Successes and failures following long-distance dispersal: Dynamics of mountain birch (Betula pubescens ssp. tortuosa) on a glacial outwash plain

Abstract

The colonisation of a forest-forming tree species into an early successional environment, following long-distance dispersal, presents a unique opportunity to study the dynamics of a founder population in a setting that differs from its origin. This thesis takes advantage of one such rare event and seeks to identify factors and processes determining the population’s successes and failures. Around 1990, mountain birch (Betula pubescens ssp. tortuosa) established on Skeiðarársandur outwash plain in southeast Iceland. Nearest populations, and sources of origin, are ~10 km away. At the time of study, the first generation had recently reached reproductive maturity. Seed densities were high but when all losses were accounted for, only 2.7% of the crop remained viable and germinated. Most externally intact seeds did not contain developed embryos, despite being visually indistinguishable from filled seeds. Externally evident losses amounted to ~45%, mostly due to predation by gall midge larvae (Semudobia betulae). Even so, germinable seeds/m2 ranged from 0.5–75.9. Birch establishment is strongly shaped by microsite quality and extreme early mortality is common. On Skeiðarársandur, seeds were most likely to germinate in thin moss and survivorship was exceptionally high in the first 1–2 years, mostly >50%. Despite Skeiðarársandur’s apparent homogeneity, a comparison to 2008 population data revealed that a decade later, most measured variables (e.g. tree size, plant growth form, and seedling density) showed site-specific divergence. The mountain birch is predicted to act as an ecosystem engineer in this sparsely vegetated environment, leaving a transforming but spatially heterogeneous imprint on the ecosystem.

Ilmbjörk (Betula pubescens ssp. tortuosa) nam skyndilega land á Skeiðarársandi um 1990, eftir að fræ hafði dreifst um 10 km leið frá Bæjarstaðarskógi og finnst nú á >35 km2 svæði. Markmið verkefnisins var að nýta þetta einstaka tækifæri til að greina afdrif, viðgang og þróun fyrstu kynslóða einangraðs stofns í nýju umhverfi og bera saman við stofna í Skaftafelli og Morsárdal. Í upphafi rannsóknarinnar hafði stofninn nýlega náð kynþroska. Aðeins 2,7% fræja voru lífvænleg, einna helst vegna þess að þrátt fyrir að vera oftast ógreinanleg frá fylltum fræjum var þorri þeirra án kímplöntu. Fræ úr Morsárdal/Skaftafelli höfðu lægra hlutfall tómra fræja. Þroskunarferli þessara tómu fræja virðist endurspegla sóun auðlinda af hálfu móðurplöntunnar en mögulegar þroskunarfræðilegar, vistfræðilegar og þróunarfræðilegar skýringar eru settar fram og metnar. Fræskemmdir sáust á um 45% fræja, oftast af völdum birkihnúðmýs (Semudobia betulae). Fræframleiðsla á Skeiðarársandi var þó nægileg til að skila 0,5–75,9 spírunarhæfum fræjum á fermetra. Spírun var hlutfallslega mest í þunnum mosa. Lifun kímplantna var mjög há, oftast >50% fyrstu 1–2 árin, en ekki var marktækur munur á lifun milli yfirborðsgerða. Samanburður gagna frá árunum 2008 og 2018 sýndi verulegan framgang birkistofnsins á Skeiðarársandi en á óvart komu sterkar vísbendingar um að svæðisbundinn breytileiki væri að þróast, m.a. í vaxtarformi, stærðardreifingu og nýliðun. Tvær tilgátur eru ræddar til útskýringar, annars vegar að þrátt fyrir að Skeiðarársandur sýnist einsleitur, búi hann yfir svæðisbundnum breytileika og því ólíkum skilyrðum fyrir vöxt birkis og hins vegar að breytileikann megi rekja til svæðisbundins munar í arfleifð landnemakynslóðarinna