The importance of mesofauna and decomposition environment on leaf decomposition in three forests in southeastern Brazil

We examined the effects of soil mesofauna and the litter decomposition environment (above and belowground) on leaf decomposition rates in three forest types in southeastern Brazil. To estimate decomposition experimentally, we used litterbags with a standard substrate in a full-factorial experimental design. We used model selection to compare three decomposition models and also to infer the importance of forest type, decomposition environment, mesofauna, and their interactions on the decomposition process. Rather than the frequently used simple and double-exponential models, the best model to describe our dataset was the exponential deceleration model, which assumed a single organic compartment with an exponential decrease of the decomposition rate. Decomposition was higher in the wet than in the seasonal forest, and the differences between forest types were stronger aboveground. Regarding litter decomposition environment, decomposition was predominantly higher below than aboveground, but the magnitude of this effect was higher in the seasonal than in wet forests. Mesofauna exclusion treatments had slower decomposition, except aboveground into the Semi-deciduous Forest, where the mesofauna presence did not affect decomposition. Furthermore, the effect of mesofauna was stronger in the wet forests and belowground. Overall, our results suggest that, in a regional scale, both decomposers activity and the positive effect of soil mesofauna in decomposition are constrained by abiotic factors, such as moisture conditions.

Fatores abióticos condicionantes da distribuição de espécies arbóreas em quatro formações florestais do Estado de São Paulo

No estudo das comunidades florestais, estabelecer a importância relativa dos fatores que definem a composição e a distribuição das espécies é um desafio. Em termos de gradientes ambientais o estudo das respostas das espécies arbóreas são essenciais para a compreensão dos processos ecológicos e decisões de conservação. Neste sentido, para contribuir com a elucidação dos processos ecológicos nas principais formações florestais do Estado de São Paulo (Floresta Ombrófila Densa de Terras Baixas, Floresta Ombrófila Densa Submontana, Floresta Estacional Semidecidual e Savana Florestada) este trabalho objetivou responder as seguintes questões: (I) a composição florística e a abundância das espécies arbóreas, em cada unidade fitogeográfica, variam conforme o gradiente edáfico e topográfico?; (II) características do solo e topografia podem influenciar na previsibilidade de ocorrência de espécies arbóreas de ampla distribuição em diferentes tipos vegetacionais? (III) existe relação entre o padrão de distribuição espacial de espécies arbóreas e os parâmetros do solo e topografia? O trabalho foi realizado em parcelas alocadas em unidades de conservação (UC) que apresentaram trechos representativos, em termos de conservação e tamanho, das quatro principais formações florestais presentes no Estado de São Paulo. Em cada UC foram contabilizados os indivíduos arbóreos (CAP ≥ 15 cm), topografia, dados de textura e atributos químicos dos solos em uma parcela de 10,24 ha, subdividida em 256 subparcelas. Análises de correspodência canônica foram aplicadas para estabelecer a correspondência entre a abundância das espécies e o gradiente ambiental (solo e topografia). O método TWINSPAN modificado foi aplicado ao diagrama de ordenação da CCA para avaliar a influência das variáveis ambientais (solo e topografia) na composição de espécies. Árvores de regressão \"ampliadas\" (BRT) foram ajustadas para a predição da ocorrência das espécies segundo as variáveis de solo e topografia. O índice de Getis-Ord (G) foi utilizado para determinar a autocorrelação espacial das variáveis ambientais utilizadas nos modelos de predição da ocorrência das espécies. Nas unidades fitogeográficas analisadas, a correspondência entre o gradiente ambiental (solo e topografia) e a abundância das espécies foi significativa, especialmente na Savana Florestada onde observou-se a maior relação. O solo e a topografia também se relacionaram com a semelhança na composição florística das subparcelas, com exceção da Floresta Estacional Semicidual (EEC). As principais variáveis de solo e topografia relacionadas a flora em cada UC foram: (1) Na Floresta Ombrófila Densa de Terras Baixas (PEIC) - teor de alumínio na camada profunda (Al (80-100 cm)) que pode refletir os teor de Al na superfície, acidez do solo (pH(H2O) (5-25 cm)) e altitude, que delimitou as áreas alagadas; (2) Na Floresta Ombrófila Densa Submontana (PECB) - altitude, fator que, devido ao relevo acidentado, influencia a temperatura e incidência de sol no sub-bosque; (3) Na Savana Florestada (EEA) - fertilidade, tolerância ao alumínio e acidez do solo. Nos modelos de predição BRT, as variáveis químicas dos solos foram mais importantes do que a textura, devido à pequena variação deste atributo no solo nas áreas amostradas. Dentre as variáveis químicas dos solos, a capacidade de troca catiônica foi utilizada para prever a ocorrência das espécies nas quatro formações florestais, sendo particularmente importante na camada mais profunda do solo da Floresta Ombrófila Densa de Terras Baixas (PEIC). Quanto à topografia, a altitude foi inserida na maioria dos modelos e apresentou diferentes influências sobre as áreas de estudo. De modo geral, para presença das espécies de ampla distribuição observou-se uma mesma tendência quando à associação com os atributos dos solos, porém com amplitudes dos descritores edáficos que variaram de acordo com a área de estudo. A ocorrência de Guapira opposita e Syagrus romanzoffiana, cujo padrão variou conforme a escala, foi explicada por variáveis com padrões espaciais agregados que somaram entre 30% e 50% de importância relativa no modelo BRT. A presença de A. anthelmia, cujo padrão também apresentou certo nível de agregação, foi associada apenas a uma variável com padrão agregado, a altitude (21%), que pode ter exercido grande influência na distribuição da espécie ao delimitar áreas alagadas. T. guianensis se associou a variáveis ambientais preditoras com padrão espacial agregado que somaram cerca de 70% de importância relativa, o que deve ter sido suficiente para estabelecer o padrão agregado em todas as escalas. No entanto, a influência dos fatores ambientais no padrão de distribuição da espécie não depende apenas do ótimo ambiental da espécie, mas um resultado da interação espécie-ambiente. Concluiu-se que: (I) características edáficas e topográficas explicaram uma pequena parcela da composição florística, em cada unidade fitogeográfica, embora a ocorrência de algumas espécies tenha se associado ao gradiente edáfico e topográfico; (II) a partir de características dos solos e da topografia foi possível prever a presença de espécies arbóreas, que apresentaram particularidades em relação a sua associação com o solo de cada fitofisionomia; (III) a partir de associações descritivas o solo e a topografia influenciam o padrão de distribuição espacial das espécies, na proporção em que contribuem para a presença das mesmas.

Estrutura da vegetação e sua relação com a diversidade, abundância e similaridade de coleópteros bioindicadores em diferentes sistemas vegetacionais, Piracicaba, SP

A Mata Atlântica é considerada um dos biomas mais importantes do mundo devido à sua alta biodiversidade e funções ecossistêmicas. Entretanto, encontra-se fragmentada em porções de pequenas dimensões esparsas em uma matriz predominantemente agrícola, composta principalmente por extensas pastagens e monoculturas. Desse modo, os sistemas agroflorestais por apresentarem uma estrutura diferenciada dos monocultivos e similar às condições naturais, podem ser utilizados como uma alternativa para o manejo e a conservação da biodiversidade nos remanescentes florestais. A fragmentação provoca modificações no ambiente que irão refletir na perda e no deslocamento da biodiversidade, estando os insetos entre os grupos mais afetados. Uma das formas de se avaliar o estado de conservação dos fragmentos e o impacto antrópico nos sistemas vegetacionais, é estudar a presença e distribuição de organismos bioindicadores. Dentre esses, os insetos ocupam posição de destaque. Os insetos da família Scarabaeidae e da subfamília Scolytinae são bons indicadores de distúrbios, pois são muito sensíveis ás mudanças ambientais. Neste trabalho hipotetisou-se que a presença desses insetos está relacionada com a estrutura da vegetação e as condições de vida proporcionadas pelas diferentes formas de uso-da-terra. O objetivo desta pesquisa foi avaliar a diversidade de espécies, o padrão de abundância e a similaridade entre as populações de coleópteros (Scarabaeidae e Scolytinae) em diferentes sistemas vegetacionais de diferentes estruturas: i) Fragmento de floresta estacional semidecidual dividido em três áreas: beira do rio, centro e borda; ii) Sistema Agroflorestal (SAF) (interface entre o fragmento e o pasto); iii) Pasto composto de Brachiaria decumbens (L.); iv) Monocultivo de café (Coffea arábica L.); v) Monocultivo de seringueira (Hevea brasiliensis Müell. Arg.); vi) SAF de café e seringueira - todos situados numa região de domínio anterior de floresta estacional semidecidual em Piracicaba-SP. Os sistemas foram caracterizados quanto à sua estrutura e condições micrometeorológicas. Os insetos foram coletados mensalmente entre agosto/2013 e julho/2014 utilizando-se dois tipos de armadilhas: Pitfall e etanol modelo ESALQ-84. Foram coletados 1.047 espécimes distribuídos em 21 espécies da família Scarabaeidae e 1.833 indivíduos de 38 espécies da subfamília Scolytinae. A maior quantidade de espécies de Scarabaeidae foi encontrada na borda do fragmento florestal, enquanto que a maior abundância ocorreu no fragmento florestal perto do rio. A subfamília Scolytinae apresentou a maior riqueza de espécies no sistema agroflorestal misto (borda) e a maior abundância no sistema agroflorestal café-seringueira. A abundância e riqueza de espécies da família Scarabaeidae foram correlacionadas positivamente com a temperatura do ar, temperatura e umidade do solo e a precipitação. Por outro lado, a abundância e a riqueza de espécies da subfamília Scolytinae apresentaram correlação negativa com a temperatura do ar e a temperatura e umidade do solo. Ambos os grupos de insetos apresentaram a maior abundância e riqueza de espécies nas áreas com estrutura vegetacional mais complexa, sendo influenciadas pelas condições microclimáticas dentro de cada local.

Use of Ecosystem Flux Data and a Simulation Model to Examine Seasonal Drought Effects on a Subtropical Coniferous Forest

National Natural Science Foundation of China (NSFC) [30670384, 30590381]

A new Snow-SVAT to simulate the accumulation and ablation of seasonal snow cover beneath a forest canopy

A new snow-soil-vegetation-atmosphere transfer (Snow-SVAT) scheme, which simulates the accumulation and ablation of the snow cover beneath a forest canopy, is presented. The model was formulated by coupling a canopy optical and thermal radiation model to a physically-based multi-layer snow model. This canopy radiation model is physically-based yet requires few parameters, so can be used when extensive in-situ field measurements are not available. Other forest effects such as the reduction of wind speed, interception of snow on the canopy and the deposition of litter were incorporated within this combined model, SNOWCAN, which was tested with data taken as part of the Boreal Ecosystem-Atmosphere Study (BOREAS) international collaborative experiment. Snow depths beneath four different canopy types and at an open site were simulated. Agreement between observed and simulated snow depths was generally good, with correlation coefficients ranging between r^2=0.94 and r^2=0.98 for all sites where automatic measurements were available. However, the simulated date of total snowpack ablation generally occurred later than the observed date. A comparison between simulated solar radiation and limited measurements of sub-canopy radiation at one site indicates that the model simulates the sub-canopy downwelling solar radiation early in the season to within measurement uncertainty.

SEASONAL MICROHABITAT SELECTION BY TERRESTRIAL RODENTS IN AN OLD-GROWTH ATLANTIC FOREST

We tested the hypothesis that microhabitat variables, abundance of terrestrial rodents, and microhabitat selection patterns of terrestrial rodents vary between the cool-dry and warm-wet season in the Atlantic forest of Brazil. We selected variables associated with ecological factors potentially important to terrestrial rodents (physical structure of litter and woody debris, and arthropod availability) and established 25 small, independent sampling units covering 36 ha of a homogenous, mature Atlantic forest patch. Litter humidity and height, amount of small woody debris, arthropod availability, and terrestrial rodent abundance increased, whereas the quantity of large woody debris decreased in the warm-wet season. Greater spatial segregation among terrestrial rodents also was observed in this season, especially between morphologically similar species. The distribution of 3 of the 4 most common terrestrial rodents was influenced by microhabitat variables in at least I of the seasons, and these species also differed in their pattern of microhabitat selection between seasons. In general, the amount of small woody debris and litter humidity were more important for the microscale distribution of terrestrial rodents in the cool-dry season, whereas in the mild warm-wet season species distributions were associated with food availability or were not clearly influenced by the measured variables. The patterns of microhabitat selection by 3 common terrestrial rodents, which were associated with features that characterize old-growth forest, may be responsible for their vulnerability to forest fragmentation.

Seasonal and spatial species richness variation of dung beetle (Coleoptera, Scarabaeidae s. str.) in the Atlantic Forest of southeastern Brazil

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Seasonal variation in leaf traits between congeneric savanna and forest trees in Central Brazil: Implications for forest expansion into savanna

The ecology of forest and savanna trees species will largely determine the structure and dynamics of the forest-savanna boundaries, but little is known about the constraints to leaf trait variation imposed by selective forces and evolutionary history during the process of savanna invasion by forest species. We compared seasonal patterns in leaf traits related to leaf structure, carbon assimilation, water, and nutrient relations in 10 congeneric species pairs, each containing one savanna species and one forest species. All individuals were growing in dystrophic oxisols in a fire-protected savanna of Central Brazil. We tested the hypothesis that forest species would be more constrained by seasonal drought and nutrient-poor soils than their savanna congeners. We also hypothesized that habitat, rather than phylogeny, would explain more of the interspecific variance in leaf traits of the studied species. We found that throughout the year forest trees had higher specific leaf area (SLA) but lower integrated water use efficiency than savanna trees. Forest and savanna species maintained similar values of predawn and midday leaf water potential along the year. Lower values were measured in the dry season. However, this was achieved by a stronger regulation of stomatal conductance and of CO2 assimilation on an area basis (A area) in forest trees, particularly toward the end of the dry season. Relative to savanna trees, forest trees maintained similar (P, K, Ca, and Mg) or slightly higher (N) leaf nutrient concentrations. For the majority of traits, more variance was explained by phylogeny, than by habitat of origin, with the exception of SLA, leaf N concentration, and A area, which were apparently subjected to different selective pressures in the savanna and forest environments. In conclusion, water shortage during extended droughts would be more limiting for forest trees than nutrient-poor soils. © 2013 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Root niche separation can explain avoidance of seasonal drought stress and vulnerability of overstory trees to extended drought in a mature Amazonian forest

Large areas of Amazonian evergreen forest experience seasonal droughts extending for three or more months, yet show maximum rates of photosynthesis and evapotranspiration during dry intervals. This apparent resilience is belied by disproportionate mortality of the large trees in manipulations that reduce wet season rainfall, occurring after 2-3 years of treatment. The goal of this study is to characterize the mechanisms that produce these contrasting ecosystem responses. A mechanistic model is developed based on the ecohydrological framework of TIN (Triangulated Irregular Network)-based Real Time Integrated Basin Simulator + Vegetation Generator for Interactive Evolution (tRIBS+VEGGIE). The model is used to test the roles of deep roots and soil capillary flux to provide water to the forest during the dry season. Also examined is the importance of "root niche separation," in which roots of overstory trees extend to depth, where during the dry season they use water stored from wet season precipitation, while roots of understory trees are concentrated in shallow layers that access dry season precipitation directly. Observational data from the Tapajo's National Forest, Brazil, were used as meteorological forcing and provided comprehensive observational constraints on the model. Results strongly suggest that deep roots with root niche separation adaptations explain both the observed resilience during seasonal drought and the vulnerability of canopy-dominant trees to extended deficits of wet season rainfall. These mechanisms appear to provide an adaptive strategy that enhances productivity of the largest trees in the face of their disproportionate heat loads and water demand in the dry season. A sensitivity analysis exploring how wet season rainfall affects the stability of the rainforest system is presented. Citation: Ivanov, V. Y., L. R. Hutyra, S. C. Wofsy, J. W. Munger, S. R. Saleska, R. C. de Oliveira Jr., and P. B. de Camargo (2012), Root niche separation can explain avoidance of seasonal drought stress and vulnerability of overstory trees to extended drought in a mature Amazonian forest, Water Resour. Res., 48, W12507, doi:10.1029/2012WR011972.

Using plant functional traits and phylogenies to understand patterns of plant community assembly in a seasonal tropical forest in Lao PDR

Plant functional traits reflect different evolutionary responses to environmental variation, and among extant species determine the outcomes of interactions between plants and their environment, including other plant species. Thus, combining phylogenetic and trait-based information can be a powerful approach for understanding community assembly processes across a range of spatial scales. We used this approach to investigate tree community composition at Phou Khao Khouay National Park (18°14’-18°32’N; 102°38’- 102°59’E), Laos, where several distinct forest types occur in close proximity. The aim of our study was to examine patterns of plant community assembly across the strong environmental gradients evident at our site. We hypothesized that differences in tree community composition were being driven by an underlying gradient in soil conditions. Thus, we predicted that environmental filtering would predominate at the site and that the filtering would be strongest on sandier soil with low pH, as these are the conditions least favorable to plant growth. We surveyed eleven 0.25 ha (50x50 m) plots for all trees above 10 cm dbh (1221 individual trees, including 47 families, 70 genera and 123 species) and sampled soils in each plot. For each species in the community, we measured 11 commonly studied plant functional traits covering both the leaf and wood economic spectrum traits and we reconstructed a phylogenetic tree for 115 of the species in the community using rbcL and matK sequences downloaded from Genebank (other species were not available). Finally we compared the distribution of trait values and species at two scales (among plots and 10x10m subplots) to examine trait and phylogenetic community structures. Although there was strong evidence that an underlying soil gradient was determining patterns of species composition at the site, our results did not support the hypothesis that the environmental filtering dominated community assembly processes. For the measured plant functional traits there was no consistent pattern of trait dispersion across the site, either when traits were considered individually or when combined in a multivariate analysis. However, there was a significant correlation between the degree of phylogenetic dispersion and the first principle component axis (PCA1) for the soil parameters.Moreover, the more phylogenetically clustered plots were on sandier soils with lower pH. Hence, we suggest that the community assembly processes across our sitemay reflect the influence ofmore conserved traits that we did not measure. Nevertheless, our results are equivocal and other interpretations are possible. Our study illustrates some difficulties in combining trait and phylogenetic approaches that may result from the complexities of integrating spatial and evolutionary processes that vary at different scales.