Modeling size-based reproductive output for dominant perennial graminoids in southwestern ponderosa pine forest ecosystems

Authors

Sade Perez Partridge, School of Forestry, Northern Arizona University, Flagstaff, AZ 86011Follow
Margaret M. Moore, Northern Arizona University, FlagstaffFollow
Daniel C. Laughlin, Department of Botany, University of Wyoming, Laramie, WY 82071Follow
Andrew J. Sánchez Meador, School of Forestry, Northern Arizona University, Flagstaff, AZ 86011; Ecological Restoration Institute, Northern Arizona University, Flagstaff, AZ 86011Follow

Abstract

Understanding plant population dynamics requires demographic data on survival, growth, and reproduction. While survival and growth are relatively straightforward to measure, reproduction can be difficult to quantify, especially for graminoids. To increase our understanding of reproductive output (seed production) for 10 dominant perennial graminoids in southwestern ponderosa pine forest ecosystems, we modeled seed production as a function of 3 plant traits: plant size (basal area cm²), number of flower stalks (log flower stalks), and maximum flower stalk height (cm). We developed generalized linear models to predict the reproductive output (seeds produced) and flowering probability by species as a function of plant size. Then, we demonstrate how these seed production data can be used to parameterize the reproductive output models (fecundity kernels) within a size-structured plant population model (integral projection model). To parameterize the fecundity kernel, we leveraged 19 years (2002–2020) of long-term permanent quadrat vegetation map data to estimate annual and mean recruitment rates and recruit size distributions as a function of plant size for each species. As expected, the number of seeds as a function of plant size exhibited strong positive relationships for 9 of the 10 perennial graminoid species. Recruitment rates for all species over the 19-year period were low (<3%). The fecundity kernels demonstrated that some perennial graminoid species produced recruits from individuals across their size distribution, while other species only produced recruits from large individuals. Our results support the hypothesis that plant size is a reliable predictor of the number of flowering stalks and seed output in long-lived perennial graminoids. These fecundity estimates can then be integrated into long-term demographic studies that track individual growth and survival to generate fully parameterized structured plant population models in the southwestern ponderosa pine understory.


Para entender la dinámica de las poblaciones de plantas se requieren datos demográficos asociados con supervivencia, crecimiento y reproducción. Mientras que la supervivencia y el crecimiento son bastante sencillos de medir, la reproducción puede ser difícil de cuantificar, especialmente en las plantas graminoides. Para incrementar nuestro entendimiento sobre el rendimiento reproductivo (producción de semillas) de 10 especies dominantes y perennes de gramíneas en los ecosistemas de bosques de pino ponderosa del suroeste, modelamos la producción de semillas y su relación con tres características de las plantas: tamaño (área basal en cm²), número de tallos florales (registro de tallos florales) y altura máxima del tallo floral (en cm). Desarrollamos modelos lineales generalizados para predecir el rendimiento reproductivo (semillas producidas) y la probabilidad de floración por especie, y su relación con el tamaño de la planta. Posteriormente, demostramos cómo estos datos de producción de semillas pueden ser utilizados para parametrizar los modelos de rendimiento reproductivo (núcleos de fecundidad) dentro de un modelo de población de plantas estructurado por tamaños (modelo de proyección integral). Para medir los núcleos de fecundidad, utilizamos 19 años (2002–2020) de datos a largo plazo de mapas permanentes de vegetación en cuadrantes, con el fin de estimar las tasas anuales y medias de reclutamiento, así como las distribuciones de tamaño de los individuos reclutados, en función del tamaño de la planta para cada especie. Tal como esperábamos, el número de semillas se relacionó positivamente con el tamaño de la planta en nueve de las diez especies perennes de plantas graminoides. Las tasas de reclutamiento para todas las especies durante el período de 19 años fueron bajas (<3%). Los núcleos de fecundidad demostraron que algunas especies de gramíneas perennes produjeron reclutas a partir de individuos a lo largo de su distribución de tamaño, mientras que otras especies, únicamente produjeron reclutas cuando eran de mayor tamaño. Nuestros resultados apoyan la idea de que el tamaño de la planta es un predictor confiable del número de tallos florales y de la producción de semillas en gramíneas perennes longevas. Estas estimaciones de fecundidad pueden ser integradas en estudios demográficos a largo plazo que rastreen el crecimiento y la supervivencia de individuos, con el objeto de generar modelos poblacionales de plantas estructurados y completamente parametrizados en el sotobosque del pino ponderosa del suroeste.

Recommended Citation

Perez Partridge, Sade; Moore, Margaret M.; Laughlin, Daniel C.; and Sánchez Meador, Andrew J. (2025) "Modeling size-based reproductive output for dominant perennial graminoids in southwestern ponderosa pine forest ecosystems," Western North American Naturalist: Vol. 85: No. 3, Article 3.
Available at: https://scholarsarchive.byu.edu/wnan/vol85/iss3/3