Mapping local and global variability in plant trait distributions

Our ability to understand and predict the response of ecosystems to a changing environment depends on quantifying vegetation functional diversity. However, representing this diversity at the global scale is challenging. Typically, in Earth system models, characterization of plant diversity has been limited to grouping related species into plant functional types (PFTs), with all trait variation in a PFT collapsed into a single mean value that is applied globally. Using the largest global plant trait database and state of the art Bayesian modeling, we created fine-grained global maps of plant trait distributions that can be applied to Earth system models. Focusing on a set of plant traits closely coupled to photosynthesis and foliar respiration - specific leaf area (SLA) and dry mass-based concentrations of leaf nitrogen (Nm) and phosphorus (Pm), we characterize how traits vary within and among over 50,000 ∼50×50-km cells across the entire vegetated land surface. We do this in several ways - without defining the PFT of each grid cell and using 4 or 14 PFTs; each model's predictions are evaluated against out-of-sample data. This endeavor advances prior trait mapping by generating global maps that preserve variability across scales by using modern Bayesian spatial statistical modeling in combination with a database over three times larger than that in previous analyses. Our maps reveal that the most diverse grid cells possess trait variability close to the range of global PFT means

Modelos de simulação espacial de efeitos de pastejo em vegetação campestre

O principal objetivo da tese foi desenvolver um modelo matemático computacional espacialmente explícito, de autômatos celulares (CA), capaz de simular a dinâmica de vegetação campestre sob pastejo, descrita por tipos funcionais de plantas (PFTs), ao invés de espécies. Com dados obtidos a campo, utilizou-se um método recursivo de identificação politética de PFTs a partir de atributos morfológicos das plantas, de forma a expressar máxima correlação com diversidade de espécies. A alternância entre condições experimentais de exposição e exclusão de pastejo permitiu produzir variação em padrões espaciais e temporais da composição da vegetação descrita por esses PFTs. A seguir buscou-se modelar a dinâmica da vegetação. Assumiu-se que a dinâmica da vegetação, embora complexa, pudesse ser simulada a partir de mecanismos relativamente simples incorporados a um modelo CA formado por uma grade de células (comunidades). Cada célula tem uma dada composição de PFTs a qual se altera a cada passo no tempo conforme a composição da própria célula e da vizinhança e matrizes de transição determinadas empiricamente com os dados experimentais. A dinâmica simulada da composição de comunidades excluídas do pastejo mostrou determinismo no sentido de um PFT único, característico daquelas comunidades. A mesma tendência não foi observada nas simulações de comunidades sempre pastejadas. Os resultados indicam uma razoável concordância entre a dinâmica simulada e real, para as comunidades excluídas; e uma discordância para as comunidades sempre pastejadas. Sugere-se que diferenças no arranjo espacial inicial das comunidades motivam falhas do modelo sob pastejo. O Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), na França, vem desenvolvendo um modelo simulador multi-agente espacializado como objetivo de representar realisticamente o manejo da vegetação campestre natural sob diferentes regimes de pastejo. Ele foi concebido como uma ferramenta de pesquisa para explorar o comportamento animal em pastagens heterogêneas Nesse modelo implícito e determinístico, uma definição funcional de três diferentes comunidades vegetais foi introduzida objetivando simular a dinâmica de pastagens multi-espécies. Isto foi feito pela intercambio de parâmetros do modelo com atributos funcionais da comunidade. Do ponto vista conceptual o modelo apresentou boa resposta e parece adequado para simular a dinâmica de uma vegetação campestre por atributos funcionais. O modelo apresentou um bom ajuste aos dados experimentais para alto nível de utilização, mas não tão bom para médio e baixo nível de pastejo, ou seja, comunidades vegetais mais heterogêneas. Reforça-se a idéia de que mais modelos que levem em conta a estrutura horizontal da vegetação são necessários

Modelos de simulação espacial de efeitos de pastejo em vegetação campestre

O principal objetivo da tese foi desenvolver um modelo matemático computacional espacialmente explícito, de autômatos celulares (CA), capaz de simular a dinâmica de vegetação campestre sob pastejo, descrita por tipos funcionais de plantas (PFTs), ao invés de espécies. Com dados obtidos a campo, utilizou-se um método recursivo de identificação politética de PFTs a partir de atributos morfológicos das plantas, de forma a expressar máxima correlação com diversidade de espécies. A alternância entre condições experimentais de exposição e exclusão de pastejo permitiu produzir variação em padrões espaciais e temporais da composição da vegetação descrita por esses PFTs. A seguir buscou-se modelar a dinâmica da vegetação. Assumiu-se que a dinâmica da vegetação, embora complexa, pudesse ser simulada a partir de mecanismos relativamente simples incorporados a um modelo CA formado por uma grade de células (comunidades). Cada célula tem uma dada composição de PFTs a qual se altera a cada passo no tempo conforme a composição da própria célula e da vizinhança e matrizes de transição determinadas empiricamente com os dados experimentais. A dinâmica simulada da composição de comunidades excluídas do pastejo mostrou determinismo no sentido de um PFT único, característico daquelas comunidades. A mesma tendência não foi observada nas simulações de comunidades sempre pastejadas. Os resultados indicam uma razoável concordância entre a dinâmica simulada e real, para as comunidades excluídas; e uma discordância para as comunidades sempre pastejadas. Sugere-se que diferenças no arranjo espacial inicial das comunidades motivam falhas do modelo sob pastejo. O Institut National de la Recherche Agronomique (INRA), na França, vem desenvolvendo um modelo simulador multi-agente espacializado como objetivo de representar realisticamente o manejo da vegetação campestre natural sob diferentes regimes de pastejo. Ele foi concebido como uma ferramenta de pesquisa para explorar o comportamento animal em pastagens heterogêneas Nesse modelo implícito e determinístico, uma definição funcional de três diferentes comunidades vegetais foi introduzida objetivando simular a dinâmica de pastagens multi-espécies. Isto foi feito pela intercambio de parâmetros do modelo com atributos funcionais da comunidade. Do ponto vista conceptual o modelo apresentou boa resposta e parece adequado para simular a dinâmica de uma vegetação campestre por atributos funcionais. O modelo apresentou um bom ajuste aos dados experimentais para alto nível de utilização, mas não tão bom para médio e baixo nível de pastejo, ou seja, comunidades vegetais mais heterogêneas. Reforça-se a idéia de que mais modelos que levem em conta a estrutura horizontal da vegetação são necessários

Respostas de tipos funcionais de plantas à intensidade de pastejo em vegetação campestre

O objetivo deste trabalho foi identificar respostas da vegetação campestre, caracterizada por espécies e tipos funcionais de planta, a diferentes intensidades de pastejo. O levantamento da vegetação, usando quadros de 0,25 m2, foi realizado na primavera e no verão. A descrição da estrutura da vegetação envolveu a identificação das espécies presentes em cada quadro, a estimativa de sua abundância-cobertura e a descrição das espécies considerando 21 atributos macromorfológicos qualitativos e quantitativos. A análise dos dados objetivou encontrar um subconjunto ótimo de atributos, definindo os tipos funcionais de forma a maximizar a congruência r(D; D) entre a variação da vegetação (matriz D) e do fator oferta de forragem (matriz D). A análise de ordenação permitiu a identificação de tipos funcionais que apresentaram respostas mais evidentes, em termos de abundância- cobertura. A composição da vegetação, descrita pelos tipos funcionais, foi comparada entre níveis de oferta de forragem, por análise de variância multivariada com testes de aleatorização, sendo detectadas diferenças significativas (P = 0,002). Quando a composição da vegetação foi descrita por espécies não foram observadas diferenças significativas. A utilização de tipos funcionais permite detectar efeito da intensidade de pastejo, não evidenciado em uma análise baseada na composição por espécies.The objective of this work was to identify responses of grassland vegetation, described by species and plant functional types, to different grazing intensities. In order to describe the vegetation, 0.25 m2 quadrats were used in the spring and summer. Vegetation description involved identification and cover-abundance estimation of the species in each quadrat. Each species was described by 21 macro-morphological qualitative and quantitative attributes. Data analysis aimed at identifying functional types as a subset of attributes that maximized the congruence r(D; D), between the variation of the vegetation (matrix D) and of the forage available (matrix D). Ordination revealed plant functional types that, concerning cover-abundance, responded more clearly to this factor. Multivariate analysis of variance with randomization testing was used to compare the vegetation composition, as described by plant functional types, among the forage available levels, and significant differences (P = 0.002) were observed. The differences were not significant when vegetation was described by the species composition. The use of plant functional types is more effective to detect the result of grazing intensity than the use of species composition

Development of a functional approach in a grassland vegetation sub-model = Desenvolvimento de uma abordagem funcional em um submodelo vegetal campestre

To improve our understanding of grassland dynamics under different levels of utilization, a functional description of the vegetation was introduced in a deterministic model. The selected traits and their parameterization were based on the results of a longtermexperiment in which temperate grasslands were managed for 12 years with three levels of herbage use: high, medium and low. The integration of functional attributes of the community species within the model’s parameters can be seen as a new step in the study ofthe grassland ecosystem. With this tool, it is possible to decrease the number of interconnections in the system and consequently decrease the complexity. In this work a, functional definition of three different grassland communities was introduced into the subvegetation model. This was done by interchanging the model’s parameters with the functional attributes of the communities. From the conceptual point of view, the subvegetation model works adequately and it seems suitable to simulate the dynamic ofgrassland vegetation described by functional traits. The model fits experimental data well for high levels of utilization, but was poorly adjusted at medium and low levels of herbage use. We believe this is due to a better simulation of green biomass fluxes than forsenescence or reproductive fluxes. Some possible improvements of the model are discussed.<br><br>Para aumentar a nossa compreensão sobre a dinâmica da vegetação campestre em diferentes níveis de utilização, foi introduzido num modelo determinístico uma descrição funcional da vegetação. Os atributos funcionais escolhidos e suas parametrizações foram baseadosem resultados de experimento de longo prazo, no qual pastagens temperadas foram manejadas por 12 anos com três níveis de utilização: alto, médio e baixo. A integração de atributos funcionais da comunidade vegetal nos parâmetros do modelo pode ser vista como um novo passo no estudo de ecossistemas pastoris. Com essa ferramenta, é possível reduzir o número de interconexões no sistema e consequentemente diminuir sua complexidade. Neste trabalho uma definição funcional de três diferentes comunidades vegetais campestres foi introduzida num submodelo vegetal. Isso foi feito pelo intercambio de parâmetros do modelo com atributos funcionais dacomunidade. Do ponto de vista conceitual, o submodelo vegetal funciona bem e parece adequado para simular a dinâmica da vegetação campestre descrita por atributos funcionais. Os resultados do modelo mostram bom ajuste destes aos dados experimentais para o alto nível deutilização mas não para o médio ou baixo nível de utilização de forragem. Nós acreditamos que isto se deve a melhor simulação dos fluxos de biomassa verde do que da senescência ou dos fluxos reprodutivos. Algumas possibilidades de melhorias do modelo são discutidas