Matrix Models as a Tool for Understanding Invasive Plant and Native Plant Interactions

: Demographic matrix models are an increasingly standard way to evaluate the effects of different impacts and management approaches on species of concern. Although invasive species are now considered among the greatest threats to biodiversity, matrix methods have been little used to explore and integrate the potentially complicated effects of invasions on native species. I developed stage-structured models to assess the impacts of invasive grasses on population growth and persistence of a federally listed (U.S.A.) endemic plant, the Antioch Dunes evening primrose (Oenothera deltoides subsp. howellii [Munz] W. Klein). I used these models to evaluate two frequently made assumptions: (1) when rare plant populations decline in invaded habitats, invasive species are the cause and (2) invasive plants suppress rare plants primarily through direct resource competition. I compared two control and two removal matrices based on previous experimental work that showed variable effects of invasive grasses on different life-history stages of O. deltoides. Matrix analysis showed that these effects translated into substantial changes in population growth rates and persistence, with control matrices predicting a mean stochastic population growth rate (λ) of 0.86 and removal matrices predicting growth rates from 0.92 to 0.93. Yet even the most optimistic invasive removal scenarios predicted rapid decline and a probability of extinction near one in the next 100 years. Competitive suppression of seedlings had much smaller effects on growth rates than did lowered germination, which probably resulted from thatch accumulation and reduced soil disturbance. These results indicate that although invasive grasses have important effects on the population growth of this rare plant, invasion impacts are not solely responsible for observed declines and are likely to be interacting with other factors such as habitat degradation. Further, changes in the disturbance regime may be as important a mechanism creating these impacts as direct resource competition. My results highlight the value of demographic modeling approaches in creating an integrated assessment of the threats posed by invasive species and the need for more mechanistic studies of invasive plant interactions with native plants. Resumen: Los modelos demograficos matriciales son una forma cada vez mas utilizada para evaluar los efectos de diferentes impactos y metodos de gestion sobre las especies en cuestion. Aunque actualmente se considera a las plantas invasoras entre las mayores amenazas a la biodiversidad, los modelos matriciales han sido poco utilizados para explorar e integrar los efectos potencialmente complicados de las invasiones sobre las especies nativas. Desarrolle modelos estructurados por etapas para evaluar los impactos de pastos invasores sobre el crecimiento poblacional y la persistencia de una especie de planta endemica, enlistada federalmente (E.U.A.), Oenothera deltoides ssp. howellii [Munz] W. Klein. Utilice estos modelos para evaluar dos suposiciones frecuentes: (1) cuando las poblaciones de plantas raras declinan en habitats invadidos, las especies invasoras son la causa y (2) las plantas invasoras suprimen a las plantas raras principalmente mediante la competencia directa por recursos. Compare dos matrices de control y dos de remocion con base en trabajo experimental previo que mostro efectos variables de los pastos invasores sobre las diferentes etapas de la historia de vida de O. deltoides. El analisis de la matriz mostro que estos efectos se tradujeron en cambios sustanciales en las tasas de crecimiento y persistencia de la poblacion, las matrices de control predijeron una tasa media de crecimiento poblacional estocastica (λ) de 0.86 y las matrices de remocion predijeron tasas de crecimiento de 0.92-0.93. Aun los escenarios mas optimistas de remocion de invasores predijeron una rapida declinacion y una probabilidad de extincion en 100 anos cerca de uno. La supresion competitiva de plantulas tuvo mucho menor efecto sobre las tasas de crecimiento que la disminucion en la germinacion, que probablemente resulto de la acumulacion de paja y reduccion en la perturbacion del suelo. Estos resultados indican que, aunque los pastos invasores tienen efectos importantes sobre el crecimiento poblacional de esta planta rara, los impactos de la invasion no son los unicos responsables de las declinaciones observadas y probablemente estan interactuando con otros factores como la degradacion del habitat. Mas aun, los cambios en el regimen de perturbacion pueden ser un mecanismo tan importante en la creacion de estos impactos como la competencia directa por recursos. Mis resultados resaltan el valor del enfoque de los modelos demograficos para la evaluacion integral de las amenazas de especies invasoras y la necesidad de estudios mas mecanicistas de las interacciones de plantas invasoras con plantas nativas.