Pro-Forest: drivers of structure, diversity, functional composition and vulnerability of brazilian atlantic rainforests : a study on functioning and processes

Abstract

Tropical forests are one of the most biodiverse, carbon-dense, but also threatened ecosystems in the world. Hence, promoting their conservation and ensuring the success of the successional process are important steps to maintain ecosystem functioning and effectively mitigate biodiversity loss and climate change. Here we aimed to determine the main drivers of forests attributes (e.g., structure, diversity and functional composition) that are informative of community assembly and ecosystem functioning and understand the functional vulnerability of high-diversity tropical rainforests situated on nutrient-poor soils and within highly fragmented human-modified landscapes. For that, we developed two independent but complementary studies: in the first (C1), we used data from 1.9 ha old-growth and 1.6 ha second-growth forest plots to assess the effects of landscape structure (matrix openness, patch density) on nine forest attributes related to structure (basal area, maximum height, structural heterogeneity), diversity (species richness, Simpson diversity, functional richness), and composition (community weighted-mean animal-dispersal shade-tolerance and seed size) over four different spatial scales (400 to 3200 m buffer radius) in three different regions (i.e., landscape contexts). We found that landscape openness negatively affected most forest attributes, but the magnitude of effect varied with i) landscape attribute, ii) forest attribute, and iii) region (i.e. landscape context): deforestation had a negative stronger effect than fragmentation; landscape openness reduced most strongly forest structure and animal-dispersed species; landscape openness had different effects in different regions, and affected forest structural attributes at all spatial scales, animal dispersed species at larger spatial scales, and seed size at small spatial scales. These findings indicate that landscape effects on forest attributes in human-modified landscapes cannot be generalized as they depend on the landscape context. In the second study (C2), we used data from 2.7 ha second-growth forest plots to assess the how stand age, landscape structure (matrix openness, patch density), seasonal water availability (climatic water deficit), and soil properties (sum of base, nitrogen, organic carbon and clay contents) predict aboveground carbon stock and functional composition (community weighted-mean maximum stem diameter, maximum stem height and species-specific wood density), redundancy, and vulnerability of second-growth Atlantic forests. We found that forest age and soil properties were the main drivers of aboveground carbon stock, functional redundancy and vulnerability; that seasonal water availability predicted species growth and wood density; while soil properties predicted species growth, but not wood density; and finally, that stands in highly fragmented and deforested landscapes can harbor carbon-dominant species. These findings advance our understanding of the factors that drive carbon stock and vulnerability in second- growth Atlantic forests and highlight the importance of considering local site conditions in forest restoration and climate change mitigation efforts. Keywords: Climate Change. Functional traits. Land use Change. Landscape context. Dispersal. Soil Properties. Spatial Scale. Succession

Florestas tropicais são um dos ecossistemas com maior biodiversidade e densidade de carbono do mundo, porém também um dos mais ameaçados. Portanto, promover sua conservação e garantir o sucesso do processo sucessional são etapas importantes para manter o funcionamento do ecossistema e mitigar efetivamente a perda de biodiversidade e as mudanças climáticas. Assim, o objetivo dessa tese foi determinar os principais direcionadores dos atributos florestais (e.g., estrutura, diversidade e composição funcional) que são informativos da montagem da comunidade e funcionamento do ecossistema, bem como entender e prever a vulnerabilidade funcional de florestas tropicais de alta diversidade situadas em solos pobres em nutrientes e em paisagens altamente fragmentadas e modificadas pelo homem. Para isso, foram desenvolvidos dois estudos independentes porém complementares: no primeiro (C1), foram utilizados dados de 1,9 ha de floresta madura e 1,6 ha de floresta secundária para determinar os efeitos da estrutura da paisagem (abertura da matriz, densidade de fragmentos) em nove atributos florestais relacionados à estrutura (área basal, altura máxima, heterogeneidade estrutural), diversidade (riqueza de espécies, diversidade de Simpson, riqueza funcional) e composição (proporção de espécies dispersadas por animais, tolerantes à sombra, tamanho das sementes) em quatro escalas espaciais (buffers de 400 a 3200 m) e três regiões diferentes (i.e. contextos de paisagem). A abertura da paisagem afetou negativamente a maioria dos atributos florestais, porém a magnitude desse efeito variou com i) atributo da paisagem, ii) atributo florestal e iii) região: o desmatamento teve um efeito negativo maior do que a fragmentação; a abertura da paisagem teve um efeito negativo maior na estrutura florestal e espécies dispersas por animais, efeitos contrastantes entre as regiões. Além disso, afetou os atributos estruturais em todas as escalas espaciais, as espécies dispersadas por animais em escalas maiores e o tamanho da semente em escalas menores. Esses resultados indicam que os efeitos da paisagem nos atributos florestais em paisagens modificadas pelo homem não podem ser generalizados, pois dependem do contexto da paisagem. No segundo estudo (C2), foram utilizados dados de 2,7 ha de floresta secundária para determinar como a idade da floresta, a estrutura da paisagem (abertura da matriz, densidade de fragmentos), a disponibilidade hídrica sazonal (déficit hídrico climático) e as propriedades do solo (soma de bases, nitrogênio, carbono orgânico e teor de argila) preveem o estoque de carbono acima do solo, a composição funcional (média ponderada do diâmetro máximo e altura máxima dos indivíduos arbóreos, e da densidade da madeira específica da espécie), e a redundância e vulnerabilidade funcionais das florestas secundárias. A idade da floresta e as propriedades do solo foram os principais impulsionadores do estoque de carbono acima do solo, da redundância funcional e da vulnerabilidade. Observou-se que a disponibilidade hídrica sazonal teve efeito no crescimento das espécies e a densidade da madeira; enquanto as propriedades do solo influenciam o crescimento das espécies, mas não a densidade da madeira, e que as áreas em paisagens altamente fragmentadas e desmatadas podem abrigar espécies dominantes em carbono. Esses resultados avançam o entendimento dos fatores que impulsionam o estoque de carbono e a vulnerabilidade nas florestas atlânticas secundárias e destacam a importância de considerar as condições locais nos esforços de restauração florestal e mitigação das mudanças climáticas. Palavras-chave: Contexto da paisagem. Dispersão. Escala Espacial. Mudanças Climáticas. Mudança do uso do solo. Propriedades do Solo. Sucessão. Traços funcionais