The patch mosaic and ecological decomposition across spatial scales in a managed landscape of northern Wisconsin, USA

Summary Understanding landscape organization across scales is vital for determining the impacts of management and retaining structurally and functionally diverse ecosystems. We studied the relationships of a functional variable, decomposition, to microclimatic, vegetative and structural features at multiple scales in two distinct landscapes of northern Wisconsin, USA. We hoped to elucidate any characteristic resolutions of structure-process relationships on these landscapes, and to determine the validity of extrapolation of structure-process associations across scales and management regimes. We used a combination of ANOVA, wavelet, canonical discriminant, and correlation analyses and asked specifically whether: 1) specific combinations of microclimatic, structural, and vegetative features were consistently associated with differences in decomposition among management zones along transects (i.e., within landscapes); and 2) factors influencing decomposition were consistent among resolutions of analysis and depths within and between landscapes. Decomposition was greater on the pine barrens than the small block transect and greater at 4 cm depth than at the surface for both landscapes. Significant differences in decomposition occurred among management patches for both transects and depths, except 4 cm along the pine barrens. In general decomposition was faster for patch types with greater overstory cover at 1 cm (both transects) and lower at 4 cm (small block). Canonical discriminant analysis also separated management patches by overstory cover for both transects. Secondary vectors also separated patches along both transects by microclimate, independent from overstory effects on those variables. Dominant resolutions in the patterns of decomposition differed between transects and depths: 80 m (pine barrens, 1 cm); 500 m (pine barrens 4 cm); 160 m (small block, 1 cm); and 750 m (small block, 4 cm). At the 1 cm depth, the strongest correlations of wavelet transforms of decomposition with structural, microclimatic, and vegetation variables often differed in resolution from those dominant in the decomposition patterns. At the 4 cm depths, many of the strongest correlations occurred at the maximum resolutions examined. Although many important correlates differed between transects and depths within a transect, there were some consistencies. On both transects, surface and soil temperatures were strongly correlated (|r| > 0.40) with decomposition; soil temperatures were stronger correlates along the small block. The direction of association between decomposition and temperatures changed with depth, being negative at 1 cm and positive at 4 cm for both transects. Overstory was an important correlate (|r| > 0.50) for 3 of 4 transect-depth combinations. On both transects, correlations between decomposition and overstory peaked at different resolutions and were different signs (positive at 1 cm and negative at 4 cm) for the two decomposition depths. Along the pine barrens but not the small block, there were two peaks of resolutions of correlation that appeared consistently across variables. Thus, correlates of decomposition changed with scale as well as depth and management regime. This suggests that factors other than management may still be maintaining decomposition patterns on the landscapes. Further, patterns in and relationships to process variables should be examined at multiple scales to develop a comprehensive understanding of the mechanisms driving functional heterogeneity. Das Verstandnis der Landschaftsorganisation ist entscheidend fur die Bestimmung der Auswirkungen von Management und fur den Erhalt von strukturell und funktionell diversen Okosystemen. Wir untersuchten die Beziehungen zwischen einer funktionellen Variablen, der Zersetzung, und mikroklimatischen, Vegetations- und Struktureigenschaften auf multiplen Skalen in zwei unterschiedlichen Landschaften im nordlichen Wisconsin, USA. Wir hofften, charakteristische Losungen fur Struktur-Prozes-Beziehungen in den Landschaften aufzuklaren, sowie die Gultigkeit von Extrapolationen von Struktur-Prozess-Beziehungen uber Skalen und Management-Regimes zu bestimmen. Wir nutzten eine Kombination von ANOVA, “wavelet”-, kanonischer Diskriminanz- und Korrelationsanalysen und fragten uns insbesondere: (1) ob spezielle Kombinationen von mikroklimatischen, strukturellen und Vegetationseigenschaften durchweg mit Unterschieden in der Zersetzung zwischen den Managementzonen entlang der Transekte (d.h. innerhalb der Landschaften) verbunden waren; und (2) ob es bei verschiedenen Auflosungen der Analysen und Tiefen innerhalb und zwischen den Landschaften durchgangige Faktoren waren, die die Zersetzung beeinflusten. Die Zersetzung war in den beiden Landschaften in den Kieferodlandern groser als in den “small block”-Transekten; und in 4 cm Tiefe groser als an der Oberflache. Signifikante Unterschiede in der Zersetzung traten zwischen “Management-patches” sowohl fur die Transekte als auch die Tiefen auf; mit Ausnahme der 4 cm Tiefe in den Kieferodlandern. Im Allgemeinen war die Zersetzung in den “patch”-Typen mit groserer Oberholz-Deckung (overstorey) bei 1 cm schneller (beide Transekte), und bei 4 cm geringer (“small block”-Transekt). Die Kanonische Diskriminanzanalyse trennte ebenfalls gemanagte “patches” nach der Oberholz-Deckung bei beiden Transekten. Sekundare Vektoren) trennten ebenfalls “patches” nach dem Mikroklima, unabhangig vom Oberholz-Einfluss auf diese Variablen. Die dominanten Auflosungen in den Mustern der Zersetzung unterschieden sich zwischen den Transekten und Tiefen: 80 m (Kieferodlander, 1cm), 500 m (Kieferodlander, 4 cm), 160 m (“small block”-Transekt, 1 cm) und 750 m (“small block”-Transekt, 4 cm). Bei 1 cm Tiefe unterschieden sich die starksten Korrelationen der “wavelet”-Transformation der Zersetzung mit strukturellen, mikroklimatischen und Vegetationsvariablen haufig in der Auflosung von denen, die dominant in den Zersetzungsmustern waren. Bei 4 cm Tiefe fanden sich viele der starksten Korrelationen bei der maximalen betrachteten Auflosung. Obwohl sich viele, wichtige korrelierende Variablen (correlates) zwischen den Transekten und den Tiefen innerhalb eines Transektes unterschieden, gab es einige Gemeinsamkeiten. Auf beiden Transekten waren Oberflachen- und Bodentemperatur stark mit der Zersetzung korreliert (|r| > 0.40); die Bodentemperaturen waren die starker korrelierenden Variablen entlang des “small block”-Transekts. Die Richtung der Beziehung zwischen der Zersetzung und der Temperatur anderte sich mit der Tiefe und war negativ in 1 cm und positiv in 4 cm Tiefe bei beiden Transekten. Oberholz war eine wichtige korrelierende Variable (|r| > 0.50) bei 3 von 4 Transekt-Tiefen-Kombinationen. Bei beiden Transekten erreichten die Korrelationen zwischen Zersetzung und Oberholz ihren Hohepunkt bei verschiedenen Auflosungen und zeigten unterschiedliche Vorzeichen fur die beiden Zersetzungstiefen (positiv bei 1 cm, negativ bei 4 cm Tiefe). Entlang der Kieferodlander, jedoch nicht entlang des “small block”-Transekts, gab es zwei Hohepunkte der Auflosung der Korrelation, die bei den Variablen durchweg auftraten. Somit anderten sich die korrelierenden Variablen sowohl mit der Skala als auch mit der Tiefe und dem Management-Regime. Das legt nahe, dass andere Faktoren als das Management die Zersetzungs-Muster in den Landschaften aufrechterhalten. Weiterhin sollten Muster in und Beziehungen zwischen den Prozes-Variablen auf multiplen Skalen untersucht werden, um ein umfassendes Verstandnis der Mechanismen zu entwickeln, die die funktionelle Heterogenitat vorantreiben.