Fire and substrate interact to control the northern range limit of black spruce (Picea mariana) in Alaska

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Abstract:

Black spruce (Picea mariana (Mill.) BSP) is a common treeline species in eastern Canada but rare at treeline in Alaska. We investigated fire and substrate effects on black spruce populations at six sites along a 74km transect in the Brooks Range, Alaska. Our southern sites, on a surface deglaciated>50000years ago, had significantly more acidic soils, more black spruce, and higher seed viability than our northern sites, which were deglaciated approximately 13000years ago. Despite similar fire history at five of our six sites, postfire recruitment dynamics varied with surface age. Sexual reproduction was vigorous in both postfire and nonfire years in populations on the older surface. On the younger surface, vigorous sexual reproduction was restricted to postfire decades and clonal reproduction by branch layering predominated in nonfire years. At the northernmost site, which was unburned, black spruce reproduced almost exclusively by layering. The species’ northern range limit thus reflects an interaction between fire and substrate: on recently deglaciated surfaces, sexual reproduction is restricted to postfire years. This substrate-induced dependence on fire may restrict the range of black spruce to sites that burn sufficiently often to allow occasional sexual reproduction.

L’épinette noire (Picea mariana (Mill.) BSP) est une espèce commune à la limite des arbres dans l’est du Canada mais rare à la limite des arbres en Alaska. Nous avons étudié les effets du feu et du substrat sur les populations d’épinette noire dans six stations le long d’un transect de 74 km dans les monts Brooks, en Alaska. Dans les stations situées au sud, où la glaciation a pris fin il y a plus de 50000 ans, les sols sont significativement plus acides; il y a significativement plus d’épinettes noires et la viabilité des graines est significativement plus élevée que dans les stations situées au nord où la glaciation a pris fin il y a environ 13000 ans. Bien que l’historique des feux soit semblable dans cinq des six stations, la dynamique du recrutement après feu varie avec l’âge de la surface. La reproduction sexuée est vigoureuse dans les populations qui occupent les surfaces plus vieilles, autant lors des années qui suivent un feu que lors des années où l’action du feu est inexistante. Sur la surface plus jeune, une reproduction sexuée vigoureuse est limitée aux décades qui suivent un feu et la reproduction clonale par marcottage prédomine lors des années où l’action du feu est inexistante. Dans la station située le plus au nord, qui n’a pas été brûlée, l’épinette noire se reproduit presque exclusivement par marcottage. La limite nord de l’aire de répartition de l’espèce est par conséquent le reflet d’une interaction entre le feu et le substrat: sur les surfaces où la glaciation a pris fin récemment, la reproduction sexuée est limitée aux années qui suivent un feu. Cette dépendance envers le feu induite par le substrat peut restreindre l’aire de répartition de l’épinette noire aux stations qui brûlent assez souvent pour permettre occasionnellement une reproduction sexuée.

Document Type: Research Article

Publication date: December 1, 2007

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