Rare tree species in the Atlantic Rainforest: integrating ecological, spatial and taxonomic analyses

Abstract

The Brazilian Atlantic Rainforest, rich in endemic species, is severely fragmented and faces increasing pressure from human activities, which affect not only its structure and composition but also the ability to accurately monitor and conserve its biodiversity. To address persistent knowledge gaps, we analyzed long-term data across multiple forest fragments differing in land-use history (LUH) and environmental conditions. This research explores how anthropogenic and environmental factors, such as climate, soil, topography, and LUH, modulate taxonomic and functional diversity, forest dynamics, and the distribution of rare species in the Atlantic Rainforest. In Chapter 1, we investigated how environmental variables and LUH influence tree community diversity. Using forest inventory data from 136 plots across nine forest fragments, we calculated taxonomic and functional diversity indices and built linear mixed-effects models (LMMs) to evaluate the contribution of environmental and anthropogenic factors. Land-use history was included as a random effect, while climatic, topographic, and edaphic variables were grouped as fixed effects. Our results demonstrated that both diversity dimensions were highly heterogeneous across fragments. Taxonomic indices showed similar patterns, with greater explanation by precipitation and temperature. Functional indices were more influenced by climatic and anthropogenic variables, although random effects remained predominant in explaining total variance. In chapter 2, it was assessed how diversity, along with environmental and anthropogenic conditions, influences forest dynamics, particularly changes in abundance and aboveground biomass over time. We used 20 years of forest inventory data from 53 plots in four fragments, encompassing 24,379 individual measurements across 6,838 stems. We categorized species into abundance classes (common, intermediate, and rare) and examined net dynamics of abundance and biomass for each group using LMMs. Our findings revealed distinct demographic responses among abundance classes: common species declined in abundance but increased in biomass, while rare species increased in both. Explanatory variables differed among groups, with diversity and LUH being the most consistent drivers. Notably, rare species were more sensitive to edaphic gradients, whereas common species responded more strongly to climatic factors such as precipitation seasonality. These patterns underscore the importance of maintaining diversity to sustain forest biomass growth and resilience under changing environmental conditions. Chapter 3 focused on the distribution of rare and threatened species. Using data from 137 plots sampled over 30 years, we identified 17 new occurrences and reviewed 243 historical records of 12 rare species. These species showed limited representation in existing botanical collections, with several inconsistencies in taxonomic identification and geolocation. We emphasize the need for continued botanical sampling, especially in poorly explored mountainous regions, and for improved data curation in biodiversity repositories. Accurate information is essential for identifying conservation priorities and informing policy decisions to safeguard these vulnerable forest landscapes. Finally, in chapter 4, we propose and describe Myrcia magnipunctata (Myrtaceae), a new, rare and threatened species, characterized by sparsely branched treelets until then restricted to a fragment of Semideciduous Seasonal Forest in the municipality of Coronel Fabriciano. Keywords: abundance and biomass dynamics; community assembly; digital biodiversity repositories; environmental filtering; forest fragments; human-modified landscape; linear mixed-effects models; rare species conservationA Mata Atlântica brasileira, rica em espécies endêmicas, é severamente fragmentada e enfrenta crescente pressão de atividades humanas, que afetam não apenas sua estrutura e composição, mas também a capacidade de monitorar e conservar com precisão sua biodiversidade. Para abordar lacunas persistentes de conhecimento, analisamos dados de longo prazo em múltiplos fragmentos florestais com diferentes históricos de uso da terra (LUH) e condições ambientais. Esta pesquisa explora como fatores antropogênicos e ambientais, como clima, solo, topografia e LUH, modulam a diversidade taxonômica e funcional, a dinâmica florestal e a distribuição de espécies raras na Mata Atlântica. No Capítulo 1, investigamos como variáveis ambientais e o LUH influenciam a diversidade da comunidade arbórea. Utilizando dados de inventário florestal de 136 parcelas em nove fragmentos florestais, calculamos índices de diversidade taxonômica e funcional e construímos modelos lineares de efeitos mistos (LMMs) para avaliar a contribuição de fatores ambientais e antropogênicos. O histórico de uso da terra foi incluído como um efeito aleatório, enquanto variáveis climáticas, topográficas e edáficas foram agrupadas como efeitos fixos. Nossos resultados demonstraram que ambas as dimensões de diversidade eram altamente heterogêneas entre os fragmentos. Os índices taxonômicos mostraram padrões semelhantes, com maior explicação pela precipitação e temperatura. Os índices funcionais foram mais influenciados por variáveis climáticas e antropogênicas, embora os efeitos aleatórios tenham permanecido predominantes na explicação da variância total. No capítulo 2, foi avaliado como a diversidade, juntamente com as condições ambientais e antropogênicas, influencia a dinâmica florestal, particularmente as mudanças na abundância e biomassa acima do solo ao longo do tempo. Utilizamos 20 anos de dados de inventário florestal de 53 parcelas em quatro fragmentos, abrangendo 24.379 medições individuais em 6.838 troncos. Categorizamos as espécies em classes de abundância (comum, intermediária e rara) e examinamos a dinâmica líquida de abundância e biomassa para cada grupo usando LMMs. Nossas descobertas revelaram respostas demográficas distintas entre as classes de abundância: espécies comuns declinaram em abundância, mas aumentaram em biomassa, enquanto espécies raras aumentaram em ambos. As variáveis explicativas diferiram entre os grupos, com diversidade e LUH sendo os impulsionadores mais consistentes. Notavelmente, espécies raras foram mais sensíveis a gradientes edáficos, enquanto espécies comuns responderam mais fortemente a fatores climáticos, como a sazonalidade da precipitação. Esses padrões ressaltam a importância de manter a diversidade para sustentar o crescimento da biomassa florestal e a resiliência sob condições ambientais mutáveis. O capítulo 3 focou na distribuição de espécies raras e ameaçadas. Usando dados de 137 parcelas amostradas ao longo de 30 anos, identificamos 17 novas ocorrências e revisamos 243 registros históricos de 12 espécies raras. Essas espécies apresentaram representação limitada nas coleções botânicas existentes, com várias inconsistências na identificação taxonômica e geolocalização. Enfatizamos a necessidade de amostragem botânica contínua, especialmente em regiões montanhosas pouco exploradas, e de melhor curadoria de dados em repositórios de biodiversidade. Informações precisas são essenciais para identificar prioridades de conservação e informar decisões políticas para salvaguardar essas paisagens florestais vulneráveis. Por fim, no capítulo 4, propomos e descrevemos Myrcia magnipunctata (Myrtaceae), uma espécie nova, rara e ameaçada, caracterizada por arvoretas esparsamente ramificadas, até então restrita a um fragmento de Floresta Estacional Semidecidual no município de Coronel Fabriciano. Palavras-chave: dinâmica de abundância e biomassa; montagem de comunidade; repositórios digitais de biodiversidade; filtragem ambiental; fragmentos florestais; paisagem modificada pelo homem; modelos lineares de efeitos mistos; conservação de espécies raras