Longevity of arctic and alpine clonal plants

Arctic and alpine regions, characterized by cold climates, are expected to be vulnerable to climate warming and land use change. In these habitats, vegetative reproduction and slow growth enable most plants to survive long periods of time, in which harsh environmental conditions hamper sexual reproduction. Based on the discovery of extremely old plants and the presence of Ôremnant populationsÕ that were found to persist despite negative growth rates, extended longevity of plants is believed to enlarge persistence of populations and to have a positive relationship with ecosystem functioning. The main objectives of this PhD thesis were to assess present knowledge on longevity of clonal plants and the methods used to measure it, as well as to generate high-quality lifespan data for clonal plant species that dominate late-successional alpine-arctic vegetation based on genet size data and annual horizontal growth measurements. Additionally, the results were used to assess population persistence, community stability and ecosystem resilience under past and future global change. The annual horizontal growth measured in the field was compared among species, successional stage, regions and years to investigate the influence of geographically or temporally variable climates.
The lifespan investigations conducted during this thesis revealed extreme longevity for several plants in late-successional vegetation as well as in pioneer sites. With the applied indirect methods, it was possible to observe genet age structures of whole populations that indicated high turn over rates and healthy population dynamics allowing adaptation to changing climates. Clonality, slow growth, longevity and continuous genet turnover all together form the combined strategy of arctic-alpine clonal plants to cope with their harsh environment. In the meantime, they enhance community stability and ensure maximum ecosystem resilience. Therefore, it can be predicted that populations of clonal and long-lived plants will persist despite future climate changes that are not too fast.
This PhD project was part of the European Commission's FP6 ECOCHANGE project "Challenges in assessing and forecasting biodiversity and ecosystem changes in Europe". ---------- Zusammenfassung:
In den arktischen und alpinen Regionen der Welt, wo ein kaltes Klima herrscht, werden starke Veränderungen durch Klimawandel und Landnutzung erwartet. In diesen Lebensräumen ermöglichen vegetative Reproduktion und langsames Wachstum vielen Pflanzen das Überleben über lange Zeitperioden, in denen die rauen Umweltbedingungen eine sexuelle Fortpflanzung behindern. Dank den Entdeckungen von extrem alten Pflanzen und Populationen, die trotz negativer Wachstumsrate Überleben, vermuten wir eine erweiterte Langlebigkeit der Pflanzen. Diese verlängert die Persistenz von Populationen und hat damit einen positiven Effekt auf die Stabilität der Lebensgemeinschaften. Die Hauptziele dieser Dissertation waren eine Zusammenfassung der heutigen Kenntnisse über die Langlebigkeit von klonalen Pflanzen und deren Messmethoden sowie eine qualitativ hochwertige Schätzung des Maximalalters von verschiedenen klonalen Pflanzenarten, welche die arktische und alpine Vegetation in einem späteren Sukzessionsstadium dominieren. Das Maximalalter sollte dabei anhand von Klongrösse und jährlichen horizontalen Zuwachsraten erarbeitet werden. Zudem sollten die Resultate dieser Studien eine Einschätzung der Persistenz der Populationen, der Stabilität der Lebensgemeinschaften und der Resilienz der Ökosysteme unter vergangener und zukünftiger Umweltveränderung erlauben. Die im Feld gemessene jährliche horizontale Zuwachsrate wurde innerhalb der Arten, Sukzessionstadien, geographischen Regionen und zwischen den Jahren verglichen um den Einfluss von geografisch oder zeitlich variierenden Klimabedingungen zu analysieren.
Die durchgeführten Experimente haben eine extreme Langlebigkeit für mehrere Pflanzenarten sowohl in Klimaxvegetation als auch in Pioniervegetation aufgezeigt. Die gefundenen Altersstrukturen weisen auf viel Nachwuchs und eine gesunde Populationsdynamik hin, welche eine Anpassung and Klimeveränderungen erlaubt. Klonalität, langsames Wachstum, Langlebigkeit und kontinuierlicher Nachwuchs formen die kombinierte Strategie von arktisch-alpinen klonalen Pflanzen, mit welcher sie in ihrem rauen Habitat Überleben können. Gleichzeitig verstärken sie damit die Stabilität der Lebensgemeinschaft und erlauben eine maximale Ökosystemresilienz. Daher können wir voraussagen, dass Populationen von klonalen und langlebigen Pflanzen auch unter zukünftigen, nicht all zu schnellen Klimaveränderungen persistieren werden.
Diese Dissertation war Teil des European Commission's FP6 ECOCHANGE project "Challenges in assessing and forecasting biodiversity and ecosystem changes in Europe.