canadien sont classifiées comme désert polaire (44%) ou semi-désert (49%). La majeure partie de ce paysage désertique supporte aussi peu que 6–10 espèces de plantes vasculaires, lesquelles fournissent 1–3% de couverture, ainsi que des organismes cryptogamiques qui occupent 0.5% de la surface du sol. La stérilité de ces terres est la conséquence d'une courte saison de croissance et de basses températures estivales qui limitent la croissance des plantes et la production de graines viables. Des surfaces limitées montrent 50–80% de couverture sous forme de croûte cryptogamique et 8–12% de couverture par des plantes vasculaires. Il s'agit de régions où les surfaces demeurent humides pendant des périodes considérables au cours de l'été, grâce à l'eau de fonte des neiges. Là où se développent de telles croûtes cryptogamiques, elles jouent un rôle central dans le développement du sol et la fixation de l'azote. Les deux composantes principales de cette étude sont (1) l'examen des caractéristiques fondamentales de la reproduction, de l'établissement et de la croissance des plantes des déserts polaires, sur le terrain, et (2) la relation de ces caractéristiques aux conditions environnementales de la région avec ou sans croûte cryptogamique. Au cours de l'étude, les conditions estivales allaient de chaudes (1991: 252 degrés jours) à particulièrement froides (1992: 123 degrés jours) avec deux années moyennes (1994 et 1995, avec 172 et 166 degrés jours, respectivement). Les différences de reproduction et d'établissement entre ces étés incluent (1) une plus grande capacité de germination des graines produites pendant les étés chauds (1991) comparativement aux étés moyens (1994 et 1995), et (2) une présence significative de plantules seulement au cours des étés moyens de 1994 et 1995. La densité des plantules est beaucoup plus importante sur les sites encroûtés (206 plantules/m2) que sur les sites non-encroûtés (26 plantules/m2). Sur les deux sites, l'élongation des racines des plantules ainsi que celles des plantes plus âgées est significativement plus grande que l'élongation des tiges, et pourtant la biomasse totale des tiges des plantes établies est beaucoup plus grande que la biomasse racinaire (rapports racine:tige de 0.1–0.3). Les comportements reproducteurs varient selon les espèces examinées. Le Saxifraga caespitosa produit des graines beaucoup plus petites que les Draba corymbosa R. Br. ex DC. et Papaver radicatum, mais les graines les plus grosses du S. caespitosa (produite au cours de l'été de 1991) ont des taux de germination beaucoup plus élevés que toutes les graines des autres espèces. Sur la base de l'analyse des structures d'âge de la population, la survie des plantules est faible pour toutes les espèces, mais spécialement faible chez le S. caespitosa, en dépit de taux de germination plus élevés. Toutes les espèces germent lentement; les graines isolées, placées dans des conditions idéales, nécessitent un minimum de 20–30 jours, à 20°C le jour et 15°C la nuit. Sous des conditions comparables, la germination des graines dans des blocs de sols prélevés nécessite 36–48 jours. Les auteurs croient que ces espèces des déserts polaires n'on pas d'attribut unique pour exploiter l'environnement très stressant de ces localités. Elles sont plutôt simplement des expertes à survivre aux rigeurs qui y prévalent. Les mêmes espèces deviennent beaucoup plus grosses, fleurissent plus abondamment et produisent plus de fruits et de graines viables dans des environnements du haut arctique plus favorables que les déserts polaires, tels que les oasis des terres basses polaires (e.g., la terre basse de Truelove, l'île de Devon, au Canada). Dans le paysage polaire rigoureux et désertique du Haut Arctique, la présence de croûtes cryptogamiques qui retiennent la surface du sol humide, préviennent le brassage du sol et incluent des organismes fixateurs d'azote, fournit un habitat plus favorable pour la reproduction, l'établissement et la croissance des plantes.

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