Modelagem do crescimento e da produção de pau-balsa (Ochroma pyramidale) em plantios no Equador

Orientador: Prof. Dr. Julio Eduardo ArceCoorientadores : Prof. Dr. Alexandre Behling e Prof. Dr. Allan Libanio PelissariTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal. Defesa : Curitiba, 16/09/2020Inclui referências: p. 144-154Área de concentração: Manejo FlorestalResumo: Ochroma pyramidale (Cav. Ex. Lam.) Urb. é uma espécie arbórea tropical que se caracteriza pelo seu rápido crescimento e pela baixa densidade e boa resistência mecânica da sua madeira, o que a torna apropriada para usos industriais distintos. A maior parte dos povoamentos dessa espécie está localizada no Equador, país com tradição na sua silvicultura e manejo desde a década de 1950, com exportações desta madeira a quase todos os continentes. Mesmo com a sua importância florestal e a crescente demanda nos mercados internacionais, ainda existem poucos estudos que contribuam para estimar com maior exatidão e confiabilidade os estoques atuais e futuros de madeira destes plantios, bem como para servir de base em estratégias de manejo e planejamento florestal. Diante desse cenário, objetivou-se descrever e avaliar o crescimento e a produção de povoamentos de O. pyramidale no Equador, por meio da modelagem dos seus principais atributos dendrométricos. O trabalho foi conduzido em três capítulos: no primeiro foi abordado o tema da relação hipsométrica por classes de sítio e idade, utilizando regressão robusta para reduzir a influência de outliers e minimizar o erro na estimativa da altura; no segundo capítulo foi utilizada uma abordagem para obter equações de afilamento e volume compatíveis e aplicada análise multivariada para agrupar os dados em classes de idade, e no terceiro capítulo foi realizada a modelagem da produção e da prognose em nível global por meio do ajuste simultâneo do sistema de equações de área basal e volume de Sullivan e Clutter. Foram utilizadas mais de 32 mil observações coletadas num período de cinco anos em parcelas permanentes e 286 árvores cubadas. Nos três capítulos, distintos estimadores foram testados, sendo os principais: i) mínimos quadrados ordinários, ii) estimadores-M robustos para o ajuste de modelos hipsométricos, iii) regressões aparentemente não relacionadas para o ajuste dos sistemas de equações compatíveis de afilamento e volume e iv) mínimos quadrados em três estágios para o ajuste de sistema de equações de área basal e volume. O desempenho das equações ajustadas foi avaliado pelo coeficiente de determinação ajustado (R2aj.), correlação linear de Pearson ao quadrado (r2), erro quadrático médio (EQM), erro padrão da estimativa (Syx) e critério de informação de Akaike (AIC), ao passo que a eficiência dos ajustes foi analisada por meio do erro padrão dos coeficientes. Os resultados do capítulo 1 demostraram que a modelagem da relação hipsométrica de O. pyramidale por classes de sítio e idade torna-se apropriada, não obstante, devido à alta variabilidade dos dados com valores discrepantes, indica-se o uso de estimadores-M robustos; no capítulo 2 o agrupamento e a modelagem por classes de idade é apropriada e os sistemas compatíveis de equações de afilamento e volume resolveram o problema da incompatibilidade volumétrica, porém, devem ser ajustados por SUR para considerar a correlação dos resíduos; no capítulo 3 o sistema de equações de área basal e volume de Sullivan e Clutter demostrou ser acurado para a estimativa da produção e prognose em povoamentos com e sem desbaste, podendo ser utilizado para a simulação de desbaste, contudo, deve ser ajustado de forma simultânea para garantir maior confiabilidade nas estimativas. Palavras-chave: Pau-balsa. Regressão robusta. Equações correlacionadas. Ajuste simultâneo. Compatibilidade volumétrica.Abstract: Ochroma pyramidale (Cav. ex. Lam.) Urb. is a native tree species from tropical forest characterized by fast growth, low density and good mechanical resistance, which makes it suitable for different industrial uses. Most of O. pyramidale stands are located in Ecuador, acknowledged for the species' forest management and exports to almost all continents since the 1950s. Despite the species' forestry importance and the growing demand for its wood in international markets, few studies contribute with accurate and reliable estimates of its current and future wood stocks. Given this scenario, this thesis aimed to describe and evaluate the growth and yield of O. pyramidale stands in Ecuador, by means of the modeling of its main dendrometric attributes. The thesis is divided in three chapters: First - the height-diameter relationship by site-index and age classes through robust regression was approached in order to reduce the influence of outliers and minimize the error in height predictions; Second - an approach to obtain compatible volumetric and taper equations as well as multivariate analysis to group data into age classes was applied; and Third - the growth and yield modeling at global level was carried out by applying a simultaneous fit of the basal area and volume system of equations proposed by Sullivan and Clutter. More than 32,000 samples in permanent plots collected over a five-year period and data from 286 trees cut were applied. Within the three chapters, different estimators were tested to fit models, the main ones being the following: i) ordinary least squares; ii) robust M-estimators used for fitting height-diameter models, iii) seemingly unrelated regressions (SUR) for fitting compatible systems of tree taper and volume equations and iv) three-stage least-squares (3SLS) for fitting basal area and volume system of equations. The models' fit was evaluated by adjusted determination coefficient (R2aj.), Pearson squared correlation coefficient (r2), mean squared error (MSE), standard error of estimate (Syx) and Akaike information criterion (AIC); and the efficiency was analyzed by the standard error of the parameters. The results in chapter 1 demonstrated that the height-diameter relationship modeling of O. pyramidale by siteindex and age classes is adequate, yet, due to the high variability of the data with discrepant point, the use of robust M-estimators is indicated; in chapter 2, the grouping and modeling by age class showed to be adequate and the compatible systems of tree taper and volume equations solved the volumetric incompatibility issue, nevertheless, they must be fitted by SUR to include the correlation of the residuals; in chapter 3, the basal area and volume system of equations of Sullivan and Clutter proved to be accurate for growth and yield estimations in stands with and without thinning, being possible its application for thinning simulation, however, they must be simultaneously fitted in order to provide greater reliability of the predicted values. Keywords: Balsa-wood. Robust regression. Correlated equations. Simultaneous fitting. Volumetric compatibility

Modelagem do crescimento e da produção de pau-balsa (Ochroma pyramidale) em plantios no Equador

Orientador: Prof. Dr. Julio Eduardo ArceCoorientadores : Prof. Dr. Alexandre Behling e Prof. Dr. Allan Libanio PelissariTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal. Defesa : Curitiba, 16/09/2020Inclui referências: p. 144-154Área de concentração: Manejo FlorestalResumo: Ochroma pyramidale (Cav. Ex. Lam.) Urb. é uma espécie arbórea tropical que se caracteriza pelo seu rápido crescimento e pela baixa densidade e boa resistência mecânica da sua madeira, o que a torna apropriada para usos industriais distintos. A maior parte dos povoamentos dessa espécie está localizada no Equador, país com tradição na sua silvicultura e manejo desde a década de 1950, com exportações desta madeira a quase todos os continentes. Mesmo com a sua importância florestal e a crescente demanda nos mercados internacionais, ainda existem poucos estudos que contribuam para estimar com maior exatidão e confiabilidade os estoques atuais e futuros de madeira destes plantios, bem como para servir de base em estratégias de manejo e planejamento florestal. Diante desse cenário, objetivou-se descrever e avaliar o crescimento e a produção de povoamentos de O. pyramidale no Equador, por meio da modelagem dos seus principais atributos dendrométricos. O trabalho foi conduzido em três capítulos: no primeiro foi abordado o tema da relação hipsométrica por classes de sítio e idade, utilizando regressão robusta para reduzir a influência de outliers e minimizar o erro na estimativa da altura; no segundo capítulo foi utilizada uma abordagem para obter equações de afilamento e volume compatíveis e aplicada análise multivariada para agrupar os dados em classes de idade, e no terceiro capítulo foi realizada a modelagem da produção e da prognose em nível global por meio do ajuste simultâneo do sistema de equações de área basal e volume de Sullivan e Clutter. Foram utilizadas mais de 32 mil observações coletadas num período de cinco anos em parcelas permanentes e 286 árvores cubadas. Nos três capítulos, distintos estimadores foram testados, sendo os principais: i) mínimos quadrados ordinários, ii) estimadores-M robustos para o ajuste de modelos hipsométricos, iii) regressões aparentemente não relacionadas para o ajuste dos sistemas de equações compatíveis de afilamento e volume e iv) mínimos quadrados em três estágios para o ajuste de sistema de equações de área basal e volume. O desempenho das equações ajustadas foi avaliado pelo coeficiente de determinação ajustado (R2aj.), correlação linear de Pearson ao quadrado (r2), erro quadrático médio (EQM), erro padrão da estimativa (Syx) e critério de informação de Akaike (AIC), ao passo que a eficiência dos ajustes foi analisada por meio do erro padrão dos coeficientes. Os resultados do capítulo 1 demostraram que a modelagem da relação hipsométrica de O. pyramidale por classes de sítio e idade torna-se apropriada, não obstante, devido à alta variabilidade dos dados com valores discrepantes, indica-se o uso de estimadores-M robustos; no capítulo 2 o agrupamento e a modelagem por classes de idade é apropriada e os sistemas compatíveis de equações de afilamento e volume resolveram o problema da incompatibilidade volumétrica, porém, devem ser ajustados por SUR para considerar a correlação dos resíduos; no capítulo 3 o sistema de equações de área basal e volume de Sullivan e Clutter demostrou ser acurado para a estimativa da produção e prognose em povoamentos com e sem desbaste, podendo ser utilizado para a simulação de desbaste, contudo, deve ser ajustado de forma simultânea para garantir maior confiabilidade nas estimativas. Palavras-chave: Pau-balsa. Regressão robusta. Equações correlacionadas. Ajuste simultâneo. Compatibilidade volumétrica.Abstract: Ochroma pyramidale (Cav. ex. Lam.) Urb. is a native tree species from tropical forest characterized by fast growth, low density and good mechanical resistance, which makes it suitable for different industrial uses. Most of O. pyramidale stands are located in Ecuador, acknowledged for the species' forest management and exports to almost all continents since the 1950s. Despite the species' forestry importance and the growing demand for its wood in international markets, few studies contribute with accurate and reliable estimates of its current and future wood stocks. Given this scenario, this thesis aimed to describe and evaluate the growth and yield of O. pyramidale stands in Ecuador, by means of the modeling of its main dendrometric attributes. The thesis is divided in three chapters: First - the height-diameter relationship by site-index and age classes through robust regression was approached in order to reduce the influence of outliers and minimize the error in height predictions; Second - an approach to obtain compatible volumetric and taper equations as well as multivariate analysis to group data into age classes was applied; and Third - the growth and yield modeling at global level was carried out by applying a simultaneous fit of the basal area and volume system of equations proposed by Sullivan and Clutter. More than 32,000 samples in permanent plots collected over a five-year period and data from 286 trees cut were applied. Within the three chapters, different estimators were tested to fit models, the main ones being the following: i) ordinary least squares; ii) robust M-estimators used for fitting height-diameter models, iii) seemingly unrelated regressions (SUR) for fitting compatible systems of tree taper and volume equations and iv) three-stage least-squares (3SLS) for fitting basal area and volume system of equations. The models' fit was evaluated by adjusted determination coefficient (R2aj.), Pearson squared correlation coefficient (r2), mean squared error (MSE), standard error of estimate (Syx) and Akaike information criterion (AIC); and the efficiency was analyzed by the standard error of the parameters. The results in chapter 1 demonstrated that the height-diameter relationship modeling of O. pyramidale by siteindex and age classes is adequate, yet, due to the high variability of the data with discrepant point, the use of robust M-estimators is indicated; in chapter 2, the grouping and modeling by age class showed to be adequate and the compatible systems of tree taper and volume equations solved the volumetric incompatibility issue, nevertheless, they must be fitted by SUR to include the correlation of the residuals; in chapter 3, the basal area and volume system of equations of Sullivan and Clutter proved to be accurate for growth and yield estimations in stands with and without thinning, being possible its application for thinning simulation, however, they must be simultaneously fitted in order to provide greater reliability of the predicted values. Keywords: Balsa-wood. Robust regression. Correlated equations. Simultaneous fitting. Volumetric compatibility

Crescimento de Acer negundo na arborização urbana de Curitiba – PR por meio de análise dos anéis de crescimento

A dendrocronologia é uma ciência que estuda os anéis de crescimento das árvores e fornece respostas a respeito não só da sua idade, mas também de eventuais perturbações no seu desenvolvimento ao longo do tempo. O presente estudo objetivou-se conhecer a idade de árvores de Acer negundo, bem como reconstruir a influência de variáveis climáticas na trajetória do seu desenvolvimento por meio de estudo dendrocronológico na arborização urbana de Curitiba. Foram amostradas aleatoriamente dez indivíduos de A. negundo dos quais foram coletadas amostras radiais pelo método não destrutivo (trado Pressler). As amostras foram processadas em laboratório, secas em temperatura ambiente e tiveram suas superfícies polidas com lixas de diferentes granulometrias para facilitar a identificação das camadas de crescimento. Posteriormente foram digitalizadas em resolução de 1200 ppp, e as imagens processadas por meio do software Image Pro Plus® 4.0 e analisadas com o auxílio do software COFECHA®. A relação do crescimento com as variáveis meteorológicas foi testada utilizando a correlação de Pearson com nível de probabilidade de 95%. A análise dendrocronológica revelou que as árvores de Acer negundo apresentam anéis anuais e distintos, com idades variando entre 13-46 anos.  A cronologia estabelecida compreendeu um período de 42 anos (1974-2015) com correlação entre árvores de 0,401. A análise de correlação entre a largura dos anéis de A. negundo e a precipitação indicou uma tendência positiva de correlação, em que a medida que a aumentam os valores de precipitação o crescimento radial da espécie é favorecid

Arborização em canteiros centrais na cidade de Patos, Paraíba

The arborization in the central urban area of cities is a practice that beautifies urban areas and reduces anthropogenic effects in these areas. The aim of the present study was to measure and assess the quality of trees located in the medians of the city of Patos, PB, through identifying, quantifying and characterizing the vegetation in three different medians and evaluating the risks these trees posed to the population. The analyzed vegetation included 166 individual trees belonging to 14 different species, 71.4% of which were exotic species. The most represented species were Azadirachta indica and Prosopis juliflora. Most of the tress were fully grown and measured over 10 cm DBH with heights ranging from 1.6 to 7.21 m. In relation to risk assessment, there were no specimens that interfered with the electrical networks, but the presence of hollow branches was found in low to medium levels. In most individuals the root systems were located underground, but it was observed that 70.1% of the evaluated trees had surface roots (neilóides), increasing their susceptibility to falling. This study concluded that most of the trees in the medians of Patos city are exotic and most of these trees have suffered inappropriate silvicultural intervention.A arborização de canteiros nas cidades é uma prática que embeleza e permiti reduzir efeitos antropogênicos. O trabalho objetivou quantificar e avaliar a qualidade das árvores localizadas em canteiros centrais da cidade de Patos-PB e o risco que elas representam para a população. Foi realizado o levantamento florístico em 1.391,95 m de canteiros centrais, registrando informações dendrométricas e qualitativas quanto aos aspectos das condições existentes no meio. Foram registrados 166 indivíduos representados em 14 espécies, sendo 71,4% exóticas com destaque para Azadirachta indica e Prosopis juliflora. A maioria das árvores são adultas e medem mais de 10 cm de DAP com altura variando entre 1,6-7,21 m. Em relação à avaliação do risco, não registrou-se indivíduos em conflito com as redes elétricas e sim a presença de galhos ocos nos níveis médio e leve. Na maioria dos indivíduos o sistema radicular apresenta-se subterrâneo, mas, observou-se que 70,1% não apresentam neilóides em superfície, aumentando a suscetibilidade de risco de queda desses indivíduos. Conclui-se que as espécies de maior ocorrência nos canteiros centrais da cidade de Patos são exóticas e que a maioria dos indivíduos sofreram intervenção silvicultural de forma inadequada

BEHAVIOR OF THE DIAMETRIC DISTRIBUTION OF ECOLOGICAL GROUPS IN A MIXED OMBROPHILOUS FOREST FRAGMENT

The Mixed Ombrophilous Forest is one of the most threatened ecosystems in Brazil. It is thus necessary to understand its dynamics of growth over time so that sustainable use and conservation management strategies be proposed. The objective of this study is to evaluate the behavior of the diametric distribution of two pioneer and non-pioneer ecological groups in a fragment of Mixed Ombrophilous Forest considering four years of evaluations: from 2002 to 2017. Exponential, Gamma, Weber and Weibull 3P density probability functions were adjusted. The diametric behavior of the forest and the ecological groups analyzed remained negative exponentially, being a characteristic of natural forests. The distributions that best adjusted were Weibull 3P for the forest as a whole and for the group of pioneers, and Weber for non-pioneers. We concluded that ecological groups have the same pattern of diametric distribution as the forest as a whole. However, different forest management strategies are necessary considering the intrinsic characteristics of each group.The Mixed Ombrophilous Forest is one of the most threatened ecosystems in Brazil. It is thus necessary to understand its dynamics of growth over time so that sustainable use and conservation management strategies be proposed. The objective of this study is to evaluate the behavior of the diametric distribution of two pioneer and non-pioneer ecological groups in a fragment of Mixed Ombrophilous Forest considering four years of evaluations: from 2002 to 2017. Exponential, Gamma, Weber and Weibull 3P density probability functions were adjusted. The diametric behavior of the forest and the ecological groups analyzed remained negative exponentially, being a characteristic of natural forests. The distributions that best adjusted were Weibull 3P for the forest as a whole and for the group of pioneers, and Weber for non-pioneers. We conclude that ecological groups have the same pattern of diametric distribution as the forest as a whole. However, different forest management strategies are necessary considering the intrinsic characteristics of each group

ACÚMULO DE PARTICULADOS ATMOSFÉRICOS E SUA INFLUÊNCIA NOS PIGMENTOS FOTOSSINTÉTICOS DE DUAS ESPÉCIES ARBÓREAS NA CIDADE DE PATOS-PB, BRASIL

Partículas atmosféricas contaminantes em áreas urbanas associadas principalmente com a queima de combustíveis fosseis se depositam, em parte, na superfície das folhas das árvores. Isso promove alterações físicas nas plantas que podem ser analisadas por meio de suas respostas metabólicas. Este estudo objetivou avaliar a eficiência no acúmulo de particulados atmosféricos pela folhagem, assim como determinar a influência dos particulados nos pigmentos fotossintéticos clorofila a e b e carotenoides em árvores de Tabebuia aurea (Silva Manso) Benth. & Hook. f. ex S. Moore e Azadirachta indica A. Juss. localizadas em praças públicas na cidade de Patos-PB. Foram selecionadas árvores localizadas em dez praças públicas com alto e baixo fluxo veicular. O acúmulo de particulados atmosféricos nas folhas das árvores foi quantificado em laboratório e correlacionado com os resultados do teor dos pigmentos fotossintéticos. A determinação dos teores de clorofila a e b e carotenoides foi realizada segundo o método de Lichtenthaler e Buschmann com leitura em espectrofotômetro. Foi aplicado o teste t (p < 0,05) para comparação de médias e calculado o coeficiente de correlação de Pearson para avaliar as interações entre as variáveis. Os resultados evidenciam que a espécie T. aurea é mais eficiente do que A. indica na captura de partículas contaminantes suspensas no ar através de sua folhagem. Não foi demostrada uma tendência clara da influência do acúmulo de particulados atmosféricos na clorofila a e b e carotenoides, assim como da influência do fluxo veicular na retenção de particulados atmosféricos por ambas espécies.Palavras-chave: Poluição atmosférica, fotossíntese, arborização urbana, serviços ecossistêmicos, semiárido brasileiro.  AbstractAccumulation of atmospheric particulates and their influence on the photosynthetic pigments of two tree species in the city of Patos-PB, Brazil,..Contaminant atmospheric particles in urban areas associated with the burning of fossil fuels are deposited in part on the surface of the trees’ leaves; this promotes physical changes in the plants that can be analyzed through their metabolic responses. This study aimed to evaluate the efficiency of the accumulation of atmospheric particulates in the foliage as well as to determine the influence of the particulates in the photosynthetic pigments chlorophyll a and b and carotenoids in Tabebuia aurea (Silva Manso) Benth. & Hook. f. ex S. Moore and Azadirachta indica A. Juss. located in public squares, in the city of Patos-PB. Trees located in public places with both high and low vehicle traffic were selected. The accumulation of atmospheric particulates in the trees’ leaves was quantified in laboratory and correlated with the results of the content of the photosynthetic pigments. The determination of the levels of chlorophyll a and b and carotenoids was performed according to the method of Lichtenthaler and Buschmann with a spectrophotometer reading. The t test was used (p <0.05) to compare means and the Pearson correlation coefficient was calculated to evaluate the interactions between the variables. The results show that the T. aurea species is more efficient than A. indica at capturing contaminating particles suspended in the air through its foliage. A clear trend of the influence of the accumulation of atmospherics particulates on chlorophyll a and b and carotenoids has not been demonstrated, as well as the influence of the vehicular flow on the retention of atmospheric particulates by both species. Keywords: Air pollution, photosynthesis, urban forest, ecosystem services, Brazilian semiarid

Improving the Modeling of the Height–Diameter Relationship of Tree Species with High Growth Variability: Robust Regression Analysis of Ochroma pyramidale (Balsa-Tree)

Ochroma pyramidale (Cav. ex. Lam.) Urb. (balsa-tree) is a commercially important tree species that ranges from Mexico to northern Brazil. Due to its low weight and mechanical endurance, the wood is particularly well-suited for wind turbine blades, sporting equipment, boats and aircrafts; as such, it is in high market demand and plays an important role in many regional economies. This tree species is also well-known to exhibit a high degree of variation in growth. Researchers interested in modeling the height-diameter relationship typically resort to using ordinary least squares (OLS) to fit linear models; however, this method is known to suffer from sensitivity to outliers. Given the latter, the application of these models may yield potentially biased tree height estimates. The use of robust regression with iteratively reweighted least squares (IRLS) has been proposed as an alternative to mitigate the influence of outliers. This study aims to improve the modeling of height-diameter relationships of tree species with high growth variation, by using robust regressions with IRLS for data-sets stratified by site-index and age-classes. We implement a split sample approach to assess the model performance using data from Ecuador's continuous forest inventory (n = 32,279 trees). A sensitivity analysis of six outlier scenarios is also conducted using a subsample of the former (n = 26). Our results indicate that IRLS regression methods can give unbiased height predictions. At face value, the sensitivity analysis indicates that OLS performs better in terms of standard error of estimate. However, we found that OLS suffers from skewed residual distributions (i.e., unreliable estimations); conversely, IRLS seems to be less affected by this source of bias and the fitted parameters indicate lower standard errors. Overall, we recommend using robust regression methods with IRLS to produce consistent height predictions for O. pyramidale and other tree species showing high growth variation.Open access journalThis item from the UA Faculty Publications collection is made available by the University of Arizona with support from the University of Arizona Libraries. If you have questions, please contact us at [email protected]