The Panama Canal Watershed (PCW) represents a special opportunity for studies related to seed dormancy in the tropics with both applied and basic research objectives. There is a clear need for seed information for nursery planning in restoration projects that involves use of a large number of local species. Moreover, the strong rainfall gradient along the 60 km of continuous lowland forest in the PCW represents an excellent opportunity to understand dormancy and its role as an adaptive trait that evolved in response to environmental factors. This study presents useful seed information for 100 tree species native to the PCW. For each species, it includes collection system, fruiting time, seed mass, seed moisture content, germination, and longevity in storage at 20??C. For the first time, an attempt is made to classify (to class sensu Baskin andamp; Baskin 2004) the class of dormancy in seeds of the PCW. An analysis of the relationship between class of dormancy and seed mass, moisture content, longevity, germination patterns, and seasonality is presented. The relationship between class of seed dormancy and longevity and geographical distribution of species within the watershed based on the rainfall gradient was investigated.

Die Rotbuche (Fagus sylvatica L.) ist die bestimmende Baumart der potentiell natürlichen Vegetation in den Wäldern Mittel- und Westeuropas die ökonomisch bedeutsamste Laubbaumart Deutschlands. Obwohl diese spät-sukzessionelle Baumart über eine hohe physiologische Toleranz gegenüber einem weiten Spektrum klimatischer Wuchsbedingungen verfügt, wird die Buche gegenüber anderen temperaten Laubbaumarten als relativ trockensensitiv eingeschätzt. Da im Zuge des globalen Klimawandels mit einer Verschlechterung der klimatischen Wasserbilanz und mit einer Zunahme sommerlicher Trockenperioden gerechnet wird, wird die zukünftige Rolle der Rotbuche in der europäischen Forstwirtschaft derzeit intensiv diskutiert. Diese Studie hatte zum Ziel, hydrologische und klimatische Einflüsse auf die Produktivität und die Vitalität der Rotbuche zu untersuchen. Hierdurch sollen grundlegende Mechanismen der Trockenstressantwort bei dieser trocken-sensitiven Art identifiziert, und Rückschlüsse auf zukünftige Klimaantworten von Buchenbeständen ermöglicht werden. Zu diesem Zweck wurde die ober- und unterirdische Biomasseproduktion von 12 Buchenaltbeständen im Norddeutschen Tiefland entlang eines natürlichen Niederschlagsgradienten (543-816 mm a-1) auf einheitlichem geologischen Substrat ermittelt. Um den zusätzlichen Einfluss der Wasserspeicherkapazität der Böden zu berücksichtigen, wurden Paare von Buchenbeständen untersucht, die unter nahezu identischen klimatischen Bedingungen, jedoch auf Böden unterschiedlicher Textur (sandige versus lehmig-sandige Böden) stockten. Einflüsse der Wasserverfügbarkeit und klimatischer Variationen auf das Wachstum wurden untersucht unter Berücksichtigung (i) der gesamten ober- und unterirdischen Biomasseproduktion, (ii) der Dynamik von Ressourcen-Allokation und Kohlenstoff-Partitionierung, sowie (iii) der Morphologie wasseraufnehmender und -abgebender Oberflächen. Unerwarteterweise zeigte sich die gesamte Produktivität von Buchen-Altbeständen nur geringfügig von Veränderungen der hydrologischen Regime entlang des Gradienten beeinflusst. Trotz deutlicher Unterschiede in der jährlichen Wasserverfügbarkeit nahmen die oberirdische und die gesamte Biomasseproduktion auf den trockeneren Flächen des Transektes nicht ab. Allerdings führten ausgeprägte früh-sommerliche Wasserdefizite (in den Monaten Juni und Juli) zu deutlichen Einbußen der oberirdischen Biomasseproduktion, und insbesondere der Stammholzproduktion. Entlang des untersuchten Gradienten konnte eine ausgeprägte, kontinuierliche Verschiebung der Allokationsmuster festgestellt werden: Mit abnehmender Wasserverfügbarkeit nahm die Feinwurzelproduktion zu und das Verhältnis von oberirdischer:unterirdischer Biomasseproduktion ab. Anders als oberirdische Komponenten zeigte die Feinwurzelproduktion eine hohe Sensibilität gegenüber Unterschieden hinsichtlich hydrologischer Regime. In Übereinstimmung mit der Optimalitätstheorie der pflanzlichen Ressourcennutzung konnte dieses Allokationsverhalten in sowohl in Reaktion auf veränderte Niederschläge, als auch in Antwort auf auch veränderte Wasserspeicherkapazitäten beobachtet werden. Allokative Anpassungsmechanismen an Wassermangel wurden im Feinwurzelbereich zusätzlich durch morphologische Plastizität (Zunahme im Verhältnis von Oberfläche: Biomasse) und durch Regulierung der räumlichen Verteilung (zunehmende Konzentrierung von Feinwurzeln in der organischen Auflage) komplementiert. Im Gegensatz zu diesen komplexen unterirdischen Trockenheits-Antworten konnten keinerlei Anpassungen der Blattmorphologie an veränderte hydrologische Bedingungen festgestellt werden. Neben Reaktionen auf Wasserverfügbarkeit wurde die Fruchtbildung als zweiter wesentlicher Einfluss auf das Allokationsverhalten der Buche erkannt. Eine deutliche Ressourcen-Allokation zu Gunsten der Fruchtentwicklung beeinträchtigte maßgeblich das oberirdische vegetative Wachstum, insbesondere den Stammholzzuwachs. Auf Grund einer hohen Attraktionsstärke der Früchte gegenüber C und N führte zunehmende Fruktifizierung auch zu einer Gewichts- (und Größen-) Abnahme der Einzelblätter und somit zu reduzierter Bildung von Blattmasse und Bestandesblattfläche (LAI). Neben dieser Abnahme an assimilierender Blattoberfläche führte auch eine deutliche Senkung der Blatt-Stickstoffgehalte in Folge der reproduktiven Ressourcenwidmung mutmaßlich zu einer Verschlechterung der C-Bilanz, sowohl im Mast- als auch im Folgejahr. Eine Analyse klimatischer Einflussfaktoren auf das Mastverhalten legt nahe, dass die Blütenbildung der Buche durch Überschreitung eines Schwellenwertes der Kohlenstoffassimilation im Frühsommer (Juni-Juli) induziert wird. Sofern diese Schlüsse zutreffen, unterliegt das zeitliche Muster der Fruktifikations-Antwort auf Witterungsauslöser einer Rückkopplungskontrolle durch pflanzliche Stickstoff-Dynamik. Vor dem Hintergrund anhaltend erhöhter Stickstoffdepositionen ergäbe sich aus diesem Mechanismus eine zusätzliche Belastung für das zukünftige vegetative Wachstum der Buche. Es ist anzunehmen, dass die in dieser Studie belegte hohe allokative Plastizität in Altbäumen Fagus sylvatica dazu befähigt, ihre hohe Konkurrenzkraft in einem breiten Spektrum hydrologischer Regime zu entfalten. Darüber hinaus werden die hier dargestellten Mechanismen einer langfristigen Trockenheitsanpassung mutmaßlich zu einer gesteigerten Resistenz und Resilienz von Buchen-Altbeständen gegenüber Ereignissen extremer Sommertrockenheit beitragen.

Climate change and introduced species are among the top five threats to freshwater systems face. Tropical regions are considered to be especially sensitive to the effects of climate change, while island systems are more susceptible to species introductions. Climate-driven changes in rainfall are predicted to decrease streamflow and increase flash flooding in many tropical streams. In addition, guppies (Poecilia reticulata), an invasive fish, have been introduced to many tropical freshwater ecosystems, either intentionally for mosquito population control, or accidentally because of the aquarium trade. This dissertation examines the effects of climate-driven change in rainfall and introduced guppies on stream structure (resource and invertebrate biomass and composition) and function (nutrient recycling) in Trinidad and Hawaii. In the first data chapter we used a time series to examine how nutrient recycling of guppies changes in the first 6 years after introduction to a new habitat and to examine drivers of these changes. We found that when guppy populations establish in a new environment, they show considerable variation in nutrient recycling through time. This resulted from changes in guppy density in the first two years of introductions, and changes in individual excretion in subsequent stages. In the following chapter we utilized a rainfall gradient that mimics forecasted, climate-driven changes in precipitation and resulting changes in streamflow to examine the effects of climate change on stream food resources and macroinvertebrates. We found that the drying of streams across the gradient was associated with a decrease in resource quality and a 35-fold decline in macroinvertebrate biomass. Invertebrate composition also switched to taxa with faster turnover rates. In the third data chapter we used this same space-for-time substitution approach to determine if climate-driven changes in stream structure also affected stream function. We showed that population nutrient recycling rates declined at the drier end of our rainfall gradient as a result of drops in population densities. We also found that under the current climate scenario, community excretion supplied up to 70% of the nutrient demand, which was ten-fold lower with projected climate changes in streamflow. Lastly, since freshwater ecosystems often face multiple human impacts, including climate change and invasive species, we wanted to understand how climate-driven changes in flow might alter the impact of introduced guppies on stream ecosystems. We selected several streams with guppies and several without guppies along the Hawaii rainfall gradient to examine if the effect of guppies changed with differences in streamflow. We found that the two stressors had synergistic effects on macroinvertebrate biomass and nutrient recycling rates. We concluded that climate change appeared to enhance effects of guppies, through direct and indirect effects. Overall, this dissertation shows that both climate change and species invasion can affect stream ecosystems at multiple levels of organization. This dissertation demonstrates that the effects of anthropogenic stressors are not static through time, and emphasizes the need and utility of using several methodological approaches when measuring the temporal effects of stressors. We also underline the significance of assessing multiple stressor interactions, as more than one stressor often impacts ecosystems. / Graduate / 2019-09-01

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