Influence of water deficit on functional traits and carbon storage in Atlantic Forest forests, Brazil

A Mata Atlântica é uma floresta com alta biodiversidade, que foi muito fragmentada ao longo dos anos. Nessas áreas heterogêneas, fatores bióticos e abióticos podem ter grande influência na composição de espécies, na dinâmica e na produção de biomassa e, consequentemente, na estocagem do carbono. Desta forma, os objetivos desse estudo foram: i) avaliar a relação da variabilidade dos espectros de folhas (ex, baseado na refletância foliar) e área foliar específica (SLA) de árvores de maior valor de importância(VI) em um gradiente de déficit hídrico em floresta estacional semidecidual da Mata Atlântica, Minas Gerais, Brasil (Capítulo 1); ii) avaliar a resposta dos traços funcionais aquisitivos e conservativos das espécies arbóreas, ao longo de um gradiente de déficit hídrico em floresta de Mata Atlântica (Capítulo 2); iii) avaliar como fatores bióticos e abióticos influenciam a produção de biomassa e carbono em fragmentos de Mata Atlântica (Capítulo 3). Para atender ao primeiro objetivo do estudo (Capítulo 1), foram coletadas folhas das 16 espécies de maior VI em dois fragmentos florestais em Viçosa, Minas Gerais Brasil (Mata da Garagem e Mata da Silvicultura). Determinou-se a área foliar específica (SLA), peso fresco, peso seco e refletância foliar. O espectrorradiometro FieldSpec HiRes4, com cobertura espectral de 400-2500 nm, foi usado para determinação da reflectância foliar e o programa ImagemJ para determinar a área foliar. O déficit hídrico climático (CWD) foi utilizado como um proxy para as condições de seca em cada fragmento. Random Forest (RF) e Vector Machine (VM) foram os modelos para avaliar o desempenho ou a eficiência da área foliar específica como preditor de variações do déficit hídrico. Verificou-se que nos sítios os indivíduos com maior SLA apresentaram os menores diâmetros. A Mata da Garagem apresentou menor variação do SLA quando comparada a Mata da Silvicultura, demostrando haver diferença no microclima. Porém na “Mata da Silvicultura” as espécies Anadenanthera peregrina, Machaerium floridum e Pseudopiptadenia contorta tiveram uma maior variação SLA e refletância, podendo estar associado a uma alta plasticidade fenotípica. Os diferentes modelos testados validam que a SLA é um forte preditor com uma alta correspondência com as variações de refletância foliar ao longo do gradiente de déficit hídrico. Para atender os objetivos do capítulo 2, foram utilizados os mesmos fragmentos florestais em Viçosa, do capítulo 1, determinou-se a área foliar específica (SLA), peso fresco, peso seco e refletância foliar. Além disso, realizou-se a análise do teor de nutrientes (N, P, K, Ca e Mg) presente nas folhas dessas espécies. O déficit hídrico climático (CWD) foi utilizado como um proxy para as condições de seca em cada fragmento. Os resultados demonstram que as variações de traços funcionais e o balanço entre traços é fortemente influenciada pela disponibilidade de recursos em uma floresta. Observou- se que o teor de K e SLA apresentam diferenças entre as duas florestas secundárias com contrastantes de condições de CWD. Também foi evidente que o CWD teve um efeito significativo positivo sobre a SLA como possível resposta da aclimatação ou adaptação para manter funções de aquisição de carbono e crescimento das árvores. Para atender ao terceiro objetivo do estudo (Capítulo 3), foram utilizadas 134 parcelas de sete fragmentos florestais em Minas Gerais, Brasil. Todos os indivíduos com diâmetro a altura do peito ≥ 5 cm foram mensurados. Variáveis de temperatura e precipitação foram adquiridas da estação meteorológica mais próxima ao fragmento. O CWD foi calculado. Amostras de solo foram coletadas aleatoriamente em cada parcela de cada fragmento, para análise química. Dados de topografia (altitude, declividade e exposição do terreno) foram coletados. Modelos lineares de efeitos mistos (LMMs, com efeitos aleatórios e fixos) foram utilizados para testar os principais efeitos de múltiplos fatores sobre o carbono acima do solo. A riqueza de espécie diferiu entre os fragmentos estudados, mesmo se tratando da mesma tipologia florestal. A Mata de São José (SJ) foi o fragmento com maior riqueza de espécies. De acordo com os modelos testados, verificou-se que a riqueza de espécies afetou positivamente a estocagem de carbono. Já a declividade e matéria orgânica apresentaram efeito negativo e significativo em relação a estocagem de carbono. Assim foi possível concluir que tanto fatores bióticos, quanto abióticos influenciam a biomassa e carbono na floresta. Palavras-chave: Diversidade funcional. Ecologia. Área foliar. Carbono.The Atlantic Forest is a forest with high biodiversity, which has been very fragmented over the years. In these very heterogeneous areas, biotic and abiotic factors can have a great influence on species composition, on the dynamics and production of biomass and, consequently, on carbon storage. Thus, the objectives of this study were: i) to evaluate the relationship between leaf spectra variability (eg, based on leaf reflectance) and specific leaf area of dominant trees (higher importance-VI value) in a water deficit gradient in seasonal semideciduous forest of the Atlantic Forest, Minas Gerais, Brazil (Chapter 1); ii) to evaluate the response of acquisitive and conservative functional traits of tree species along a water deficit gradient in Atlantic Forest (Chapter 2); iii) to evaluate how biotic and abiotic factors influence the production of biomass and carbon in Atlantic Forest fragments (Chapter 3). To meet the first objective of the study (Chapter 1), leaves of the 16 species with the highest VI were collected in two forest fragments in Viçosa, Minas Gerais Brazil (Mata da Garagem and Mata da Silvicultura). Specific leaf area (SLA), fresh weight, dry weight and leaf reflectance were determined. FieldSpec was used to determine leaf reflectance and ImagemJ was used to determine leaf area. Climatic water deficit (CWD) was used as a proxy for drought conditions in each fragment. Random Forest (RF) and Vector Machine (VM) were the models to evaluate the performance or efficiency of specific leaf area as a predictor of water deficit variations. It was found that the individuals with the highest SLA had the smallest diameters. Mata da Garagem showed less variation in SLA when compared to Mata da Silvicultura, showing a difference in microclimate. However, in the “Mata da Silvicultura” the species Anadenanthera peregrina, Machaerium floridum and Pseudopiptadenia contorta had a higher SLA and reflectance, which may be associated with a high phenotypic plasticity. The different models tested validate that SLA is a strong predictor with a high correspondence with leaf reflectance variations along the water deficit gradient. To meet the objectives of chapter 2, the same forest fragments were used in Viçosa, as in chapter 1, the specific leaf area (SLA), fresh weight, dry weight and leaf reflectance were determined. In addition, the nutrient content (N, P, K, Ca and Mg) present in the leaves of these species was analyzed. Climatic water deficit (CWD) was used as a proxy for drought conditions in each fragment. The results demonstrate that the variations of functional traits and the balance between traits is strongly influenced by the availability of resources in a forest. It was observed that the content of K and SLA present differences between the two secondary forests with contrasting conditions of CWD. It was also evident that CWD had a significant positive effect on SLA as a possible acclimation or adaptation response to maintain tree growth and carbon acquisition functions. To meet the third objective of the study (Chapter 3), 134 plots from seven forest fragments in Minas Gerais, Brazil were used. All subjects with diameter at breast height ≥ 5 cm were measured. Temperature and precipitation variables were acquired from the meteorological station closest to the fragment. The CWD was calculated. Soil samples were randomly collected from each plot of each fragment for chemical analysis. Topography data (altitude, slope and terrain exposure) were collected. Linear mixed effects models (LMMs, with random and fixed effects) were used to test the main effects of multiple factors on aboveground carbon. Species richness differed between the studied fragments, even though they were of the same forest typology. Mata de São José (SJ) was the fragment with the highest species richness. According to the models tested, it was found that species richness positively affected carbon storage. On the other hand, slope and organic matter had a negative and significant effect on carbon storage. Thus, it was possible to conclude that both biotic and abiotic factors influence the biomass and carbon in the forest. Keywords: Functional diversity. Ecology. Leaf area. Carbon