The impact of fragmentation and density regulation on forest succession in the Atlantic rain forest

The Atlantic Rain Forest, an important biodiversity hot spot, has faced severe habitat loss since the last century which has resulted in a highly fragmented landscape with a large number of small forest patches (<100 ha). For conservation planning it is essential to understand how current and future forest regeneration depends on ecological processes, fragment size and the connection to the regional seed pool. We have investigated the following questions by applying the forest growth simulation model FORMIND to the situation of the Atlantic Forest in the state of Sao Paulo, SE Brazil: (1) which set of parameters describing the local regeneration and level of density regulation can reproduce the biomass distribution and stem density of an old growth forest in a reserve? (2) Which additional processes apart from those describing the dynamics of an old growth forest, drive forest succession of small isolated fragments? (3) Which role does external seed input play during succession? Therefore, more than 300 tree species have been classified into nine plant functional types (PFTs), which are characterized by maximum potential height and shade tolerance. We differentiate between two seed dispersal modes: (i) local dispersal, i.e. all seedlings originated from fertile trees within the simulated area and (ii) external seed rain. Local seed dispersal has been parameterized following the pattern oriented approach, using biomass estimates of old growth forest. We have found that moderate density regulation is essential to achieve coexistence for a broad range of regeneration parameters. Considering the expected uncertainty and variability in the regeneration processes it is important that the forest dynamics are robust to variations in the regeneration parameters. Furthermore, edge effects such as increased mortality at the border and external seed rain have been necessary to reproduce the patterns for small isolated fragments. Overall, simulated biomass is much lower in the fragments compared to the continuous forest, whereas shade tolerant species are affected most strongly by fragmentation. Our simulations can supplement empirical studies by extrapolating local knowledge on edge effects of fragments to larger temporal and spatial scales. In particular our results show the importance of external seed rain and therefore highlight the importance of structural connectivity between regenerating fragments and mature forest stands. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Relative effect of litter quality, forest type and their interaction on leaf decomposition in south-east Brazilian forests

Decomposition was studied in a reciprocal litter transplant experiment to examine the effects of forest type, litter quality and their interaction on leaf decomposition in four tropical forests in south-east Brazil. Litterbags were used to measure decomposition of leaves of one tree species from each forest type: Calophyllum brasiliense from restinga forest; Guapira opposita from Atlantic forest; Esenbeckia leiocarpa from semi-deciduous forest; and Copaifera langsdorffii from cerradao. Decomposition rates in rain forests (Atlantic and restinga) were twice as fast as those in seasonal forests (semi-deciduous and cerradao), suggesting that intensity and distribution of precipitation are important predictors of decomposition rates at regional scales. Decomposition rates varied by species, in the following order: E. leiocarpa > C. langsdorffii > G. opposita > C. brasiliense. However, there was no correlation between decomposition rates and chemical litter quality parameters: C:N, C:P, lignin concentration and lignin:N. The interaction between forest type and litter quality was positive mainly because C. langsdorffii decomposed faster than expected in its native forest. This is a potential indication of a decomposer`s adaptation to specific substrates in a tropical forest. These findings suggest that besides climate, interactions between decomposers and plants might play an essential role in decomposition processes and it must be better understood.

Fragmentation drives tropical forest fragments to early successional states: A modelling study for Brazilian Atlantic forests

Land use leads to massive habitat destruction and fragmentation in tropical forests. Despite its global dimensions the effects of fragmentation on ecosystem dynamics are not well understood due to the complexity of the problem. We present a simulation analysis performed by the individual-based model FORMIND. The model was applied to the Brazilian Atlantic Forest, one of the world`s biodiversity hot spots, at the Plateau of Sao Paulo. This study investigates the long-term effects of fragmentation processes on structure and dynamics of different sized remnant tropical forest fragments (1-100 ha) at community and plant functional type (PFT) level. We disentangle the interplay of single effects of different key fragmentation processes (edge mortality, increased mortality of large trees, local seed loss and external seed rain) using simulation experiments in a full factorial design. Our analysis reveals that particularly small forest fragments below 25 ha suffer substantial structural changes, biomass and biodiversity loss in the long term. At community level biomass is reduced up to 60%. Two thirds of the mid- and late-successional species groups, especially shade-tolerant (late successional climax) species groups are prone of extinction in small fragments. The shade-tolerant species groups were most strongly affected; its tree number was reduced more than 60% mainly by increased edge mortality. This process proved to be the most powerful of those investigated, explaining alone more than 80% of the changes observed for this group. External seed rain was able to compensate approximately 30% of the observed fragmentation effects for shade-tolerant species. Our results suggest that tropical forest fragments will suffer strong structural changes in the long term, leading to tree species impoverishment. They may reach a new equilibrium with a substantially reduced subset of the initial species pool, and are driven towards an earlier successional state. The natural regeneration potential of a landscape scattered with forest fragments appears to be limited, as external seed rain is not able to fully compensate for the observed fragmentation-induced changes. Our findings suggest basic recommendations for the management of fragmented tropical forest landscapes. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Anthocyanins and tannins in ozone-fumigated guava trees

Psidium guajava ""Paluma"", a tropical tree species, is known to be an efficient ozone indicator in tropical countries. When exposed to ozone, this species displays a characteristic leaf injury identified by inter-veinal red stippling on adaxial leaf surfaces. Following 30 days of three ozone treatments consisting of carbon filtered air (CF - AOT40 = 17 ppb h), ambient non-filtered air (NF - AOT40 = 542 ppb h) and ambient non-filtered air + 40 ppb ozone (NF + O(3) - AOT40 - 7802 ppb h), the amounts of residual anthocyanins and tannins present in 10 P. guajava (""Paluma"") saplings were quantified. Higher amounts of anthocyanins were found in the NF + O(3) treatment (1.6%) when compared to the CF (0.97%) and NF (1.30%) (p < 0.05), and of total tannins in the NF + O(3) treatment (0.16%) compared to the CIF (0.14%). Condensed tannins showed the same tendency as enhanced amounts. Regression analyses using amounts of tannins and anthocyanins, AOT40 and the leaf injury index (LII), showed a correlation between the leaf injury index and quantities of anthocyanins and total tannins. These results are in accordance with the association between the incidence of red-stippled leaves and ozone polluted environments. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

O componente arbóreo de matas de restinga arenosa no Parque Estadual de Itapuã, Rio Grande do Sul : fitossociologia, regeneração e padrões de interações mutualistas com a avifauna

Esta dissertação teve como objetivo geral ampliar o conhecimento sobre a ecologia vegetal das matas de Restinga arenosa em substratos bem drenados no Rio Grande do Sul. Para tanto, foram realizados o estudo florístico e fitossociológico do componente arbóreo de cinco capões de Restinga e a verificação de padrões de interações mutualísticas entre aves frugívoras e as árvores, além do estudo do componente de regeneração e suas relações com o estrato arbóreo adulto. Para a amostragem da vegetação, foi usado o método de parcelas, incluindo-se todas as árvores com DAP ≥ 5cm, totalizando uma área de 1,02ha. Com estes dados, foram estimados os parâmetros usuais em fitossociologia. Em um dos capões, foi realizado também o levantamento florístico e fitossociológico das plântulas (0,05 ≤ altura < 1m) e juvenis (altura ≥ 1m, DAP < 5cm), avaliando-se as relações com o estrato arbóreo adulto, o potencial e a taxa de regeneração natural para cada espécie. Para o estudo dos mutualismos, foram feitas observações visuais e capturas de aves durante um ano. Foram estimadas a conectância do sistema mutualístico e o índice de importância das espécies. Também foi feita a rede de interações do sistema e feita a análise da variação destas interações ao longo das estações do ano. A composição florística resultou em uma riqueza total de 20 famílias e 29 espécies para os cinco capões. A densidade total arbórea teve uma média máxima de 1207 ind/ha e mínima de 747 ind/ha. Sebastiania serrata apresentou o maior valor de importância e Myrtaceae foi a família mais representada. A diversidade específica foi baixa, variando de 1,08 a 2,38 (nats). No sistema mutualístico, registraram-se 29 espécies interagindo (aves e plantas), com uma conectância de 23,9%. Turdus amaurochalinus e T. rufiventris interagiram com a maioria das espécies arbóreas e tiveram o maior índice de importância, sendo caracterizadas como as principais dispersoras em potencial. Ocotea pulchella e Myrsine spp. foram registradas com maior número de eventos de consumo de frutos, no entanto, Ficus organesis interagiu com mais espécies frugívoras, além de ter a maior importância na dieta das aves. Houve variações no número eventos de frugivoria ao longo das estações, bem como no número de espécies frugívoras e de espécies arbóreas consumidas. O componente de regeneração apresentou riqueza específica e diversidade semelhantes às do estrato arbóreo adulto, refletindo uma similaridade florística maior que 70%. A maioria das espécies (73,7%) apresentou taxa de regeneração negativa, revelando o padrão de 'J' invertido. Os resultados indicam a existência de diferenças na composição e estrutura arbórea entre os capões de Restinga, além de uma boa capacidade de regeneração para a maioria das espécies vegetais estudadas. Os dados revelam também um sistema dispersão generalista, no qual poucas espécies de aves interagem com muitas espécies arbóreas e vice-versa.

Morfo-anatomia de plântulas e número cromossômico de Cybistax antisyphilitica (Mart.) Mart. (Bignoniaceae)

Plântulas de Cybistax antisyphilitica (ipê-verde), espécie arbórea que ocorre no Estado de São Paulo, Brasil, foram estudadas morfoanatomicamente e citogeneticamente. As plântulas são eudicotiledôneas, fanerocotiledonares e epigéias. Suas sementes apresentam alas hialinas, assimétricas e de textura papirácea. A raiz é axial com tecido epidérmico irregular. O hipocótilo é verde, glabro e apresenta os elementos do xilema em diferenciação. Os cotilédones são verdes, foliáceos, reniformes, com mesofilo heterogêneo, epiderme pilosa e feixes vasculares colaterais. Os eófilos são glabros, peciolados, de filotaxia oposta, dorsiventrais, hipoestomáticos e possuem mesofilo heterogêneo e assimétrico. Não há diferenças anatômicas significativas entre os eófilos e os metáfilos. O sistema vascular do pecíolo dos metáfilos dispõe-se em forma de ferradura. A espécie apresenta número cromossômico mitótico 2n = 40 com comprimento cromossômico geral médio de 1,042 µm ± 0,140 e amplitude variando de 0,58 µm até 1,60 µm.

Mobilização de reservas e partição de metabólitos durante a germinação da semente e o estabelecimento da plântula em moringa

Seed germination and seedling establishment are critical processes for commercial plantation and depend directly on reserve mobilization as a source of cellular fuels and biosynthetic precursors. In this way, we investigated the coordination among reserve mobilization, metabolite partitioning, and mobilizing enzyme activities in Moringa oleifera Lam (moringa) an oil-seeded species employed in biofuel production. Seeds were germinated under controlled conditions and seedlings were grown hydroponically at a greenhouse. Samples were harvested at 0, 4, 8, 10, 12, 16, and 20 days after imbibition (DAI). The contents of dry mass (DM), neutral lipids (NL), soluble proteins (SP), starch, total soluble sugars (TSS), non-reducing sugars (NRS), and total free amino acids (TFAA) as the activity of isocitrate lyase (ICL), acid proteases, and amylases were determined. The mobilization of storage proteins was initiated during seed germination whereas the mobilization of storage lipids and starch was triggered throughout seedling establishment although all reserves have been depleted until 20 DAI. The partitioning of DM and metabolites to the roots and the shoots was uneven during seedling establishment. Low shoot/root ratio on the basis of DM could be related to the natural occurrence of moringa in drought climates. In the roots, TSS, NRS, and TFAA were accumulated from 12 to 16 DAI and then were consumed until the end of the experiment. In the shoots, TSS and TFAA were consumed in parallel with NRS accumulation from 12 to 20 DAI. The activity of ICL, acid proteases, and amylases was coordinated with the mobilization of lipids, proteins and starch respectively. Thus, we propose that the patterns of reserve mobilization and metabolite partitioning verified in moringa seem distinct from those found to other tree species and may be involved in metabolic strategies to enable environment colonization

Caracterização ecofisiológica de sementes de espécies lenhosas da Caatinga

Dormancy is an inherent property of the seeds that define the environmental conditions in which they are able to germinate and their presence is an adaptive trait common in species inhabiting semiarid regions. Moreover, the ability of seedling establishment in these environments has been related to the size, strength and chemical characteristics of the seeds. This study investigated patterns of dormancy and germination speed in tree species of the Caatinga, exploring how the seed size influence the processes of germination, seedling size and biomass allocation. In addition, we aim to investigate the chemical characteristics of the reserves, to verify a possible relationship between nutritional content and the process of seed germination. Therefore, seeds were collected from ten species of woody Caatinga for tests of breaking dormancy, germination and biochemical characterization. Overall, the results show that the scarification treatments mechanical and chemical, and thermal shock influenced the percentage and speed of germination in 50 % of the species, suggesting that they have some level of physical dormancy in the seeds. Biochemical characterization showed the existence of large amounts of carbohydrates in the seeds of all species, low proportion of protein and low amounts of neutral lipids. Using linear regression, we demonstrated the existence of a significant relationship between seed size and the ratio of root/shoot where the largest seeds invested a greater amount of resources for shoot growth. The relationship between germination speed and non-reducing sugar content was also significant, so these compounds is related to the maintenance of physiological seed quality. These results confirm some relationships discussed in the literature for cultivated species, but can be applied to the species native to the Caatinga

Effect of wounds applied to the bases of herbaceous cuttings on the rooting of four Japanese apricot clones (Prunus mume Sieb. et Zucc.) in an intermittent mist system

The Japanese apricot (Prunus mume Sieb. et Zucc.) is a fruit tree of the Rosaceae family which produces very acid and bitter fruits, highly appreciated by Orientals. In Brazil, this species has been studied as a rootstock for peach and nectarine trees, its main advantage being the reduction in plant vigour, which can favour the production of compact trees and orchard cultural treatments. This study was conducted in the Vegetable Production Department of FCAV/UNESP, Jaboticabal Campus, São Paulo State, Brazil, and the objective was to examine the effect of wounding the herbaceous cutting bases on the rooting of four Japanese apricot clones. The clones were obtained from plants under cultivation in the Instituto Agronomico de Campinas, Brazil, and were identified as Clones 02, 05, 10 and 15. The stock plants, obtained through herbaceous cuttings, were maintained under lath house conditions (50% of natural light). Cuttings 12 cm long with 3 to 5 leaves were collected from these clones and prepared. The experiment was carried out in a completely randomised design with 4 repetitions of 20 cuttings per replication, in a factorial 4 x 2 design, the clone factor having 4 levels (Clones 02, 05, 10 and 15) and the wounding factor at 2 levels of incisions into the cutting base (with and without). All the cuttings were treated with 2000 mg.L-1 of IBA for five seconds. Differences between the clones were observed concerning the rooting percentage, dead cuttings, number and length of roots. The incision (wound) at the base of the herbaceous cuttings of the Japanese apricot increased the number of roots and improved the distribution of these in the damaged tissue but the results were not considered sufficiently beneficial to make the treatment worthwhile.

Superação de dormência de sementes de Piptadenia moniliformis Benth

O angico-de-bezerro (Piptadenia moniliformis Benth.) é uma espécie arbórea melífera, de crescimento rápido, característica da caatinga do nordeste brasileiro, onde é muito abundante e com dispersão contígua e irregular. Seus ramos finos, junto com as folhas, servem como alimento para animais. Como suas sementes apresentam dormência por impermeabilidade do tegumento à água, objetivou-se neste trabalho avaliar a eficiência de tratamentos pré-germinativos para superar a dormência de suas sementes visando maximizar e uniformizar o processo de germinação. Foram estudados 28 tratamentos pré-germinativos: imersão em água a 70, 80, 90 ºC e fervente por 1, 2, 3, 4 e 5 minutos e imersão em ácido sulfúrico concentrado por 1, 5, 10, 15, 20, 25 e 30 minutos, além da testemunha. A semeadura foi realizada sobre papel em temperatura alternada de 20-30 ºC, utilizando-se quatro repetições de 25 sementes. Foram avaliadas as porcentagens de germinação das sementes considerando a protrusão da raiz primária, de plântulas normais e de sementes duras e o índice de velocidade de germinação. O delineamento experimental utilizado foi o inteiramente casualizado e as médias comparadas pelo teste de Scott-Knott a 5% de probabilidade. Os tratamentos de imersão em água, independentemente da temperatura e do período de imersão, aumentaram a porcentagem de germinação das sementes, comparativamente ao tratamento controle, mas foram menos eficientes que os tratamentos em ácido sulfúrico nos maiores períodos de imersão. Desta forma, a imersão por 20, 25 e 30 minutos em ácido sulfúrico é recomendada para a superação da dormência de sementes de Piptadenia moniliformis Benth.

Efeito da temperatura e da luz na germinação de sementes de Acacia polyphylla DC.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Armazenamento e requerimento fotoblástico de sementes de Acacia polyphylla DC

Acacia polyphyla (Mimosaceae) é uma espécie arbórea nativa do Brasil, importante para a recuperação de áreas degradadas. Sementes dessa espécie foram armazenadas em condições naturais e artificiais, com os objetivos de avaliar a longevidade das sementes no solo, conservar a sua qualidade fisiológica pelo período correspondente a duas colheitas e verificar o requerimento fotoblástico das sementes armazenadas. em condições naturais, as sementes foram enterradas em clareira, sob dossel ralo e sob dossel denso. As sementes deterioraram rapidamente, revelando-se incapazes de compor o banco de sementes do solo. em condições artificiais, as sementes foram acondicionadas em diferentes embalagens e armazenadas por dois anos em ambiente não controlado e em câmara fria. Periodicamente, as sementes foram colocadas para germinar a 25ºC, na ausência de luz e sob fotoperíodo de oito horas sob luzes branca e de sombreamento. Durante todo o período de armazenamento, a germinação no escuro foi inferior à constatada sob luzes branca e de sombreamento. A qualidade fisiológica foi conservada por dois anos, quando as sementes foram acondicionadas em embalagem impermeável e armazenadas em câmara fria. O comportamento germinativo das sementes armazenadas por dois anos foi comparado com o de sementes recém-colhidas, em temperaturas constante e alternada, não sendo constatado efeito da idade e do regime de temperatura no requerimento fotoblástico das sementes.

Caracterização morfológica de frutos e sementes e desenvolvimento pós-seminal de monjoleiro (Acacia polyphylla DC.)

Acacia polyphylla DC. é uma espécie arbórea, característica dos estádios iniciais da sucessão secundária, de ocorrência natural no Brasil. Pertence à família Leguminosae-Mimosoideae, sendo recomendada em programas de reflorestamento misto, recuperação de áreas degradadas e manejo de fragmentos florestais. Entretanto, não foi encontrado nenhuma referência que fizesse menção aos aspectos químicos e morfológicos das sementes, bem como, aos aspectos do desenvolvimento pós-seminal desta espécie. Assim sendo, o presente trabalho objetivou caracterizar morfologicamente e ilustrar frutos e sementes, quantificar alguns componentes químicos presentes nas sementes e descrever as diferentes fases do desenvolvimento pós-seminal. Para tanto, foram realizadas descrições associadas às estruturas externa e interna das sementes. As descrições morfológicas dos frutos e das sementes foram efetuadas em relação a forma, ao tamanho, a superfície, a micrópila e a forma e a localização do embrião. Para a descrição morfológica das plântulas, as sementes foram colocadas para germinar em meio de cultura Murashige & Skoog reduzido à metade da concentração e incubadas a temperatura de 25ºC, sendo descritas e ilustradas as plântulas normais e anormais. O fruto é uma vagem deiscente contendo de oito a 16 sementes achatadas, de tegumento testal, embrião axial e invaginado. A germinação das sementes é epígea e as plântulas fanerocotiledonares.

Germinação de sementes de pau-ferro submetidas a diferentes condições de armazenamento, escarificação química, temperatura e luz

Caesalpinia leiostachya (Benth.) Ducke (pau-ferro) é uma planta arbórea nativa do Brasil, cujas sementes possuem dormência causada pela impermeabilidade do tegumento à água. Neste trabalho foram conduzidos dois experimentos, nos quais foram utilizados diferentes períodos de escarificação em ácido sulfúrico concentrado para superar a dormência das sementes. No primeiro experimento, sementes coletadas em agosto de 1997 foram armazenadas por oito meses em ambiente não controlado no interior do próprio fruto, e em câmara seca após serem extraídas dos frutos; a seguir, elas foram imersas em ácido sulfúrico por 0, 10, 20, 40, 60 e 80min e colocadas para germinar nas temperaturas constante de 25ºC e alternada de 20-30°C, sob fotoperíodo de 8h. No segundo experimento, sementes extraídas de frutos recém-coletados em agosto de 1998 foram imersas em ácido sulfúrico por 0, 10, 20, 30, 40 e 60min, seguido do teste de germinação conduzido nas mesmas temperaturas do experimento anterior, na ausência e presença de luz. Foram avaliados a porcentagem final e o índice de velocidade de germinação das sementes. Os resultados mostraram que (a) a manutenção das sementes no interior dos frutos é uma alternativa viável para o armazenamento durante o período adotado; (b) as sementes recém-coletadas são indiferentes à luz, nas duas temperaturas testadas; (c) as sementes recém-coletadas e as armazenadas germinam em maior velocidade a 25ºC; (d) em sementes armazenadas, a imersão em ácido sulfúrico por 10min é suficiente para superar a dormência; (e) em sementes recém-coletadas, a imersão em ácido sulfúrico por 20 a 30min favorece a porcentagem e a velocidade de germinação.

Temperatura e substrato para a germinação de sementes de Piptadenia moniliformis Benth.

In germination tests, substrate and ideal temperature are important for providing favorable conditions for the germination of seeds and the eventual development of seedlings. This research aimed at evaluating the effects of temperature and substrate on the germination of Piptadenia moniliformis Benth seeds. Two trials were done. In the first, seeds were submitted to germination under constant temperatures of 5 to 40 degrees C (increases of 5 degrees C) and alternated temperatures of 20-25, 25-30, 30-35, 20-30, 25-35 and 20-35 degrees C on paper. In the second trial, temperatures of 25, 20-30 e 20-35 degrees C were used in the substrates on (OP) and between paper (BP), on (OS) and between sand (BS), on (0V) and between vermiculite (BV) and paper roll (PR). The following traits were evaluated: percentage of seeds with protrusion of primary root and normal seedlings; speed germination index; length of primary root and of the hypocotyls and the dry mass of seedlings. A completely randomized design was used with 14 treatments. In the first experiment and a factorial scheme of 7 x 3 (7 substrates and 3 temperatures) was used in the second with four replicates of 25 seeds each. In the first experiment the constant temperatures of 25 e 30 degrees C and the alternated of 20-30 e 20-35 degrees C provided best results for the germination of seeds. In the second, the temperature of 25 C associated with the substrates BP, BS and BV surpassed the other treatments proving adequate for carrying out the germination tests of Piptadenia moniliformis Benth seeds.