Inferindo Resiliência de Florestas Tropicais Usando Criticalidade Auto-organizada

Abstract

Muitos estudos têm sugerido que existe um conjunto de sistemas complexos na natureza e na sociedade que operam em criticalidade auto-organizada, ou seja, tais sistemas evoluem naturalmente para uma transição de segunda ordem, em que pequenas perturbações podem desencadear eventos de relaxação em todas as escalas acessíveis ao sistema, sem necessidade de controle externo. Particularmente para a cobertura vegetal, a perda de resiliência tem sido documentada quando a invariância de escala é quebrada em locais semiáridos submetidos a pastoreio extensivo de gado, o que leva a mudanças na distribuição de manchas espaciais de vegetação dentro de uma matriz de solo exposto. Utilizando conjuntos de dados do MapBiomas que quantificam características de fragmentação para os estados amazônicos do Brasil, testamos: 1) se a distribuição do tamanho dos fragmentos florestais (manchas de floresta submetidas ao desmatamento) pode ser representada por uma lei de potência e, portanto, pela invariância de escala necessária para a criticalidade auto-organizada; e 2) como a representação por lei de potência muda ao longo do tempo, particularmente sob o aumento das taxas de desmatamento. Descobrimos que uma lei de potência ajustada descreve muito bem a distribuição do tamanho dos fragmentos, de 2ha a 5000ha, na maioria dos estados amazônicos, mas a função de distribuição log-quadrática, que é uma lei de potência com correção quadrática no gráfico log-log, teve um desempenho muito melhor em alguns deles. Muitos locais que exibiam leis de potência passaram a exibir distribuição log-quadrática em anos mais recentes, em especial locais mais afetados pelo desmatamento. Esses resultados são importantes para a compreensão da dinâmica de fragmentação da floresta amazônica e suas implicações para a biodiversidade.

Many studies have suggested that there exists a set of complex systems in nature and society that operate at self-organized criticality, that is, such systems naturally evolve toward a second-order phase transition, in which small perturbations can trigger relaxation events at all scales accessible to the system, without the need for external control. Particularly for vegetation cover, loss of resilience has been documented when scale invariance is broken in semi-arid sites subjected to extensive cattle grazing, which leads to changes in the distribution of spatial vegetation patches within a matrix of bare soil. Using MapBiomas datasets that quantify fragmentation characteristics for the Brazilian Amazon states, we tested: 1) whether the forest fragment size distribution (forest patches subjected to deforestation) can be represented by a power law and, therefore, by the scale invariance required for self-organized criticality; and 2) how the power-law representation changes over time, particularly under increasing deforestation rates. We found that a fitted power law describes the fragment size distribution very well, from 2 ha to 5000 ha, in most Amazonian states, but the log-quadratic distribution function, which is a power law with quadratic correction on the log-log plot, performed much better in some of them. Many sites that exhibited power laws shifted to exhibiting log-quadratic distributions in more recent years, especially sites most affected by deforestation. These results are important for understanding the fragmentation dynamics of the Amazon forest and their implications for biodiversity.