Patterns of lichen and bryophyte diversity and distribution along a temperate to boreal elevation gradient

Abstract

Abstract : Community ecology seeks to explain the patterns of diversity and distribution of organisms relating to their environment and interactions with one another. These questions are of particular importance as studies indicate that these patterns may be changing for many species faced with global climate change and other environmental changes. Arboreal lichens and bryophytes play an important role in the ecology of forests; however, compared to other taxa these organisms are less studied, even though their unique physiology suggests that they may respond differently to environmental changes in comparison to other taxa. Furthermore, understanding the mechanisms behind distribution limits is of particular importance for mountaintop lichens as there is concern that global climate change may reduce suitable habitat for these species in the future. My thesis research asks fundamental ecological questions about an understudied group of organisms, helping to fill knowledge gaps about the diversity, composition, and distribution of arboreal lichens and bryophytes in the eastern temperate and boreal forests of North America. The guiding questions in this study were as follows: (i) What patterns and processes are involved in community assembly along elevation gradients? (ii) How do environmental factors or dispersal limitation determine the limits of species distributions/ranges? Chapters 2 and 3 quantify the taxonomic and functional patterns of arboreal bryophyte and macrolichen communities (i) along an elevation gradient associated with macroclimatic changes in temperature and air relative humidity (ii) and along the lateral tree bole gradients associated with microclimatic changes in bark surface temperature and moisture content. Predictions are tested based on hypotheses of deterministic vs. stochastic determinants of community assembly. For these chapters, I conducted inventories of lichens and bryophytes on the boles of sugar maple (Acer saccharum) and balsam fir (Abies balsamea) along an elevation gradient at Parc national du Mont-Mégantic. Chapter 4 is an experimental approach to address whether the high elevation distribution of the Ghost Antler Lichen (Pseudevernia cladonia) is determined by niche or dispersal limitations. Here, I conducted a transplant experiment, moving individuals of the Ghost Antler Lichen into sites within, at the edge, and beyond its distribution. Finally, Chapter 5 reports on some rare and interesting species observed during this study. I found that for lichens on firs, taxonomic and functional community patterns appear more sensitive to macro-scale climatic patterns associated with the elevation gradient than with micro-scale variation around tree boles. In contrast, for bryophytes and lichens on maples, tree inclination and the lateral gradient had a stronger effect (Chapters 2 and 3). Experimental results showed that the Ghost Antler Lichen appears to be niche limited along the elevation gradient (Chapter 4), with poor survival and growth beyond its lower elevation distribution limit. Finally, several observations of rare and interesting species suggest that Parc national du Mont-Mégantic is an important regional refuge for cryptogams (Chapter 5). Overall, my research provides strong evidence that considering large- and small-scale environmental gradients are important to understanding taxonomic and functional patterns of arboreal cryptogam communities, and that these communities are likely sensitive to climatic changes.

L'écologie des communautés cherche à expliquer les patrons de diversité et de distribution des organismes en relation avec leur environnement et leurs interactions les uns avec les autres. Ces questions revêtent une importance particulière car des études indiquent que ces patrons pourraient être en train de changer pour de nombreuses espèces en raison des changements climatiques mondiaux et d'autres modifications environnementales. Les lichens et les bryophytes arboricoles jouent un rôle important dans l'écologie des forêts ; cependant, par rapport à d'autres taxons, ces organismes sont moins étudiés, même si leur physiologie unique suggère qu'ils peuvent réagir différemment aux changements environnementaux. En outre, la compréhension des mécanismes à l'origine des limites de distribution est particulièrement importante pour les lichens de sommet de montagne, car on craint que les changements climatiques ne réduisent l'habitat approprié pour ces espèces à l'avenir. Ma thèse pose des questions écologiques fondamentales sur un groupe d'organismes peu étudié, contribuant à combler les déficits de connaissances sur la diversité, la composition et la distribution des lichens et bryophytes arboricoles dans les forêts tempérées et boréales de l'est de l'Amérique du Nord. Les questions directrices de cette étude étaient les suivantes : (i) Quels sont les patrons et les processus impliqués dans l'assemblage des communautés le long des gradients d'altitude ? (ii) Comment les facteurs environnementaux ou la limitation de la dispersion déterminent-ils les limites de la distribution et de l'aire de répartition des espèces ? Les chapitres 2 et 3 quantifient les patrons taxonomiques et fonctionnels des communautés arboricoles de bryophytes et de macrolichens (i) le long d'un gradient d'altitude associé à des changements macroclimatiques de température et d'humidité relative de l'air (ii) et le long des gradients latéraux des troncs d'arbres associés à des changements microclimatiques de température et de teneur en humidité de la surface de l'écorce. Les prédictions sont testées sur la base d'hypothèses de déterminants déterministes vs. stochastiques de l'assemblage des communautés. Pour ces chapitres, j'ai effectué des inventaires de lichens et de bryophytes sur les troncs d'arbres d'érable à sucre (Acer saccharum) et de sapin baumier (Abies balsamea) le long d'un gradient d'altitude au Parc national du Mont-Mégantic. Le chapitre 4 adopte une approche expérimentale pour déterminer si la distribution en haute altitude du lichen du bois fantôme (Pseudevernia cladonia) est déterminée par des limitations de niche ou de dispersion. J'ai mené une expérience de transplantation en déplaçant des individus du lichen des bois fantômes dans des sites à l'intérieur de sa distribution, à la limite et au-delà de sa distribution. Enfin, le chapitre 5 présente quelques espèces rares et intéressantes observées au cours de cette étude. J'ai constaté que, pour les lichens sur les sapins, les patrons de communautés taxonomiques et fonctionnelles semblent plus sensibles aux patrons climatiques à macro-échelle associés au gradient d'altitude qu'aux variations à micro-échelle autour des troncs d'arbres. En revanche, pour les bryophytes et les lichens sur les érables, l'inclinaison de l'arbre et le gradient latéral ont un effet plus important (chapitres 2 et 3). Les résultats expérimentaux ont montré que le lichen des bois fantômes semble avoir une niche limitée le long du gradient d'altitude (chapitre 4), avec une survie et une croissance faible au-delà de sa limite de distribution à basse altitude. Enfin, plusieurs observations d'espèces rares et intéressantes suggèrent que le parc national du Mont-Mégantic est un important refuge régional pour les cryptogames (chapitre 5). Dans l'ensemble, ma recherche fournit des évidences solides que la prise en compte des gradients environnementaux à grande et à petite échelle est importante pour comprendre les patrons taxonomiques et fonctionnels des communautés de cryptogames arboricoles, et que ces communautés sont probablement sensibles aux changements climatiques.