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

TRY plant trait database – enhanced coverage and open access

Plant traits - the morphological, anatomical, physiological, biochemical and phenological characteristics of plants - determine how plants respond to environmental factors, affect other trophic levels, and influence ecosystem properties and their benefits and detriments to people. Plant trait data thus represent the basis for a vast area of research spanning from evolutionary biology, community and functional ecology, to biodiversity conservation, ecosystem and landscape management, restoration, biogeography and earth system modelling. Since its foundation in 2007, the TRY database of plant traits has grown continuously. It now provides unprecedented data coverage under an open access data policy and is the main plant trait database used by the research community worldwide. Increasingly, the TRY database also supports new frontiers of trait‐based plant research, including the identification of data gaps and the subsequent mobilization or measurement of new data. To support this development, in this article we evaluate the extent of the trait data compiled in TRY and analyse emerging patterns of data coverage and representativeness. Best species coverage is achieved for categorical traits - almost complete coverage for ‘plant growth form’. However, most traits relevant for ecology and vegetation modelling are characterized by continuous intraspecific variation and trait–environmental relationships. These traits have to be measured on individual plants in their respective environment. Despite unprecedented data coverage, we observe a humbling lack of completeness and representativeness of these continuous traits in many aspects. We, therefore, conclude that reducing data gaps and biases in the TRY database remains a key challenge and requires a coordinated approach to data mobilization and trait measurements. This can only be achieved in collaboration with other initiatives

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

Tipos funcionais em vegetação campestre: efeitos de pastejo e adubação nitrogenada

Este estudo objetiva identificar na vegetação campestre, descrita por espécies e tipos funcionais de planta (TFs), respostas a diferentes intensidades de pastejo e níveis de adubação nitrogenada. O experimento, conduzido em Eldorado do Sul, RS, Brasil, avaliou efeitos de adubação nitrogenada (0, 30, 100, 170 e 200 kg N/ha) e de oferta de forragem (4,0; 5,5; 9,0; 12,5 e 14,0 kg de matéria seca de forragem verde por 100 kg de peso vivo de bovinos por dia). As 14 parcelas experimentais foram pastejadas em ciclo de pastejo de 3 dias com 35 dias de intervalo. O levantamento da vegetação, usando quadros de 0,25m2, foi realizado em dois períodos: Na primavera (novembro de 1999) e no verão (janeiro de 2000), foram descritos três quadros e dois quadros por parcela, respectivamente. A descrição da estrutura da vegetação envolveu a identificação de todas as espécies presentes em cada quadro e estimativa de sua abundância-cobertura. Cada espécie identificada no quadro foi então descrita considerando 21 atributos macromorfológicos qualitativos e quantitativos. A análise dos dados, através do aplicativo SYNCSA, objetivou encontrar um subconjunto ótimo de atributos de forma a maximizar a congruência ρ(D;∆), que é uma medida de correlação matricial entre a variação da vegetação (matriz de distâncias D) e do fator considerado (matriz ∆). Na análise, foram consideradas diferentes seqüências de transformação dos dados e escalas de observação. TFs foram identificados como sendo populações de plantas idênticas quanto aos atributos do subconjunto ótimo. A congruência máxima para o fator adubação nitrogenada foi de 0,66 quando os quadros em cada parcela experimental foram agregados e a vegetação foi descrita por TFs definidos pelos seguintes atributos: formato da lâmina, altura da biomassa, persistência, propagação vegetativa, largura da lâmina e resistência da lâmina à tração. Para o fator oferta de forragem, a congruência máxima foi de 0,57, com os quadros também agregados, e os TFs definidos por comprimento da lâmina, altura da biomassa, formato da lâmina, comprimento da bainha, resistência da lâmina a tração, largura da lâmina, tipo de tecido dos caules aéreos e indumento da lâmina. A análise de ordenação permitiu a identificação de TFs que apresentaram respostas, em termos de abundância-cobertura, mais evidentes para cada fator. A composição da vegetação, descrita pelos TFs definidos pelo subconjunto ótimo de atributos, foi comparada entre níveis de cada fator, por análise de variância multivariada com testes de aleatorização. Foram detectadas diferenças significativas para o efeito de adubação nitrogenada (P = 0,025), sendo significativos (α = 0,05) os contrastes entre 0 e 170, 0 e 200, e 30 e 200 kg N/ha. Também foram detectadas diferenças significativas para o efeito de oferta de forragem (P = 0,002), sendo significativos (α = 0,05) os contrastes entre 4,0 e 12,5; 5,5 e 12,5; 4,0 e 9,0 % PV. Não foram significativas as diferenças entre tratamentos, para os dois fatores, quando a composição da vegetação foi descrita por espécies. Conclui-se que os atributos que são ótimos para definição de TFs para um dado fator não necessariamente o serão para outro fator, provavelmente não existindo, portanto, uma classificação de plantas em TFs que seja ótima para qualquer fator ambiental considerado

Tipos funcionais em vegetação campestre: efeitos de pastejo e adubação nitrogenada

Este estudo objetiva identificar na vegetação campestre, descrita por espécies e tipos funcionais de planta (TFs), respostas a diferentes intensidades de pastejo e níveis de adubação nitrogenada. O experimento, conduzido em Eldorado do Sul, RS, Brasil, avaliou efeitos de adubação nitrogenada (0, 30, 100, 170 e 200 kg N/ha) e de oferta de forragem (4,0; 5,5; 9,0; 12,5 e 14,0 kg de matéria seca de forragem verde por 100 kg de peso vivo de bovinos por dia). As 14 parcelas experimentais foram pastejadas em ciclo de pastejo de 3 dias com 35 dias de intervalo. O levantamento da vegetação, usando quadros de 0,25m2, foi realizado em dois períodos: Na primavera (novembro de 1999) e no verão (janeiro de 2000), foram descritos três quadros e dois quadros por parcela, respectivamente. A descrição da estrutura da vegetação envolveu a identificação de todas as espécies presentes em cada quadro e estimativa de sua abundância-cobertura. Cada espécie identificada no quadro foi então descrita considerando 21 atributos macromorfológicos qualitativos e quantitativos. A análise dos dados, através do aplicativo SYNCSA, objetivou encontrar um subconjunto ótimo de atributos de forma a maximizar a congruência ρ(D;∆), que é uma medida de correlação matricial entre a variação da vegetação (matriz de distâncias D) e do fator considerado (matriz ∆). Na análise, foram consideradas diferentes seqüências de transformação dos dados e escalas de observação. TFs foram identificados como sendo populações de plantas idênticas quanto aos atributos do subconjunto ótimo. A congruência máxima para o fator adubação nitrogenada foi de 0,66 quando os quadros em cada parcela experimental foram agregados e a vegetação foi descrita por TFs definidos pelos seguintes atributos: formato da lâmina, altura da biomassa, persistência, propagação vegetativa, largura da lâmina e resistência da lâmina à tração. Para o fator oferta de forragem, a congruência máxima foi de 0,57, com os quadros também agregados, e os TFs definidos por comprimento da lâmina, altura da biomassa, formato da lâmina, comprimento da bainha, resistência da lâmina a tração, largura da lâmina, tipo de tecido dos caules aéreos e indumento da lâmina. A análise de ordenação permitiu a identificação de TFs que apresentaram respostas, em termos de abundância-cobertura, mais evidentes para cada fator. A composição da vegetação, descrita pelos TFs definidos pelo subconjunto ótimo de atributos, foi comparada entre níveis de cada fator, por análise de variância multivariada com testes de aleatorização. Foram detectadas diferenças significativas para o efeito de adubação nitrogenada (P = 0,025), sendo significativos (α = 0,05) os contrastes entre 0 e 170, 0 e 200, e 30 e 200 kg N/ha. Também foram detectadas diferenças significativas para o efeito de oferta de forragem (P = 0,002), sendo significativos (α = 0,05) os contrastes entre 4,0 e 12,5; 5,5 e 12,5; 4,0 e 9,0 % PV. Não foram significativas as diferenças entre tratamentos, para os dois fatores, quando a composição da vegetação foi descrita por espécies. Conclui-se que os atributos que são ótimos para definição de TFs para um dado fator não necessariamente o serão para outro fator, provavelmente não existindo, portanto, uma classificação de plantas em TFs que seja ótima para qualquer fator ambiental considerado

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

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