Tree seedling growth, survival, and morphology in response to landscape-level variation in soil resource availability in northern Michigan

To investigate causes of tree species distributions across soil resources in northern Michigan, we conducted a seedling transplant experiment with five species showing different site affinities: Acer saccharum Marsh. (sugar maple), Prunus serotina Ehrh. (black cherry), and Fraxinus americana L. (white ash), which are associated with high-fertility mesic moraine; Quercus rubra L. (red oak), associated with intermediate sites; and Quercus velutina Lam. (black oak), associated with low-fertility droughty outwash sites. Seedlings were planted in plots stratified across variation in light and soil nutrient and water availability. After one growing season, under 14%–27% canopy openness, species tended to trade off between high survival on outwash versus high relative growth rate of root + stem mass (RGRrs) on moraine. The high survivorship of black and red oak on outwash was associated with greater root and whole-plant mass in comparison with sugar maple, white ash, and black cherry. High RGRrs on high-fertility moraine for these latter species was associated with high fine root area per unit whole-plant mass and plasticity to increase specific root area in response to increased soil resources. We did not detect a similar survival–growth trade-off for seedlings grown at lower light (3%–10%) on intermediate versus high-fertility sites. Overall, these results suggest that species distributions across soil resource gradients can in part be explained by a trade-off between tolerance of low soil resources versus competitive ability (i.e., growth) under high soil resources. Résumé : Pour examiner les causes de la distribution des espèces d’arbres selon les ressources édaphiques dans le nord du Michigan, les auteurs ont mené une expérience de transplantation de semis avec cinq espèces montrant différentes affinités quant au site : Acer saccharum Marsh. (érable à sucre), Prunus serotina Ehrh. (cerisier tardif) et Fraxinus americana L. (frêne blanc) qui sont associés à des moraines mésiques très fertiles; Quercus rubra L. (chêne rouge) qui est associé à des sites intermédiaires; et Quercus velutina Lam. (chêne noir) qui est associé à des sites secs et peu fertiles sur des dépôts fluvio-glaciaires. Les semis ont été plantés dans des parcelles stratifiées en fonction des variations dans la disponibilité de la lumière, des éléments nutritifs du sol et de l’eau. Après une saison de croissance sous 14 % – 27 % d’ouverture de la canopée, les espèces avaient tendance à faire un compromis entre un taux élevé de survie sur les dépôts fluvio-glaciaires et un taux élevé de croissance relative de la masse racinaire et caulinaire (TCRrc) sur la moraine. Le taux élevé de survie du chêne noir et du chêne rouge sur les dépôts fluvio-glaciaires était associé à une plus grande masse de racines et de toute la plante comparativement à l’érable à sucre, au frêne blanc et au cerisier tardif. Le TCRrc élevé de ces dernières espèces sur la moraine très fertile était associé à une importante surface de racines fines par unité de masse de toute la plante et à une plasticité permettant d’augmenter la surface racinaire spécifique (SRS) en réponse à l’augmentation des ressources édaphiques. Ils n’ont pas détecté de compromis similaire entre la survie et la croissance chez des semis cultivés avec moins de lumière (3 % – 10 %) sur les sites de fertilité intermédiaire comparativement aux sites très fertiles. Dans l’ensemble, ces résultats indiquent que la distribution des espèces en fonction des gradients de ressources édaphiques peut être expliquée en partie par un compromis entre la tolérance face à des ressources édaphiques déficientes et la capacité compétitive (c.-à-d., la croissance) en présence de ressources édaphiques abondantes. [Traduit par la Rédaction] Schreeg et al. 273