Effects of defoliation on growth and N fixation in Alnus tenuifolia: Consequences for changing disturbance regimes at high latitudes

1 Associate Editor: Robert L. Jefferies.

Abstract:

Alder plays an important role in the nitrogen (N) economy of boreal forests because of its high capacity for atmospheric N fixation. Range expansion and increased insect and/or pathogen attack are two potential consequences of climate change that may result in significant, albeit opposite, effects on these systems through influences on alder-mediated N inputs. This study contrasted the effects of weekly defoliation at different intensities on growth and N fixation in Alnus tenuifolia seedlings with recovery of these traits following a single but intensive defoliation event. Weekly removal of 15, 25, or 40% leaf area for 9 weeks reduced total plant weight by 7, 13, and 29%, respectively, and led to progressive increases in leaf weight ratio at the expense of shoot growth. Although maximum photosynthetic rates (P_max) were similar among treatments between defoliation events, increasing levels of defoliation led to progressive short-term declines in P_max immediately following treatments. Plants with 40% leaf removal had N fixation rates (48.3 ± 2.4 μmol N·g-¹·h-¹) that were 67% less than undefoliated plants (147.6 ± 8.9 μmol N·g-¹·h-¹), and even the lowest level of leaf removal led to significant reductions in fixation rates relative to controls. In the recovery experiment, N fixation rates in defoliated plants (158.4± 12.1 μmol N·g-¹·h-¹) were 40% less than control values (264.1± 18.3 μmol N·g-¹·h-¹) 24 h following defoliation. After 28 d of regrowth, the total biomasses of defoliated and control plants were indistinguishable; however, N fixation rate in defoliated plants (39.2 ± 2.0 μmol N·g-¹·h-¹) remained 73% less than that of control plants, suggesting a strong competition between symbiont and host sinks for photosynthate.

Résumé:

L’aulne joue un rôle important dans la balance d’azote (N) des forêts boréales grâce à sa capacité élevée à fixer l’azote atmosphérique. L’expansion des aires de répartition et l’augmentation des attaques d’insectes et/ou de pathogènes sont des conséquences possibles du changement climatique qui pourraient avoir des effets significatifs quoique opposés sur ces systèmes via leurs influences sur les apports de N par l’aulne. Dans cette étude, les effets contrastés de défoliations hebdomadaires de différentes intensités sur la croissance et la fixation de N ont été examinés pour des semis de Alnus tenuifolia avec récupération de ces traits suite à un unique épisode de défoliation intense. Le retrait hebdomadaire de 15, 25 ou 40 % de la surface des feuilles pour neuf semaines a causé une réduction du poids total de la plante de 7, 13 et 29 %, respectivement et a conduit à une augmentation progressive du rapport de la masse foliaire au détriment de la croissance de la tige. Même si les taux maximum de photosynthèse (P_max) étaient similaires pour tous les traitements entre les épisodes de défoliation, l’augmentation du niveau de défoliation causait des déclins progressifs à court terme de P_max tout de suite après les traitements. Les plantes ayant perdu 40 % de leurs feuilles avaient des taux de fixation de N (48.3 ± 2.4 μmol N·g-¹·h-¹) 67 % moins élevés que ceux des plantes n’ayant pas été défoliées (147.6 ± 8.9 μmol N·g-¹·h-¹) et même la plus faible défoliation provoquait des réductions significatives du taux de fixation de N en comparaison avec les contrôles. Dans l’expérience de récupération, les taux de fixation de N des plantes défoliées (158.4 ± 12.1 μmol N·g-¹·h-¹) étaient 40 % plus faibles que ceux des plantes contrôles (264.1 ± 18.3 μmol N·g-¹·h-¹) 24 heures après la défoliation. Après 28 jours de croissance, les biomasses totales des plantes défoliées et contrôles étaient similaires, cependant, le taux de fixation de N des plantes défoliées demeurait 73 % moins élevé que celui des plantes contrôles, ce qui suggère une compétition importante entre les puits du symbionte et de l’hôte pour le photosynthétat.

Key words::

• Alaska
• alder
• climate change
• defoliation
• nitrogen fixation
• ecosystem

Mots-clés::

• Alaska
• aulne
• changement climatique
• défoliation
• écosystème
• fixation de l’azote

Nomenclature::

• USDA
• 2001;
• Flora of North America Editorial Committee
• 2004;
• Index Fungorum Partnership
• 2004

Notes

1 Associate Editor: Robert L. Jefferies.