Modelling the seasonally dry tropical forests in the Semiarid region of Brazil: current and future distribution in CMIP-5 scenarios

Abstract

Climate models of the Intergovernmental Panel on Climate Change, 5th Assessment Report (IPCC AR-5) predict scenarios of increasing aridity in the semiarid region of Brazil throughout the 21st century. The expansion of the dry zone has a high potential for environmental and socio-economic impact 1n the region and may affect biodiversity, ecosystem services and agricultural systems severely. As a result, the impacts of environmental changes may lead to mass migration 1f they make these regions uninhabitable. To develop consistent conservation and adaptation strategies for impacts mitigation, 1t Is necessary to employ multiple tools to estimate the potential effects of environmental changes in ecosystems. One of these tools 1s the environmental niche modelling, whereby the current distribution of species and plant formations 1s compared to the potential distribution in climate scenarios. However, for the semiarid region of Brazil, no studies have assessed these potential impacts 1n detail, to date. To enable this, 1t is necessary to deepen the knowledge of the environment-vegetation relationship in the Seasonally Dry Tropical Forests that occur in the region. In this context, the central objectives of this thesis were: a) to differentiate the main vegetations found in the semiarid region, stressing the distinction between the Arboreal Caatinga and the Atlantic Dry Forest in the southem semiarid ecotone and, b) to evaluate the climate change impacts on vegetation distribution 1n the RCP 4.5 and RCP 8.5 scenarios. Itis concluded that climate change will lead to the expansion of the Caatinga biome, particularly southward (North of Minas) and to the west of Bahia. However, the General Circulation Models were conflicting, resulting in high uncertainty mn the prediction models. This uncertainty was significantly reduced with the inclusion of soil attributes, which led to more consistent outputs. Soil attributes were also crucial to distinguish vegetations 1n the current climate at the regional and local scales. The physiognomic-based criteria to distinguish Atlantic Dry Forest and Arboreal Caatinga in the southern semiarid ecotone was Inaccurate to represent the species pool. Conversely, climate and soil explamed most of the variation 1n species composition. The lower dissimilarity among Arboreal Caatinga communities suggests that this vegetation was changed by abiotic homogenization. Niche models can improve the phytogeographic classification and provide more accurate assessments of the environmental changes impacts 1n the semiarid region. Keywords: Climate change. Caatinga. Niche Modelling. Dry tropical forests.As projeções dos modelos climáticos nos cenários do quinto Relatório de Avaliação do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPPC AR-5) indicam aumento da aridez na região semiárida do Brasil ao longo do século XXI. A expansão da zona seca tem grande potencial de impacto ambiental e socioeconômico na região, podendo afetar a biodiversidade, os serviços ecossistêmicos e os sistemas agrícolas. Em consequência, os impactos da mudança ambiental podem levar a migrações em massa caso tornem essas regiões inabitáveis. Para desenvolver estratégias consistentes de conservação, adaptação e mitigação de impactos, é necessário o uso de múltiplas ferramentas que permitam estimar o efeito das mudanças ambientais nos ecossistemas. Uma destas ferramentas é a modelagem de nicho ambiental, através da qual a distribuição de espécies ou formações vegetais no presente é comparada com a distribuição potencial nos cenários climáticos. No entanto, para a região semiárida do Brasil, até o momento não há modelos que permitam avaliar esses impactos em detalhe. Para que isso seja possível, é preciso aprimorar o conhecimento da relação ambiente-vegetação nas Florestas Tropicais Sazonalmente Secas presentes na região. Neste contexto, os objetivos centrais desta tese foram: a) diferenciar as principais vegetações presentes na região semiárida, com ênfase na distinção entre a Caatinga Arbórea e a Floresta Decidual e, b) avaliar os impactos das mudanças climáticas na distribuição das vegetações nos cenários RCP 4.5 e RCP 8.5. Conclui- se que as mudanças climáticas levarão à expansão do bioma Caatinga, principalmente em direção ao sul (Norte de Minas) e oeste da Bahia. No entanto, os Modelos de Circulação Geral são contrastantes, o que resultou em maior incerteza nos modelos de predição. Essa incerteza foi significativamente reduzida com a inclusão de atributos do solo, os quais levaram à modelos mais consistentes. Os atributos do solo também foram essenciais para distinguir as vegetações no clima atual. A diferenciação fisionômica entre Caatinga Arbórea e Floresta Decidual foi imprecisa para representar a composição de espécies das comunidades, a qual foi explicada por clima e solo. Baixos valores de dissimilaridade foram verificados entre comunidades de Caatinga Arbórea, sugerindo que essa vegetação foi homogeneizada. O desenvolvimento de modelos de nicho podem contribuir para melhorar a classificação fitogeográfica e prover modelos mais precisos para avaliar os impactos das mudanças climáticas na região. Palavras-chave: Mudanças climáticas. Caatinga. Modelagem de nicho. Florestas Tropicais secas.