Biodiversity and ecosystem functioning across Brazilian vegetation: from savannas to forests

Abstract

Biodiversity, encompassing all life forms, is a critical driver of ecosystem processes, functioning, and services. Ecosystem functioning, shaped by biodiversity, has been studied through two paradigms: early studies focused on isolated biodiversity effects under controlled conditions, while current approaches emphasize nature-based, context-dependent studies. Key theories explaining biodiversity-ecosystem functioning relationships include niche complementarity, where species specialize in different niches, and the mass-ratio hypothesis, highlighting the role of dominant species’ traits. These relationships vary across ecosystems, influenced by biotic and abiotic factors, such as diversity, species richness, competition, facilitation, soil fertility, water availability, fire regimes, and others, which shape vegetation structure and diversity. In tropical ecosystems, contrasting resource limitations (e.g., water in dry vegetation and light in wet vegetation) drive functional trait variation, from conservative strategies in dry forests to acquisitive strategies in wet forests, impacting biodiversity-ecosystem functioning dynamics. Functional and phylogenetic diversity have proven to be superior metrics over species richness in explaining biodiversity-ecosystem functioning relationships, while abiotic factors and topography also influence ecosystem processes. Understanding these patterns is vital to mitigate biodiversity loss and its effects on ecosystem services, particularly under global change scenarios, where biodiversity-ecosystem functioning research can guide restoration and conservation by prioritizing diversity and adaptive strategies. Thus, the thesis is divided in the following chapters: Chapter 1, titled: “Vegetation transition in the Central Brazilian Cerrado is better explained by structure than tree composition differences”, and we propose two fundamental questions to be investigated in the Cerrado area of central Brazil: i) How variable is the vegetation structure and species between different Cerrado vegetation types? Second, ii) how strongly are vegetation structure and species composition linked? We hypothesize that vegetation types differ in both their structure and species composition, and that vegetation structure is tightly coupled to species composition, because of differences among species in how they deal with different types and degrees of different environments. Chapter 2, titled: “ Taxonomic diversity, phylogenetic diversity and functional dominance drive aboveground carbon stock in the Brazilian Cerrado”, and we aim to address three fundamental questions: 1) What is the difference in taxonomic diversity and carbon storage among the different vegetation types in the Cerrado? 2) Is taxonomic, functional, phylogenetic diversity or the community weighted mean of functional traits more important in driving AGC among the different vegetation types in the Cerrado? 3) Do relationships between diversity, functional traits and AGC differ among the different vegetation types in the Cerrado? We hypothesize that: i) taxonomic diversity and AGC follow the same pattern as the vegetation structure in the Cerrado, with higher levels in the taller vegetation types; and ii) the relationship between AGC and its drivers varies across vegetation types, primarily influenced by vegetation structure. Taller and denser vegetation exhibits a distinct pattern compared to other types. Finally, Chapter 3, titled: “Abiotic attributes outperform biodiversity in driving carbon storage across an environmental gradient in Brazilian tropical forests”. For this chapter we aimed to answer two questions: 1) What is the pattern of resource use strategies in Tropical Forests along a climatic gradient? 2) How do abiotic and biotic attributes drive AGC in Tropical Forests along a climatic gradient? Based on the continuum between acquisition (fast return and low energy cost) and resource conservation (slow return and high energy cost), we expect that wet forests present a community of plant species with acquisitive traits compared to dry forests, which are composed of more conservative ones. The mass ratio hypothesis (based on functional composition) and structural diversity could play a more significant role in dry forests, as functional trait composition (e.g., drought resistance traits) might be more critical in determining aboveground biomass stock than resource availability. Thus, we expect that across forests, the abiotic attributes (e.g., soil fertility, climate, and water availability) have a positive and direct effect on biotic (species richness and stem structural diversity) and an indirect and positive effect on AGC. Keywords: biodiversity ; functional traits; resource allocationA biodiversidade, que abrange todas as formas de vida, é um fator crítico na condução dos processos, funcionamento e serviços ecossistêmicos. O funcionamento dos ecossistemas, moldado pela biodiversidade, tem sido estudado por dois paradigmas: estudos iniciais focaram nos efeitos isolados da biodiversidade em condições controladas, enquanto abordagens atuais enfatizam estudos em contextos naturais e dependentes do ambiente. As principais teorias que explicam as relações entre biodiversidade e funcionamento do ecossistema incluem a complementaridade de nicho, onde as espécies se especializam em diferentes nichos, e a hipótese da razão de massa, que destaca o papel dos traços das espécies dominantes. Essas relações variam entre os ecossistemas, sendo influenciadas por fatores bióticos e abióticos, como diversidade, riqueza de espécies, competição, facilitação, como fertilidade do solo, disponibilidade de água, regimes de fogo, entre outros, que moldam a estrutura e a diversidade da vegetação. Nos ecossistemas tropicais, limitações contrastantes de recursos (por exemplo, água em vegetações secas e luz em vegetações úmidas) conduzem a variações nos traços funcionais, desde estratégias conservativas em florestas secas até estratégias aquisitivas em florestas úmidas, impactando as dinâmicas da relação entre biodiversidade e funcionamento ecossistêmico. A diversidade funcional e filogenética têm se mostrado métricas superiores à riqueza de espécies para explicar as relações entre biodiversidade e funcionamento ecossistêmico, enquanto fatores abióticos e topografia também influenciam os processos ecossistêmicos. Compreender esses padrões é fundamental para mitigar a perda de biodiversidade e seus efeitos sobre os serviços ecossistêmicos, especialmente em cenários de mudanças globais, a qual pesquisas sobre biodiversidade e funcionamento ecossistêmico BEF podem orientar esforços de restauração e conservação priorizando a diversidade e estratégias adaptativas. Assim, a tese está dividida nos seguintes capítulos: Capítulo 1, intitulado: “A transição da vegetação no Cerrado Brasileiro Central é melhor explicada pela estrutura do que pelas diferenças na composição das árvores”, propõe duas questões fundamentais a serem investigadas na área do Cerrado: i) Qual é a variabilidade na estrutura da vegetação e nas espécies entre os diferentes tipos de vegetação do Cerrado? ii) Quão fortemente estão relacionadas a estrutura da vegetação e a composição de espécies? Nossa hipótese é que os tipos de vegetação diferem tanto em sua estrutura quanto em sua composição de espécies e que a estrutura da vegetação está fortemente acoplada à composição de espécies, devido às diferenças entre as espécies em como elas lidam com diferentes tipos e graus de ambientes distintos.. Capítulo 2, intitulado: “Diversidade taxonômica, diversidade filogenética e dominância funcional conduzem o estoque de carbono acima do solo no Cerrado brasileiro”, tem como objetivo abordar três questões fundamentais: 1) Qual é a diferença na diversidade taxonômica e no estoque de carbono entre os diferentes tipos de vegetação no Cerrado? 2) A diversidade taxonômica, funcional, filogenética ou a média ponderada da comunidade (CWM) de traços funcionais é mais importante para conduzir o carbono acima do solo (AGC) nos diferentes tipos de vegetação no Cerrado? 3) As relações entre diversidade, traços funcionais e AGC diferem entre os tipos de vegetação no Cerrado? Hipotetizamos que: i) A diversidade taxonômica e o AGC seguem o mesmo padrão da estrutura da vegetação no Cerrado, com níveis mais altos nos tipos de vegetação mais altos; e ii) a relação entre o AGC e seus fatores determinantes varia entre os tipos de vegetação, sendo influenciada principalmente pela estrutura da vegetação. Vegetações mais altas e densas exibem um padrão distinto em comparação com outros tipos. Por fim, o Capítulo 3, intitulado: “Atributos abióticos superam a biodiversidade na influência sobre o armazenamento de carbono ao longo de um gradiente ambiental em Florestas Tropicais Brasileiras”, propõe responder a duas questões: 1) Qual é o padrão de estratégias de uso de recursos em florestas tropicais ao longo de um gradiente climático? 2) Como os atributos abióticos e bióticos influenciam o AGC em florestas tropicais ao longo de um gradiente climático? Com base no contínuo entre aquisição (retorno rápido e baixo custo energético) e conservação de recursos (retorno lento e alto custo energético), esperamos que florestas úmidas apresentem comunidades de plantas com traços aquisitivos em comparação com florestas secas, compostas por espécies com traços mais conservativos. A hipótese da razão de massa (baseada na composição funcional) e a diversidade estrutural podem desempenhar um papel mais significativo em florestas secas, já que traços funcionais relacionados à resistência à seca podem ser mais críticos para determinar o estoque de biomassa acima do solo do que a disponibilidade de recursos. Assim, esperamos que, entre as florestas, os atributos abióticos (por exemplo, fertilidade do solo, clima e disponibilidade de água) tenham um efeito direto positivo nos fatores bióticos (riqueza de espécies e diversidade estrutural do caule) e um efeito indireto e positivo no AGC. Palavras-chave: biodiversidade; atributos funcioanais; alocação de recurso