Plant- and Stand level variation in biophysical and physiological traits along tree density gradients in the Cerrad

Abstract

The objective of this study was to characterize and understand morphological and physiological variation in traits related to water economy, at the plant and stand level, along a gradient of tree density in a Neotropical savanna (Cerrado). Cerrado plots subjected to long-term fertilization and gallery forests were also included in the analysis to expand the axes of ecosystem variation. Consistent changes in stand level biophysical traits observed along the gradient of increasing tree density included a decrease in weighted-average wood density, and increases in leaf surface area per plant, leaf specific hydraulic conductivity, specific leaf area and stomatal conductance. A conceptual model of biophysical, morphological and physiological trait interactions was developed in an attempt to explain determinants of hydraulic architecture and variations in water economy of Cerrado trees. Consistent with the model minimum leaf water potentials were higher, during the dry season, in low wood density trees compared to high wood density trees, and higher leaf water potential was associated with higher stomatal conductance. On the other hand, variations in stand level physiological and morphological traits along the tree density gradient could not be explained by variations in single environmental factors. Some of the potential contributing factors are: higher concentration and availability of soil nutrients in the upper portion of the gradient where tree density is greatest and constrains to tree establishment and growth by waterlogging and presence of concretions in the soil profile where tree density is lowest. Key words: gallery forest, hydraulic architecture, nutrients, savannas, specific leaf area, wood densitygallery forest, hydraulic architecture, nutrients, savannas, specific leaf area, wood density

O objetivo deste estudo foi caracterizar e compreender as variações morfológicas e fisiológicas em atributos relacionados à economia da água, em nível de indivíduo e de parcela, que ocorrem ao longo de um gradiente de densidade arbórea em uma savana neotropical (cerrado). Parcelas de vegetação de cerrado submetidas a um experimento de adubação de longo prazo e matas de galeria também foram incluídas na análise, a fim de expandir os eixos de variação do ecossistema. Mudanças consistentes em atributos biofísicos em nível de parcela foram observadas ao longo do gradiente de densidade crescente de árvores. Estas incluíram uma diminuição na densidade média ponderada da madeira, aumentos na área foliar por planta, na condutividade hidráulica específica da folha, na área foliar específica e na condutância estomática. Um modelo conceitual das interações entre as características biofísicas, morfológicas e fisiológicas foi desenvolvido em uma tentativa de explicar os determinantes da arquitetura hidráulica e variações na economia de água de árvores do Cerrado. Consistente com o modelo, os valores mínimos de potencial hídrico durante a estação seca foram maiores nas árvores de baixa densidade de madeira, em comparação com árvores de alta densidade de madeira, enquanto os maiores valores de potencial hídrico foliar estiveram associados com maior condutância estomática. Por outro lado, ao longo do gradiente de densidade arbórea, as variações em nível de parcela das características morfológicas e fisiológicas não puderam ser explicadas por variações de um único fator ambiental. Alguns dos fatores contribuintes potenciais são: maior concentração e disponibilidade de nutrientes do solo na porção superior do gradiente de densidade arbórea onde há um maior número de árvores e restrições no estabelecimento e crescimento pela inundação periódica e pela presença de concreções no perfil do solo onde a densidade de árvores é mais baixa