Changes in soil and vegetation attributes during lowland Atlantic forest succession in Brazil

Abstract

Human disturbances, such as fragmentation and clear-cut logging, cause the loss of biodiversity and carbon stock, affect litter production, cause microclimatic changes at the forest floor, which affect soil nutrient dynamics, and consequently affect the ecosystem functioning. After a disturbance the process of secondary succession begins, which involves changes in plant and animal communities (mainly arthropods), carbon stock, litter production and soil properties. The Brazilian Atlantic forest is one of the most diverse and threatened tropical forest in the world, and its landscapes are mainly composed by small fragments that are in some stage of recovery from past human disturbance. These second-growth fragments have an important role in carbon mitigation and biodiversity conservation. To investigate the changes during forest succession and the resilience of lowland rain forests, we established three main objectives: (i) to assess the effects of whole-tree logging forest clearance on soil properties and their dynamics; (ii) to assess the effects of stand age on tree and ant species richness and composition, aboveground and total C pool, and soil nutrients (organic C, P, Al 3+ and sum of bases) and (iii) to estimate the time secondary lowland forests take to reach the mature forests levels for each parameter. This study was conducted in old-growth and second-growth lowland rain forests from northern Espírito Santo State, Brazil. To accomplish the objective (i) we analyzed and compared soil data (pH, P, Al 3+ , K + , Ca 2+ + Mg 2+ ), collected in two moments (1978, 2017), from an old-growth forest (control) and one adjacent forest that was cleared as part of a long-term experiment performed in 1980, at the Vale Natural Reserve (Espírito Santo State, Brazil). To accomplish the objective (ii-iii) we adopted a chronosequence approach with two old-growth and 11 second-growth forests at different ages, distributed in the northern Espírito Santo and southern Bahia States, Brazil. When assessing the effects of forest clearance on soil properties, we found no significant differences between treatments for any soil component (LMM; p>0.05). Thus, both forests showed the same soil dynamic along the 39 years of interval: increasing pH (LMM; p<0.01), and decreasing Al 3+ over the years (LMM; p<0.001), and no changes in P, K + and Ca 2+ + Mg 2+ (LMM; p>0.05). This result suggest that available P, and exchangeable bases K + , Ca 2+ + Mg 2+ may be resistant to whole-tree removal. Further studies comparing our results regarding the effects of forest clearance on soil properties with the long-term tree dynamic of similar forested areas will help to clarify and understand the pattern found. Moreover, when assessing the effects of forest regeneration on forest attributes, we found positive significant relations (p<0.001) between stand age and tree species richness and composition, ant species composition and carbon pool (total and aboveground), suggesting that these parameters can be used as indicators of forest recovery. However, we found no relationship between soil properties and forest regeneration (p>0.05). This study predicts that secondary lowland rain forests would take several years (57-126 yr) to recover species richness and composition, and much longer, 188 yr to recover C pool, and that these forests are potentially sequestering 1.04 Mg C ha -1 yr -1 , thus contributing to the important ecosystem service of CO 2 sequestration. Our findings suggest that ant species richness and soils of lowland forests can be resistant to human disturbances. Finally, our results indicate that lowland second-growth forests are resilient, but it would take approximately 50 to 100 years to recover the original state of biodiversity and ecosystem functioning, evidencing that we urgently need to develop strategies for selecting areas with highest natural regeneration potential.

Distúrbios antrópicos, como a fragmentação e o desmatamento, causam a perda de biodiversidade e estoque de carbono, afetam a produção de serapilheira, causam mudanças drásticas no microclima no chão da floresta o que afeta a dinâmica dos nutrientes do solo, e consequentemente, afetam o funcionamento do ecossistema. Após uma floresta sofrer distúrbio se inicia um processo de sucessão secundária, que envolve mudanças nas comunidades de plantas e animais (principalmente artrópodes), no estoque de carbono, produção de serapilheira e nas propriedades do solo. A Mata Atlântica brasileira é uma das florestas tropicais mais diversas e ameaçadas do mundo, e sua paisagem é composta principalmente por pequenos fragmentos que se encontram em algum estádio de regeneração devido à impactos humanos passados. Esses fragmentos em regeneração desempenham um importante papel na mitigação do carbono e na conservação da biodiversidade. Para investigar as mudanças ao longo da sucessão e a resiliência de florestas de tabuleiro, nós estabelecemos três objetivos principais: (i) avaliar os efeitos do corte raso, com remoção total das árvores, nas propriedades químicas do solo e sua resiliência; (ii) avaliar os efeitos da sucessão na riqueza e composição de árvores e formigas, estoque de carbono total e acima do solo, nos componentes do solo (C orgânico, P, Al 3+ e soma de bases); e (iii) o tempo que as florestas de tabuleiro em regeneração levariam para atingir os níveis de florestas maduras próximas, para cada parâmetro. Este estudo foi conduzido em florestas preservadas e florestas em regeneração do norte do Espírito Santo, Brasil. Para atingir o objetivo (i) analisamos e comparamos dados de solo (pH, P, Al 3+ , K + , Ca 2+ + Mg 2+ ), coletados em dois momentos (1978, 2017), de uma floresta madura (controle) e uma floresta próxima que sofreu corte raso como parte de um experimento de longo prazo realizado em 1980, na Reserva da Vale (Espírito Santo, Brasil). Para atingir os objetivos (ii-iii) nós adotamos uma abordagem de cronossequências utilizando duas florestas maduras e onze florestas em regeneração com diferentes idades, distribuídas nas regiões Norte do Espírito Santo e Sul da Bahia, Brasil. Ao avaliar os efeitos do corte raso nas propriedades do solo, nossos resultados mostraram que não houve diferenças significativas entre os tratamentos para nenhum dos componentes do solo (LMM; p>0.05). Sendo assim, ambas as florestas apresentaram a mesma dinâmica do solo ao longo dos 39 anos: aumento de pH (LMM; p<0.01) e diminuição de Al 3+ trocável ao longo dos anos (LMM; p<0.001), ausência de mudanças nos níveis de P, K + e Ca 2+ + Mg 2+ (LMM; p>0.05). Estes resultados sugerem que o P disponível e as bases trocáveis, K + e Ca 2+ + Mg 2+ , sejam resistentes ao corte raso de árvores. Outros estudos comparando estes resultados com a dinâmica das árvores das mesmas áreas ajudarão a esclarecer e entender o padrão encontrado. Além disso, ao avaliar os efeitos da regeneração nos atributos florestais, encontramos relações positivas e significativas (p<0.001) entre a idade do fragmento e a riqueza e composição arbórea, a composição de espécies de formigas e o estoque de carbono total e acima do solo, sugerindo que estes parâmetros podem ser usados como indicadores de recuperação florestal. No entanto, não encontramos relação entre as propriedades do solo e o avanço da sucessão (p>0.05). Este estudo prevê que as florestas de tabuleiro em regeneração levariam cerca de 57-126 anos para recuperar a riqueza e composição de espécies de árvores e formigas, e levariam muito mais, cerca de 188 anos para recuperar o estoque total de carbono. Além disso, essas florestas estão potencialmente sequestrando 1.04 Mg C ha - yr -1 , portanto contribuindo com um importante serviço ecossistêmico que é o sequestro de CO 2 . Nossas descobertas sugerem que a riqueza de formigas e os solos de florestais ombrófilas do norte do Espírito Santo podem ser resistentes a distúrbios antrópicos. Por fim, nossos resultados mostram que as florestas de tabuleiro são resilientes, porém levariam aproximadamente de 50 a 200 anos para recuperar o estado original de biodiversidade e funcionamento ecossistêmico, evidenciando a necessidade imediata de desenvolver estratégias para selecionar áreas com maior potencial de regeneração natural.