dentre- e entre-órgãos: a importância da identidade e
dissimilaridade funcional do detrito
Mery Alencar e Adriano Caliman
Resumo
A interação entre detritos de diferentes qualidades pode gerar efeitos não-aditivos na decomposição, denominados priming effect (PE). Apesar da relevância global na decomposição, estudos sobre efeitos do PE se concentram em detritos foliares e relações interespecíficas. Porém, órgãos como flores possuem grande quantidade de nutrientes e açucares em comparação as folhas, e essas diferenças devem se manifestar a nível intra e interespecífico, nas quais interações entre os detritos podem aumentar a decomposição. Desta maneira avaliamos o efeito relativo da variação intra e interespecífica e suas interações na magnitude do priming effect. Para isso utilizamos detritos florais e foliares de três espécies, decompondo isoladamente e juntas em todos os pares de combinações possíveis, tanto intra como interespecífica, em uma abordagem experimental. As diferenças funcionais entre os tipos de detrito geraram efeitos sinérgicos na decomposição para a maioria dos tratamentos com interação entre flores e folhas. A magnitude foi maior em interações interespecíficas quando comparada as interações intraespecíficas. Apesar da ampla ocorrência de efeitos não-aditivos, não encontramos relação da magnitude do PE com a dissimilaridade funcional entre detritos foliares e florais tanto intra como interespecificamente. Nossos resultados indicam a importância das flores na aceleração da ciclagem de nutrientes, principalmente em locais com alta produção floral, gerando hotspots biogeoquímicos para a decomposição em ecossistemas terrestres.
37
Introdução
A decomposição é um importante processo ecossistêmico responsável pela formação de solo, reciclagem de nutrientes e liberação de CO2 para atmosfera, sendo
considerado um processo vital para o fluxo de energia e ciclagem de matéria nos ecossistemas (Schmidt et. al. 2011). Fatores climáticos como precipitação e temperatura, a qualidade do detrito e a abundância e diversidade funcional da comunidade de decompositores têm sido apontados como os principais fatores controladores do processo de decomposição em diferentes escalas espaciais
(Makkonen et al. 2012). Embora em escalas globais fatores climáticos como a
temperatura e umidade sejam os principais controladores da decomposição, a qualidade do detrito tem sido apontada como a característica mais importante para determinar o processo de decomposição em escalas locais e regionais (Powers et al. 2009; Zhang et al. 2008). O detrito que aporta nos ecossistemas terrestres e é depositado sobre o solo, é oriundo de diversos órgãos e espécies de plantas. Desta forma, o pool de detritos que constitui a serrapilheira nas florestas engloba um conjunto de detritos que apresentam características estruturais e químicas bastante heterogêneas, uma vez que espelham em sua constituição química e física características relacionadas as diferentes funções e estratégias de vida dos órgãos e espécies de onde se originam. Tal legado químico e estrutural originado dos tecidos vegetais ainda vivos tem a capacidade de afetar a sua decomposição após a morte, fator comumente chamado de afterlife effects (Wardle et al. 1998).
O aporte de detritos de diferentes qualidades, bem como suas interações, pode afetar direta e indiretamente o processo de decomposição. Os efeitos diretos se expressam na diferença de velocidade que detritos de melhor qualidade, ou seja, aqueles constituídos por matéria orgânica lábil (MOL), de mais fácil hidrolização e assimilação por microrganismos, são decompostos em relação aos detritos de constituição química mais refratária (MOR), ou de menor palatabilidade dos organismos decompositores. Entretanto, a heterogeneidade na qualidade de detritos tem sido apontada como um importante fator que altera indiretamente, ou seja, através da interação de detritos com qualidades contrastantes, a decomposição da MO nos ecossistemas. A interação entre MOL e MOR, em geral intermediada por microrganismos decompositores, pode gerar efeitos não-aditivos (i.e. sinérgicos ou antagônicos) no processo de decomposição, denominado como mecanismo de
38
priming effect (PE) (Kuzyakov, 2000; Luo et al. 2016). Apesar da grande quantidade
de estudos sobre o mecanismo de priming effect, os resultados são idiossincráticos no que diz respeito a sua ocorrência e direção, com efeitos positivos (Hamer e Marschner, 2005; Wang et al. 2019), neutros (Nottingham et al. 2009) e negativos (Blagodatskaya et al. 2007; Qiao et al. 2014). Assim, entender os potenciais mecanismos e fatores que podem afetar a ocorrência, direção e magnitude do PE é importante, principalmente por sua provável onipresença na natureza, uma vez que a MO nos ecossistemas naturais não é decomposta de forma individual, mas sim interativamente, o que pode ter profundas implicações no entendimento de ciclos biogeoquímicos globais (Guenet et al. 2018; Bastida et al. 2019).
Entretanto, diversas conjecturas com consequências ecológicas que vão além do conhecimento específico da relevância do mecanismo de PE, tornam-se passíveis de investigação à medida que os efeitos da interação entre o detrito floral e foliar passa a ser considerado na dinâmica do processo de decomposição. Por exemplo, inúmeras espécies de plantas coexistem simultaneamente nos ecossistemas terrestres de forma que o detrito foliar e floral proveniente das espécies que constituem a comunidade são passíveis de interagir intra- e interespecificamente ao longo de diferentes escalas temporais e espaciais. Tal possibilidade permite conjecturar se, e como, o mecanismo de PE é relativamente mais afetado por diferenças na qualidade do detrito que se expressam de maneira intraespecífica através da interação do detrito de diferentes órgãos de uma mesma espécie; de maneira interespecífica entre detritos de um mesmo órgão mas oriundos de espécies diferentes, ou finalmente de maneira interespecífica através da interação de detritos florais e foliares oriundos de espécies distintas (Figura 1). Além do mecanismo de PE, estes questionamentos são especialmente relevantes para o entendimento dos efeitos da diversidade de detritos para o processo de decomposição, uma questão que tem sido investigada preponderantemente através da manipulação funcional e taxonômica da diversidade de detritos foliares (Tardif e Shipley, 2015; Tobner et al. 2016). A mistura de detritos que podem variar significativamente em relação a atributos funcionais relevantes para o processo de decomposição, tanto a nível intra- como interespecífico, permite testar e melhor entender como a diversidade funcional e taxonômica pode determinar efeitos não-aditivos oriundos da mistura de detritos na decomposição.
39 Neste estudo utilizamos uma abordagem experimental para avaliar os efeitos intra- e interespecíficos relativos à interação entre detritos florais e foliares na ocorrência, direção e magnitude do mecanismo de priming effect. Para isso manipulamos em um experimento fatorial a diversidade funcional (representada por detritos florais e foliares) e taxonômica (oriundos de três espécies de plantas) de forma a permitir testar a existência de efeitos não-aditivos nas seguintes situações: (1) interação entre detritos de diferentes órgãos da mesma espécie (variação intraespecífica- DIFINTRA), (2) interação entre detritos do mesmo órgão oriundos de
diferentes espécies (variação interespecífica intradetrito- DIFINTER-S) e (3) interação
entre detritos de diferentes órgãos oriundos de espécies diferentes (variação interespecífica interdetrito- DIFINTER-D) (Figura1).
Desta forma nós testamos as seguintes conjecturas:
(i) Detritos florais e foliares, independentemente da origem taxonômica, apresentam grande diferença funcional nos atributos relevantes para a decomposição. Porém a diferença funcional interespecífica é maior que a diferença funcional intraespecífica;
(ii) Os efeitos não-aditivos sobre a decomposição serão maiores em tratamentos compostos por flores e folhas de espécies diferentes (DIFINTER-D) comparado aos tratamentos com detritos de flores e
folhas da mesma espécie (DIFINTRA), e aos tratamentos com detritos
do mesmo órgão proveniente de espécies diferentes (DIFINTER-S), pois
os efeitos conjuntos da diversidade funcional e taxonômica são maiores do que seus efeitos individuais;
(iii) Tratamentos com diferentes tipos de detritos, independentemente da sua origem taxonômica, (DIFINTER-D e DIFINTRA) terão efeitos não-
aditivos mais fortes do que tratamentos que misturam detritos do mesmo órgão provenientes de espécies diferentes (DIFINTER-S), pois
os efeitos da diversidade funcional entre detritos serão maiores do que as diferenças na diversidade funcional entre diferentes espécies para um mesmo tipo de detrito;
(iv) A interação apenas entre detritos florais provenientes de diferentes espécies (DIFINTER-SF) resultará em efeitos não-aditivos mais fortes
comparados aos observados nos tratamentos com a mistura de detritos foliares de diferentes espécies (DIFINTER-SL); pois a média e a
40 diferença interespecífica na qualidade do detrito floral são maiores do que as existentes para o detrito foliar;
(v) Os efeitos acima dependem da magnitude da dissimilaridade funcional existente nas respectivas misturas de detritos.
Materiais e métodos
Local de estudo e espécies utilizadas
O experimento de campo foi realizado entre outubro de 2017 e maio de 2018 no Centro de Lançamento Barreira do Inferno, Rio Grande do Norte, Brasil (5º55’30.00’’S e 35º9’47’’O). A região é caracterizada pelo clima tropical com uma estação seca severa (6-9 meses) e possui temperatura anual média de 26°C (Silva et al. 2018). A vegetação é composta por Restinga arbustiva e mosaico de floresta (Oliveira-Filho, 2009). Para a realização do experimento utilizamos um local com predominância de Restinga florestal e durante a estação úmida para evitar a limitação de água, a qual é um importante fator para a decomposição (Makkonen et al. 2013). As espécies utilizadas não são comumente encontradas no local do estudo. Mas por questões logísticas, optamos por utilizar um conjunto de espécies nas quais os detritos florais e foliares pudessem ser coletados em uma época próxima em quantidades suficientes para a realização do experimento. A escolha para a realização do experimento em campo, foi para assegurar a interação dos detritos com a comunidade decompositora, assim trazendo mais realismo para a nossa abordagem. Nosso objetivo foi construir um modelo para entender os efeitos dos diferentes componentes de variação intra e interespecífica na decomposição. Para isso utilizamos um subconjunto de espécies com os atributos já conhecidos para ambos os tipos de detritos (para detalhes ver: Capítulo 1).
Coletamos detritos florais e foliares, recentemente caídos, de Hibiscus
tiliaceus (sin. cient. Talipariti tiliaceum L. Fryxell), Tabebuia aurea (Benth. & Hook.
f ex S. Moore) e Spathodea campanulata (P. Beauv.). O detrito floral utilizado
consistiu das estruturas florais que são depositadas no solo durante a abscisão. Depois da coleta o detrito foi seco à 60°C durante 48 horas ou até atingir peso constante. Acondicionamos o material em local seco e protegido da luz para evitar mudanças na composição química.
41
Delineamento experimental e montagem do experimento
Os detritos florais e foliares de cada uma das 3 espécies foram colocados em microcosmos (ver abaixo) individualmente (i.e. monoculturas) e em todas as combinações par-a-par (i.e. misturas) possíveis de maneira a representar um desenho ortogonal entre os dois fatores manipulados no experimento, espécie (3 níveis) e tipo de detrito (2 níveis). Classificamos os tratamentos de mistura em três grupos: (1) órgãos diferentes da mesma espécie-DIFINTRA; (2) mesmo tipo de órgão de espécies
diferentes-DIFINTER-S; e (3) órgãos diferentes de espécies diferentes-DIFINTER-D
(Figura 1). Este arranjo resultou em 15 tratamentos contendo mistura de detritos e 6 tratamentos de monocultura de detritos. Cada tratamento foi replicado 6 vezes totalizando 126 microcosmos experimentais. Cada microcosmo, independentemente do tratamento, recebeu 2g de detrito, sendo que nas misturas essa quantidade foi dividida igualmente entre os tipos de detrito e/ou as espécies, totalizando 1g por espécie ou tipo de detrito (flor ou folha).
42
Figura 1. Representação do delineamento experimental ortogonal com detritos
florais e foliares em monoculturas e misturas para cada uma das três espécies estudadas: Hibiscus tiliaceus, Tabebuia aurea e Spathodea campanulata. Para os tratamentos de mistura foram utilizadas três categorias: variação intraespecífica (DIFINTRA), variação interespecífica com o mesmo tipo funcional (DIFINTER-S) e
detritos florais e foliares para espécies distintas (DIFINTER-D). Cada tratamento foi
replicado 6 vezes, totalizando 126 unidades experimentais.
Os microcosmos consistiram de recipientes plásticos (5 cm de largura e 10 cm de comprimento) cada um contendo uma camada de solo de aproximadamente 5 cm. Para facilitar o acesso da fauna edáfica assim como impedir o acúmulo de água da chuva, fizemos perfurações com diâmetro aproximado de 1 cm na base e lateral do microcosmos. O solo adicionado nos microcosmos foi coletado próximo ao local de realização do experimento, tendo sido peneirado e homogeneizado antes da adição nos microcosmos. Considerando que a serapilheira é majoritariamente constituída por detritos foliares nos tratamentos de misturas com detritos de órgão diferentes,
43 adicionamos primeiro a camada de detrito foliar seguida do detrito floral. Já para os tratamentos com o mesmo tipo de detrito a ordem da espécie foi aleatorizada. Malhas com 1mm de abertura foram colocadas entre o solo e o detrito e na parte superior, para evitar a perda de detrito durante a coleta ao final do experimento e a entrada de material alóctone, respectivamente. Os microcosmos foram aleatoriamente distribuídos em aproximadamente 10m², com uma distância de 10cm entre os microcosmos. Para manter os detritos dos microcosmos na mesma altura da camada de serapilheira no solo, enterramos os microcosmos a 5cm de profundidade no solo (Handa et al. 2014).
Após 210 dias de experimento retiramos, ainda em campo, o detrito presente em cada microcosmo, armazenamos em sacos de papel identificados e levamos imediatamente para o laboratório. O material dos microcosmos foi colocado em estufa à 60°C por 48 horas para peso constante. Nas misturas identificamos os detritos e separamos as espécies e/ou tipos de detrito por classificação visual. Posteriormente, os detritos de cada espécie ou tipo de detrito nas misturas foram separados por classificação visual e pesados individualmente. Principalmente para tratamentos constituídos apenas por detritos de um tipo funcional, a classificação e separação dos detritos foi baseada em características dos detritos nas monoculturas.
Estimativa de decomposição
Para cada microcosmo, estimamos a taxa de decomposição como a porcentagem de massa seca por tipo de detrito (monoculturas e misturas) ao fim do experimento em relação a sua massa inicial: MR= (Pf/Pi)*100, onde: Pf= peso final e Pi=peso inicial.
Para estimar a magnitude da decomposição nas misturas, total e detritos individualmente, em comparação as suas respectivas monoculturas, utilizamos o Efeito Relativo da Mistura (ERM):((Mono-Mix)/Mono)*100, onde: Mono= massa remanescente para monocultura e Mix= massa remanescente para misturas. O ERM foi calculado para a decomposição total das misturas, assim como para os detritos individualmente. Para isso, os valores de massa remanescente de cada detrito foram utilizados separadamente e conjuntamente na fórmula. Para avaliar a ocorrência de diferenças significativas do ERM foi estimado o intervalo de confiança (IC) de 95%
44 para os detritos, tanto conjuntamente quanto para os componentes da mistura individualmente, através do método de bootstrap, com 9999 iterações. Valores positivos e negativos indicam efeitos sinérgicos e antagônicos, respectivamente.
Atributos funcionais
A escolha dos atributos utilizados foi baseada nos melhores preditores da decomposição de detritos (Gárcia-Palacios et al. 2016). As estimativas das características funcionais de detritos florais e foliares foi feita para os seguintes atributos estruturais: lixiviação por 24 horas (LIX24), densidade (DEN) e capacidade
de retenção de água durante 6 (WHC6) e 24 (WHC24) horas (Peréz et al. 2013). Cada
atributo foi estimado utilizando 5 réplicas independentes de um dado detrito por espécie. Para atributos químicos medimos: concentração de nitrogênio total (N) estimado por digestão em ácido com destilação de Kjeldahl (Allen, 1974), concentração de fósforo total (P) estimado através de digestão e reação com molibdato (Fassbender, 1973) e concentrações de potássio (K), cálcio (Ca), Magnésio (Mg) e sódio (Na) de acordo com protocolos analíticos específicos para análise de nutrientes em tecidos vegetais (Zagatto et al. 1981). Os açúcares não-redutores (S- carb) foram estimados pelo método Antrona (Morris, 1948; Van Handel, 1968) em 300mg de detritos florais e foliares.
Analises estatísticas
Para avaliar as diferenças entre detritos florais foliares para as diferentes espécies em função dos atributos medidos, utilizamos a Analise de componentes principais (PCA), com a função “prcomp” do pacote “stats” (R Team, 2018). Previamente para evitar a colinearidade entre os atributos calculamos o VIF (em inglês Value Inflation Factor), após o que variavéis com valores maiores do que 10 foram excluídas das analíses (Var, 1998). Desta maneira, utilizamos os seguintes atributos: densidade (D), capacidade de retenção de água durante 6 (WHC6) e 24
(WHC24) horas, açucares não-redutores (S-carb), N, P, Ca, Na e S-carb:N.
Para avaliar a ocorrência de efeitos não-aditivos na decomposição, comparamos os valores de massa remanescente das misturas conjuntamente e
45 individualmente (valor observado), em relação as monoculturas (valor esperado), usando o teste t com correção de Welch para diferentes desvios-padrões. Para entender como os diferentes compartimentos de diversidade (funcional e taxonômica) afetam diferenças nos efeitos não-aditivos entre as categorias de tratamentos estabelecidas, comparamos os efeitos relativos da mistura (ERM) entre tratamentos compostos por flores e folhas de espécies diferentes (DIFINTER-D) e
tratamentos com detritos de flores e folhas da mesma espécie (DIFINTRA), para avaliar
efeitos interativos da diversidade funcional e taxonômica em comparação a efeitos apenas funcionais. Para testar a importância das diferenças funcionais entre detritos na magnitude dos efeitos não-aditivos, comparamos os ERMs de DIFINTER-D e
DIFINTRA com tratamentos nos quais as misturas eram de detritos do mesmo órgão
provenientes de espécies diferentes (DIFINTER-S). E para avaliar as diferenças dos
tipos funcionais, comparamos os ERMs de misturas constituídas apenas por detritos florais (DIFINTER-SF) e foliares (DIFINTER-SL).
Avaliamos a diversidade funcional com base na métrica de dispersão funcional (qD(TM)), que considera as diferenças entre as espécies como distâncias em um espaço multidimensional definido pelos valores dos atributos (Scheiner et al. 2017). Em função do pequeno tamanho amostral disponível para estimar a relação entre atributos e a decomposição, uma vez que esta relação precisa ser feita considerando os valores do atributo para cada espécie e a decomposição da espécie na monocultura, utilizamos atributos importantes para a decomposição baseados no capítulo 1, e que inclui as espécies utilizadas neste experimento. Para calcular a métrica de diversidade funcional selecionamos as variavéis que explicaram a decomposição para detritos florais e foliares em um trabalho anterior usando 30 espécies, que inclui as utilizadas nesse experimento. Para evitar colinearidade entre os atributos calculamos previamente as analises de diversidade funcional o VIF, variavéis com valores maiores do que 10 foram excluídas (Var, 1998), assim mantivemos WHC24, lixiviação24, e P. Consideramos a matriz de presença e ausência para espécies e tipo de detrito. Utilizamos o pacote FD (Laliberté et al. 2015) e um script do R escrito por Shan Kothari disponível no Github em: <https://github.com/ShanKothari/DecomposingFD>. Para todas as análises consideramos p<0,05 para resultados significativos e performados no software R 3.5.1 (R Team, 2018).
46
Resultados
Diferenças entre os tipos de detrito
Encontramos diferenças entre os detritos florais e foliares para os atributos medidos através da PCA (Figura 2). O primeiro eixo explicou 62,4% da variação, o qual foi associado a densidade (maior concentração nos detritos foliares), WHC24, N
e S-carb presentes em maiores concentrações nos detritos florais. O segundo eixo explicou 24% da variação e foi associado com P, Na e Ca, separando os detritos entre as espécies.
47
Figura 2. Análise de componentes principais para detritos florais (círculos) e
foliares (triângulos) para as três espécies com variância explicada por cada componente principal (PC). Atributos estruturais: WHC_24 (% peso seco) (capacidade de retenção de água por 24 horas) e densidade (g/cm³). Atributos químicos: Conteúdo (mg/g) de açucares não-redutores (S-carb), P, N e Ca.
Efeitos não-aditivos da decomposição
Detectamos efeitos não-aditivos para todos os tratamentos, porém a direção dos efeitos dependeu do tipo de detrito e se expresso a nível de mistura ou a nível de detrito individualmente. As interações entre flores e folhas geraram efeitos sinérgicos, em média gerando uma aceleração significativa da taxa de decomposição de ambos os detritos (t=3.834; p=0.0002). Os tratamentos com interação apenas entre detritos florais de diferentes espécies também apresentaram efeitos sinérgicos (t=2.812; p=0.0081), o que resultou em menor massa remanescente (i.e. maior
48 decomposição) em comparação ao esperado para as suas respectivas monoculturas. A interação entre detritos foliares de diferentes espécies, também gerou efeitos não- aditivos, entretanto estes foram em média antagônicos, com as folhas apresentado menor decomposição em misturas do que em monocultura (t=4.361; p=0.0001) (Figura 3). m is tu r a flo r fo lh a 0 2 0 4 0 6 0 8 0 M a s s a r e m a n e s c e n te (% d a m a s s a i n ic ia l) * * *
Figura 3. Efeitos não-aditivos comparando valores de massa remanescente
esperada (barras cinza) e observada (barras brancas) para os tratamentos com detritos florais e foliares (mistura) e o tipo do detrito separadamente. Barras representam média±DP. *p<0,05.
A interação entre os tipos funcionais (i.e. detritos florais e foliares) gerou efeitos de maior magnitude na decomposição, porém o componente taxonômico também foi importante. Obtivemos a maior magnitude do efeito não-aditivo em tratamentos com variação interespecífica de flores e folhas (DIFINTER-D), aumentando
a decomposição em 40%, enquanto tratamentos com diferentes órgãos da mesma espécie (DIFINTRA) tiveram um aumento em 11% (Figura 4a), indicando a
importância da interação entre efeitos da diversidade funcional e taxonômica. As interações entre detritos de diferentes tipos funcionais sejam intra ou interespecíficos foram maiores em comparação a interação entre detritos do mesmo tipo funcional (DIFINTER-S) (i.e apenas folhas ou apenas flores), que não tiveram efeitos
significativos (Figura 4b). Porém ao separar essa categoria por tipo funcional, percebemos que a interação entre flores gerou efeitos sinérgicos (aumento de 20%
49 na decomposição) e a interação entre folhas culminou em efeitos antagônicos (diminuição de 18% na decomposição), ressaltando as diferenças existentes entre os detritos, maior nos detritos florais (Figura 4c).
Tratamentos com interações apenas entre flores tiveram efeitos similares ao com variação intraespecífica (DIFINTRA). Em todos os tratamentos com efeitos
sinérgicos encontramos efeitos recíprocos entre os detritos, no qual o detrito com maior efeito foi dependente do tratamento (Figura S1). Os efeitos neutros foram causados por efeitos recíprocos em direções opostas. Efeitos negativos ocorreram em tratamentos compostos apenas por detritos foliares (Figura S1).
50
Figura 4. Efeito relativo da mistura (ERM) nos diferentes tratamentos de acordo
com as hipóteses. Símbolos indicam as diferentes categorias de tratamento, com o tipo de detrito (i.e flor ou folha) e o número de espécies (S) (i.e. 1 ou 2). A) variação intraespecífica e variação interespecífica (DIFINTRA) com detritos de diferentes
tipos funcionais (DIFINTER-D) (hipótese ii). B) Efeitos não-aditivos oriundos da
mistura de detritos de diferentes tipos funcionais tanto intra- quanto inter- especificamente (DIFINTRA + DIFINTER-D) com tratamentos contendo a mistura de
um mesmo detrito proveniente de espécies diferentes (DIFINTER-S) (hipótese iii). C)
Efeitos não-aditivos oriundos da mistura interespecífica de detritos florais (DIFINTER-SF) e detritos foliares (DIFINTER-SL) (hipóteses iv). Valores positivos e