Estados funcionais da vegetação neotropical e a heterogeneidade das respostas fenológicas foliares à sazonalidade da chuva

Abstract

Florestas e savanas são bem conhecidas por caracterizarem estados alternativos estruturais em termos de cobertura do dossel, definidos parcialmente pelo regime de chuvas. Entretanto, em uma mesma paisagem, diferentes tipos de vegetação podem coexistir, como florestas, savanas e campos (ecossistemas dominados pelo estrato herbáceo). Além disso, existem tipos de vegetação com estrutura similar, mas que apresentam funcionamento diferente, como é o caso das matas secas (decíduas) e das matas de galeria (sempre verdes) que coexistem, por exemplo, nas paisagens do Cerrado submetidas a um mesmo regime de chuvas. Esta tese busca caracterizar os estados funcionais da vegetação tropical do Brasil e relacioná-los à estrutura da vegetação e às variáveis ambientais em escala local e continental. No Capítulo I, queremos entender como diferentes tipos de vegetação em uma paisagem do Cerrado, submetidos ao mesmo regime de chuva, respondem às variações sazonais da precipitação e como esta resposta depende das condições ambientais locais, como a disponibilidade de nutrientes e de água no solo. O Capítulo I destaca a importância do acoplamento entre as séries temporais do verdor foliar (greenness) e a precipitação mensal como uma forma inovadora de diferenciar entre tipos de vegetação coexistentes no mesmo envelope climático. Este capítulo ressalta que variáveis funcionais em nível de ecossistema, como a dinâmica temporal das respostas da vegetação à precipitação, podem ser mais significativas do que variáveis estruturais simples, como área basal e altura de árvores, na caracterização de ecossistemas distintos na paisagem tropical. Além disso, os resultados indicam que tipos de vegetação aparentemente similares em estrutura podem apresentar funcionamentos e respostas contrastantes à variabilidade da precipitação, os quais são definidos pela disponibilidade de água e nutrientes no solo. Nossos resultados desafiam a noção de que tipos de vegetação coexistentes são necessariamente estados estáveis alternativos e de que a estrutura pode ser um indicativo de funcionalidade. A partir daí, buscamos expandir espacialmente o entendimento da heterogeneidade das respostas fenológicas da vegetação para aprimorar modelos de dinâmica da vegetação e de fluxos de carbono. Estes modelos incorporam alta incerteza devido a dificuldade de caracterizar por meio de parâmetros os tipos funcionais da vegetação. Para isso, no Capítulo II, nós testamos (1) se a classificação fenológica de comunidades vegetais baseada em composição de espécies reflete os comportamentos espectrais observados nos dados de satélite; e (2) se a hipótese de que a resposta da vegetação é dependente do regime de chuvas na escala continental, ao longo dos biomas do Brasil tropical. Sendo assim, o Capítulo II aborda a heterogeneidade da resposta fenológica da vegetação dentro dos biomas tropicais e sua dependência da composição de espécies e das condições climáticas em larga escala como a precipitação média anual e o déficit de pressão de vapor da atmosfera. Estes dois capítulos de resultados destacam a possibilidade de entender as respostas da vegetação à variação sazonal da precipitação em nível de ecossistema utilizando medições baseadas em satélites para extrapolar os processos em pequena escala para escalas mais amplas, interagindo com ciclos climáticos e biogeoquímicos. A extrapolação temporal e espacial dos nossos resultados contribui para a aprimoração dos modelos de vegetação para melhorar o seu desempenho na previsão da distribuição e dinâmica da vegetação tropical frente às mudanças climáticas.

Abstract: Forests and savannas are well known for characterizing alternative structural states in terms of canopy coverage, partially defined by rainfall regime. However, within the same landscape, different vegetation types coexist, such as forests, savannas, and herbaceous-dominated fields. Additionally, there are vegetation types with similar structures but differing functionally, such as coexisting dry forests (deciduous) and gallery forests (evergreen), for example, in Cerrado landscapes subjected to the same rainfall regime. This thesis aims to characterize the functional states of Brazilian tropical vegetation types and relate them to vegetation structure and environmental variables at local and continental scales. Thus, in Chapter I, we seek to understand how different vegetation types subjected to the same rainfall regime respond to seasonal variations in precipitation and how this response depends on local environmental conditions, such as soil nutrients and water availability. In this regard, Chapter I emphasizes the importance of the coupling between greenness and precipitation as an innovative way to differentiate between coexisting vegetation types within the same climatic envelope. This chapter highlights that ecosystem-level functional variables, such as temporal dynamics of vegetation responses to precipitation, may be more significant than simple structural variables in characterizing distinct ecosystems in the tropical landscape. Furthermore, the results indicate that vegetation types seemingly similar in structure may exhibit contrasting functionality and responses to precipitation variability defined by soil water and nutrient availability, challenging the notion that coexisting vegetation types are necessarily alternative stable states and that structure is indicative of functionality. From there, we aim to spatially expand the understanding of vegetation phenological response heterogeneity to improve vegetation dynamics and carbon flux models that incorporate high uncertainty due to the difficulty of characterizing vegetation functional types through parameters. To achieve this, in Chapter II, I (1) test whether the phenological classification of plant communities based on species composition reflects satellite-based spectral behaviors across tropical biomes of Brazil; and (2) test the hypothesis that vegetation response is dependent on rainfall regime at the continental scale. Thus, Chapter II emphasizes the heterogeneity of vegetation phenological response within tropical biomes and its dependence not only on the biome in which it is established but also on species composition and large-scale environmental conditions such as mean annual precipitation and atmospheric vapor pressure deficit. These two results chapters highlight the possibility of understanding vegetation responses to seasonal variation in precipitation at the ecosystem level using satellite-based measurements to upscale small-scale processes to broader scales, interacting with climatic and biogeochemical cycles. The temporal and spatial extrapolation of our results contribute to the improvement of vegetation models to enhance their performance in predicting the distribution and dynamics of tropical vegetation in the face of climate change.