Dominance vs. complementarity : a global analysis of the influence of plant functional community structure on ecosystem functioning measured as NDVI

Abstract

Diversos estudos teóricos, experimentais e observacionais têm demonstrado que as relações entre a biodiversidade e as funções ecossistêmicas (BEF) são determinadas pela estrutura funcional da comunidade (ou seja, pela distribuição dos atributos das suas espécies constituintes). Isso pode ocorrer por meio de dois mecanismos mutuamente não exclusivos: (1) a hipótese de dominância (também denominada de efeito de relação de massa), na qual os processos ecossistêmicos são influenciados pela média ponderada na comunidade de um dado atributo funcional (CWM) considerado relevante; (2) a hipótese de complementaridade, na qual a maior variabilidade de um atributo funcional na comunidade (FD) é uma expressão da complementariedade de nicho, o que beneficia o desempenho dos processos ecossistêmicos. Embora ambos os mecanismos já tenham sido amplamente estudados em comunidades de plantas em pequenas escalas espaciais, análises globais considerando distintos biomas ainda são necessárias. Neste estudo, a relação entre biodiversidade e funcionamento dos ecossistemas foi avaliada com base na integração entre uma base de dados global de parcelas de vegetação (sPlot), uma base de dados de atributos de espécies de plantas (TRY) e dados do Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) obtidos por sensoriamento remoto. O objetivo foi verificar, simultaneamente, os efeitos de dominância e de complementaridade sobre a produção de biomassa vegetal em ecossistemas campestres em todo o mundo. Os dados sobre a estrutura funcional das comunidades (CWM e FD) foram obtidos a partir da base de dados sPLOT e TRY, utilizando para isso atributos funcionais de plantas ecologicamente relevantes. O NDVI, considerado como aproximação da produtividade da vegetação, representa uma medida do funcionamento do ecossistema e foi obtido a partir do produto MOD13Q do sensor MODIS, com resolução espacial de 250m. Para garantir que as medidas de NDVI fossem derivadas apenas de ecossistemas campestres, sem a interferência de outras fisionomias vegetais, foram descartadas as parcelas do sPlot com presença de paisagens heterogêneas no seu entorno mediante consulta a um mapa global de cobertura e uso da terra (Globcover2009). Para quantificar os efeitos independentes da dominância e da complementariedade sobre as variações no NDVI , com controle das variáveis climáticas, foi utilizada uma análise de regressão múltipla do tipo commonality. Os resultados demonstraram que o principal preditor da variação no NDVI correspondeu a um conjunto de atributos funcionais das espécies dominantes relacionados com o espectro de economia da comunidade vegetal (atributos fast-slow), indicando a prevalência da hipótese de dominância (R2 ajustado = 0,65). Os efeitos evidentes da dominância e os efeitos potenciais da complementariedade são discutidos no contexto da sua relação com os fatores abióticos, sendo que a precipitação pluviométrica, em particular, parece ter maior influência tanto sobre a composição de atributos quanto sobre a produtividade. Apesar de algumas limitações metodológicas, a abordagem inovadora utilizada neste trabalho pode ajudar a esclarecer as relações entre biodiversidade e funções ecossistêmicas em escala global, dentro de uma perspectiva integradora e baseada em dados.

Theoretical, experimental and observational studies show that biodiversity ecosystem functioning (BEF) relationships are determined by functional community structure (i.e. trait distributions in a community) through two mutually non-exclusive mechanisms: (1) The dominance hypothesis (a.k.a. mass ratio effect) links ecosystem processes to the community weighted mean (CWM) of a relevant effect trait. (2) The complementarity hypothesis states that higher variability of a trait value within a community (FD) reflects niche complementarity enhancing ecosystem processes. While both mechanisms have been extensively studied in plant communities at small spatial scales, there is a need for global analyses across biomes. Here, a data driven approach to the BEF question is presented integrating a global vegetation plot database with a trait database and remotely sensed NDVI. The objective of this study was to simultaneously evaluate dominance and complementarity effects in grassland systems worldwide. Data on functional community structure (CWM and FD) were obtained from the global vegetation plot database sPlot in combination with the plant trait database TRY using 18 ecologically relevant plant traits. Ecosystem functioning at the selected sPlot sites (n = 2941) was measured as NDVI at a spatial resolution of 250m using the MODIS product MOD13Q (annual peak NDVI being a proxy of productivity). The landcover map Globcover2009 was used for characterization of landscape heterogeneity and landcover at each site, and plots in heterogeneous non-grassland pixels were discarded. Multiple regression commonality analysis was used to disentangle the contributions of complementarity and dominance effects to the variation in NDVI, while controlling for climate variables (adjusted R2 = 0.65). The results show that a plant community economics spectrum referring to the “fast-slow traits” of the dominant species in the community was the strongest predictor of the NDVI values in the grassland systems (dominance effect). Both, evident dominance and potential complementarity effects are discussed against the background of their interplay with abiotic factors and it is noted that especially precipitation seems to drive trait composition and productivity. Despite methodological shortcomings, the novel approach presented in this paper is considered a step towards a more integrative data-driven BEF debate at the global scale