2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE BIOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE ECOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ECOLOGIA
MERY INGRID GUIMARÃES DE ALENCAR
O MECANISMO DE PRIMING EFFECT COMO MEDIADOR DOS EFEITOS DE INTERAÇÕES NÃO-ADITIVAS ENTRE DETRITOS
FLORAIS E FOLIARES NA DECOMPOSIÇÃO
.
NATAL/RN 2019
3 MERY INGRID GUIMARÃES DE ALENCAR
O MECANISMO DE PRIMING EFFECT COMO MEDIADOR DOS EFEITOS DE INTERAÇÕES NÃO-ADITIVAS ENTRE DETRITOS
FLORAIS E FOLIARES NA DECOMPOSIÇÃO
Dissertação apresentada ao programa de Pós-Graduação em Ecologia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos pré-requisitos para obtenção do título de mestre em Ecologia.
Orientador: Dr. Adriano Caliman Ferreira da Silva
NATAL/RN 2020
4
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Setorial Prof. Leopoldo Nelson - •Centro de Biociências - CB
Elaborado por KATIA REJANE DA SILVA - CRB-15/351 CDU 631.872 RN/UF/BSCB
1. Qualidade do detrito - Dissertação. 2. Efeitos não- aditivos - Dissertação. 3. Dissimilaridade funcional - Dissertação. I. Silva, Adriano Caliman Ferreira da. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título. Alencar, Mery Ingrid Guimaraes de.
O mecanismo de priming effect como mediador dos efeitos de interações não-aditivas entre detritos florais e foliares na decomposição / Mery Ingrid Guimaraes de Alencar. - Natal, 2020.
69 f.: il.
5 MERY INGRID GUIMARÃES DE ALENCAR
O MECANISMO DE PRIMING EFFECT COMO MEDIADOR DOS EFEITOS DE INTERAÇÕES NÃO-ADITIVAS ENTRE DETRITOS
FLORAIS E FOLIARES NA DECOMPOSIÇÃO
BANCA AVALIADORA
_______________________________________ Prof. Dr. Adriano Caliman Ferreira da Silva
Departamento de Ecologia-UFRN
_______________________________________ Prof. Dr. Andros Tarouco Gianuca
Departamento de Ecologia-UFRN
_______________________________________ Prof. Dr. André Tavares Corrêa Dias
Departamento de Ecologia-UFRJ
NATAL/RN 2020
6
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) -
Código de Financiamento 001
7 “I used to think the top environmental problems were biodiversity loss, ecosystem collapse and climate change. I thought that with 30 years of good science we could address those problems. But I was wrong. The top environmental problems are selfishness, greed and apathy… and to deal with those, we need a spiritual and cultural transformation.”
Gus Speth
Faça. Ou não faça. Não existe a tentativa.
8 AGRADECIMENTOS
Estou fechando mais um ciclo, e nesse momento várias lembranças vêm a minha mente, primeira quero pedir desculpas a quem eu não citei o nome, mas que isso não significa que você não foi importante na minha jornada.
Nesses últimos anos o Departamento de Ecologia se tornou a minha segunda casa, algumas vezes a primeira..., e o sentimento de lar vem das pessoas acolhedores e maravilhosas que trabalham nesse ambiente. Obrigada aos meus queridos: Dona Marlene, Kionara, Victor, André e Dimas pela ajuda, almoços compartilhados e conversas aleatórias.
A pós graduação trouxe muitas experiências novas, assim como novos colegas e amigos com quem tiver o prazer de compartilhar conhecimento. As aulas, em especial as disciplinas de campo, trazem uma imersão maravilhosa e nos tirar de nossa zona de conforto, apesar dos conflitos saímos com uma experiência maravilhosa, obrigada a todos os professores.
Em especial agradeço ao Professor Dr. Adriano Caliman, que me orienta na vida acadêmica desde a graduação. Obrigada pelo incentivo e conselhos para continuar trilhando a vida acadêmica, espero continuar aprendendo e crescendo como cientista com você.
Às minhas amigas, Thayná Rabelo e Iohara, mulheres cientistas, que toparam fazer parte do projeto She’Science e com isso inspirar e motivar mais meninas e mulheres a ingressarem e permaneceram na ciência. E claro a todos os outros momentos compartilhados, obrigada por tudo!!!
A todos os integrantes do Laboratório de Processos Ecológicos e Biodiversidade (LaPEB) pela parceria na vida acadêmica, apoio e momentos de diversão durante as coletas. Vocês todos estão no meu coração (André e Gabriel, por favor não chorem). Agradeço a minha mãe força motriz na minha motivação, confiança e apoio é impossível descrever em palavras todo o sentimento e gratidão que tenho.
Por fim, mas não menos importante, agradeço ao meu companheiro de vida Djerdesson, por todo apoio e incentivo, essa jornada fica mais leve graças a você.
9
Sumário
Resumo...10
Abstract...12
Capítulo 1 1. Padrões de ocorrência, direção e magnitude do mecanismo de priming effect na decomposição de detritos florais e foliares em misturas intraespecíficas 1.1 Introdução…………..……….………...16 1.2 Materiais e Métodos...……….……...18 1.3 Resultados………..………...….…………..22 1.4 Discussão...26 1.5 Referências………...………...………...30 Capítulo 2 Efeito do mecanismo de priming effect na decomposição de detritos florais e foliares em misturas intra- e interespecíficas e dentre- e entre-órgãos: A importância da identidade e dissimilaridade funcional do detrito 1.1 Introdução………...…….….36 1.2 Materiais e métodos…....………..……..………...……39 1.3 Resultados……….…….45 1.4 Discussão………..………….………...52 1.5 Referências………...…...56 Conclusão Geral…....………..………...62 Apêndice A………...….…..63 Apêndice B………...…..68
10
O mecanismo de priming effect como mediador dos efeitos de
interações não-aditivas entre detritos florais e foliares na
decomposição
Resumo
A interação entre detritos com diferentes qualidades pode gerar efeitos não-aditivos na decomposição, fenômeno denominado priming effect (PE). Apesar do crescente entendimento sobre a relevância global do PE para a decomposição nos ecossistemas, generalizações dos seus efeitos oriundos da interação entre detritos de diferentes órgãos vegetais são concentrados em detritos foliares e rizosfera. Entretanto, se e como o mecanismo de priming effect ocorre na interação entre detritos foliares e florais é algo ainda não evidente na literatura. Comparativamente às folhas, flores costumam ser órgãos de menor longevidade e portanto, tende a possuir maior concentração de nutrientes do que o detrito foliar. Tal diferença na qualidade nutricional entre os dois tipos de detritos deve se manifestar tanto a nível intraespecífico quanto interespecífico. Desta forma, essa dissertação aborda, em dois capítulos, a importância relativa de efeitos de detritos florais e foliares na ocorrência, magnitude e direção do priming effect. No primeiro capítulo, buscamos entender os efeitos do priming effect a nível intraespecífico. Para isso conduzimos ensaios experimentais com misturas entre detritos florais e foliares, para 30 espécies com ampla distribuição filogenética. A interação entre os detritos gerou efeitos não-aditivos para a maioria dos tratamentos, com interações sinérgicas e recíprocas (i.e. efeitos não-aditivos manifestado em ambos os tipos de detrito) em 53% das espécies. No segundo capítulo avaliamos o efeito relativo da variação intra e interespecífica e suas interações na magnitude do priming effect. Para isso utilizamos uma abordagem experimental com detritos florais e foliares de três espécies decompondo isoladamente e juntas em todos os pares de combinações possíveis tanto intra como interespecífica. Detritos florais apresentaram maiores concentrações de nutrientes e retenção de umidade o que são importantes atributos para a decomposição, o que resultou em maiores taxas de decomposição comparado aos detritos foliares. As diferenças funcionais entre os tipos de detrito geraram efeitos sinérgicos na decomposição, para a maioria dos tratamentos com interação entre flores e folhas.
11 Com maior magnitude ocorrendo 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. Os resultados indicam que o mecanismo de priming effect é um importante mediador de efeitos não-aditivos na interação entre detritos florais e foliares, tanto a nível intraespecífico quanto interespecífico. Estes resultados são particularmente interessantes pois alertam para a importância biogeoquímica da decomposição de detritos florais, tanto diretamente (i.e. através da própria decomposição), quanto indiretamente (i.e. através da mediação da decomposição do detrito foliar). Desta forma, espécies vegetais que investem largamente na produção de flores podem atuar como um hotspot biogeoquímico no tocante a ciclagem de nutrientes em ecossistemas terrestres. Palavras-chave: efeitos não-aditivos; diversidade funcional; variação intraespecífica; variação interespecífica; atributos funcionais
12 Abstract
The interaction between litter with different qualities generate non-additive effects on the decomposition, a phenomenon called priming effect (PE). Despite the global relevance of PE for decomposition in ecosystems, generalizations of their effects from the interaction between litter from different plant organs are concentrated in leaf litter and rhizosphere. However, whether and how the priming effect mechanism occurs in the interaction between leaf and floral litter is not yet evident in the literature. Compared to leaves, flowers tend to be organs of less longevity and therefore tend to have a higher concentration of nutrients than leaf litter. Such difference in nutritional quality between the two types of litter must be manifested at both intraspecific and interspecific levels. Thus, this dissertation addresses, in two chapters, the relative importance of effects of floral and leaf litter on the occurrence, magnitude and direction of the priming effect. In the first chapter, we seek to understand the effects of the priming effect at the intraspecific level. For this, we conducted experimental tests with mixtures between floral and leaf litter, for 30 species with wide phylogenetic distribution. The interaction between the litter generated non-additive effects for most treatments, with synergistic and reciprocal interactions (i.e. non-additive effects manifested in both types of debris) in 53% of the species. In the second chapter, we evaluate the relative effect of intra and interspecific variation and their interactions on the magnitude of the priming effect. For this we use an experimental approach with floral and leaf litter of three species decomposing separately and together in all pairs of possible combinations for intra and interspecific. Floral litter showed higher concentrations of important attributes for decomposition, which resulted in higher decomposition rates compared to leaf litter. Functional differences between types of litter generated synergistic effects on decomposition, for most treatments with interaction between flowers and leaves. The major magnitude occurred in interspecific interactions when compared to intraspecific interactions. Despite the widespread occurrence of non-additive effects, we found no relationship between the magnitude of the PE and the functional dissimilarity between leaf and floral debris both intra and interspecifically. The results indicate that the priming effect mechanism is an important mediator of non-additive effects in the interaction between floral and leaf litter, both at intraspecific
13 and interspecific level. These results are particularly interesting because they alert to the biogeochemical importance of the decomposition of floral litter, both directly (i.e. through the own decomposition), and indirectly (i.e. through the mediation of the decomposition of leaf litter). In this way, plant species that invest heavily in the production of flowers can act as a biogeochemical hotspot in terms of nutrient cycling in terrestrial ecosystems.
Keywords: non-additive effects; functional diversity; intraspecific variation; interspecific variation; functional trait
14
Capitulo 1. Padrões de ocorrência, direção e magnitude do
mecanismo de priming effect na decomposição de detritos florais e
foliares em misturas intraespecíficas
Mery Alencar e Adriano Caliman
Resumo
Alterações nas taxas de decomposição da matéria orgânica mediadas pela interação entre detritos vegetais de diferentes qualidades (mecanismo de priming effect) representa um importante processo biogeoquímico para a dinâmica de reciclagem e estoque de nutrientes e carbono nos solos. No entanto, os padrões de ocorrência, direção e magnitude do mecanismo de priming effect na decomposição considerando interações intraespecíficas entre detritos de diferentes órgãos vegetais são pouco explorados na literatura. A nível intraespecífico diferenças químicas, estruturais e no ciclo de vida de flores e folhas devem repercutir em padrões na qualidade do detrito destes órgãos. Flores em geral são órgãos com vida mais efêmera, apresentam baixa reabsorção de nutrientes durante a senescência e baixa necessidade de investimento em tecidos estruturais. Consequentemente, o detrito floral deve possuir maior quantidade relativa de nutrientes por unidade de massa (i.e. melhor qualidade) em comparação ao detrito foliar. Este fato pode desencadear a ocorrência dos efeitos de
priming effect na decomposição da mistura de detritos florais e foliares. Neste
capítulo avaliamos experimentalmente e a nível intraespecífico a ocorrência, direção e magnitude de efeitos não-aditivos da mistura de detritos florais e foliares na decomposição de 30 espécies de plantas. Nós hipotetizamos que: (i) O detrito floral, em média entre as espécies, apresenta maior taxa de decomposição em comparação ao detrito foliar; (ii) a mistura de detritos floral e foliar gera, em média entre as espécies, efeitos não-aditivos significativos na decomposição; (iii) a magnitude dos efeitos não-aditivos da mistura de detritos é, em média entre as espécies, sinérgico (i.e. positivo) e significativamente maior sobre a decomposição do detrito foliar; e (iv) os efeitos não-aditivos na decomposição são positivamente relacionados à dissimilaridade funcional entre os tipos de detrito. Detritos florais tiveram maior concentração de N e capacidade de retenção de água (WHC24), enquanto detritos
foliares maior densidade. Essas diferenças também são expressas nas taxas de decomposição com flores decompondo mais do que folhas em monoculturas. Efeitos
15 sinérgicos (i.e. positivos) e recíprocos (i.e. manifestados nos detritos de ambos os órgãos) na decomposição de flores e folhas ocorreram para a maioria das espécies (53%), porém em diferentes magnitudes, com flores acelerando sete vezes mais a decomposição das folhas. O efeito recíproco parece ser resultado das diferenças dos atributos medidos entre os tipos de detrito. Apesar da ampla ocorrência dos efeitos sinérgicos, não encontramos relação da magnitude do priming effect com a dissimilaridade funcional entre detritos foliares e florais. As flores parecem ter um relevante papel na ciclagem de nutrientes diretamente (i.e. através da própria decomposição) e indiretamente (i.e. por acelerar a decomposição dos detritos foliares). Esses efeitos podem ser mais fortes para espécies que produzem grandes quantidades de flores, representando espécies-chave sob o ponto de vista biogeoquímico para a decomposição.
16
Introdução
A decomposição é um processo ecológico crucial para o funcionamento dos ecossistemas, em função da sua importância nos ciclos biogeoquímicos de diversos elementos na biosfera (Jackson et al. 2017; Waring, 2013). Fatores climáticos como temperatura e precipitação, são os principais controladores da decomposição em largas escalas espaciais (Makkonen et al. 2012). Entretanto, em escalas locais, a densidade e diversidade da fauna decompositora, e principalmente a qualidade do detrito exercem efeitos importantes sobre as taxas de decomposição (García‐Palácios et al. 2016). A entrada de matéria orgânica (MO) nos solos ocorre principalmente via o aporte de tecidos senescentes (i.e. detritos) das plantas (Cebrian et al. 1999). A qualidade do detrito, (i.e. proporção entre nutrientes e constituintes estruturais que compõem o detrito) de diferentes órgãos vegetais, como folhas, frutos, galhos e flores pode variar amplamente, tanto intra- como interespecificamente. A diferença de qualidade do detrito é importante para determinar a sua velocidade de decomposição nos ecossistemas, sendo a matéria orgânica lábil (MOL) a que apresenta decomposição mais rápida e de melhor qualidade, e a matéria orgânica refratária (MOR) de decomposição mais lenta e considerada de pior qualidade. Entretanto, a heterogeneidade na qualidade entre diferentes detritos nos ecossistemas, pode determinar também a ocorrência de propriedades emergentes ou efeitos não-aditivos durante o processo de decomposição, fenômeno denominado priming effect (PE) (Kuzyakov et al. 2000; Kuzyakov et al. 2002).
No priming effect a entrada de MOL pode acelerar (priming effect positivo) ou diminuir (priming effect negativo) a decomposição da MOR (Guenet et al. 2010a). Fungos e bactérias são os principais responsáveis, direta e indiretamente, pela maioria dos casos de PE descritos na literatura (Blagodatskaya e Kuzyakov, 2013). Os mecanismos para explicar o PE ainda não estão claros. Apesar disso, os mais frequentemente invocados são: ativação microbiana, diferenças estequiométricas e limitação de N (Blagodatskaya et al., 2008, Perveen et al. 2019, Wild et al. 2019). Esses não são mutualmente exclusivos e a sua importância relativa pode variar de acordo com os fatores que afetam a disponibilidade energética e razões estequiométricas da matéria orgânica (Kuzyakov et al. 2002), com consequências diretas para magnitude e direção do PE. A base dos mecanismos do priming effect parecem estar ligadas as dissimilaridades químicas (i.e. funcionais) entre os detritos
17 (Grace et al. 2006; Mary et al. 1993), podendo ser explicado pela complementaridade no uso dos recursos presentes no detrito por diferentes decompositores.
A primeira tentativa de implementação do PE em modelos globais revelou uma redução de 51% no sequestro de carbono nos solos (Chen et al. 2019; Guenet et al. 2018), destacando a potencial relevância ecológica dos efeitos interativos entre detritos de diferentes qualidades na degradação da matéria orgânica. Apesar da importância do PE e seus estudos desde os anos 20 (Löhnis, 1926) ainda há poucas generalizações sobre o fenômeno. Grande parte dos trabalhos são feitos em ambientes temperados, utilizando substâncias lábeis mais simples (i.e., sucrose e sacarose) e focados em detritos foliares e rizosfera (Kuzyakov et al. 2010; Liu et al. 2020). Detritos foliares são os tipos de detritos mais considerados para estudos de decomposição em ambientes terrestres, em função da sua maior contribuição em biomassa (Grime et al. 1998). No entanto, detritos foliares oferecem relativamente pouco valor nutricional quando comparado as outras fontes potenciais de detritos nos ecossistemas terrestres. Recentes trabalhos indicam que a interação entre detritos foliares e detritos de outros órgãos (i.e. frutos) geram o priming effect (de Paz et al. 2018). As plantas investem diferentemente entre seus órgãos, e essas características se mantem pós senescência, assim a variação nos atributos químicos e estruturais dos diferentes tecidos vegetais influenciam a taxa de decomposição não apenas do mesmo tipo de detrito entre espécies, mas também dos detritos de diferentes órgãos de uma mesma espécie (Freschet et al. 2012). Assim, diferenças intraespecíficas entre órgãos podem ser uma importante rota pouco explorada do priming effect. Flores são órgãos com funções reprodutivas, e geralmente efêmeras comparado as folhas. Desta forma, devido à baixa longevidade, possuem em geral menor quantidade de tecidos estruturais e baixa reabsorção de nutrientes durante a senescência. Os detritos florais contêm moléculas mais simples, de baixo peso molecular (açucares, aminoácidos, carboidratos), com propriedades polares, sendo mais solúveis em água, enquanto as folhas são constituídas principalmente por polissacarídeos complexos, com características hidrofóbicas (Falchini et al. 2003). Estas diferenças químicas e estruturais devem tornar o detrito floral com características mais lábeis comparado ao detrito foliar. Desta forma, as diferentes estratégias das plantas para a produção de órgãos podem gerar uma diversidade funcional entre detritos a nível intraespecífico. Tal fato pode ter repercussões importantes e gerais no que se refere
18 a ocorrência e importância do mecanismo de priming effect sobre a decomposição da MO ao longo de diferentes espécies de plantas.
Desta maneira, o objetivo deste trabalho é avaliar a generalidade da importância do mecanismo de PE na determinação de efeitos não-aditivos na decomposição, oriundo da interação a nível intraespecífico de detritos florais e foliares em 30 espécies de plantas. Especificamente, nossas hipóteses são: (i) O detrito floral, em média, apresenta maior taxa de decomposição em comparação ao detrito foliar; (ii) a mistura de detritos floral e foliar gera, em média entre as espécies, efeitos não-aditivos significativos na decomposição; (iii) a magnitude dos efeitos não-aditivos da mistura de detritos é, em média, sinérgico (i.e. positivo) e significativamente maior sobre a decomposição do detrito foliar; e (iv) os efeitos não-aditivos na decomposição são positivamente relacionados à dissimilaridade funcional entre os tipos de detrito.
Metodologia
Local de estudo
O experimento foi realizado entre dezembro de 2018 e junho de 2019, 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 estação seca severa (6-9 meses), temperatura média anual de 26°C e precipitação média anual de 1746mm, concentrada entre os meses de março e agosto (Silva et al. 2018). A vegetação é composta por Restinga arbustiva e mosaico de floresta (Oliveira-Filho, 2009). O experimento foi feito durante a estação chuvosa em local com predominância de Restinga florestal.
Coleta de espécies
Amostramos detritos florais e foliares para 30 espécies pertencentes a 14 famílias (Tabela S1), e coletamos o material após senescência em no mínimo 5 indivíduos por espécie. As espécies usadas no experimento não foram comumente encontradas no local de estudo. Ao invés disso, por razões logísticas, priorizamos utilizar um conjunto de espécies onde o detrito foliar e floral pudesse ser coletado em
19 uma época próxima, e em quantidade que permitisse a realização do experimento. Embora a maioria das espécies usadas não ocorra na restinga, a escolha de realizar o experimento no campo foi para garantir que uma ampla comunidade de decompositores, incluindo micro e macro-organismos, pudesse colonizar o detrito, e assim trazer mais realismo ao experimento. O detrito floral nem sempre consistiu de toda a estrutura reprodutiva, mas sim de estruturas florais que em geral se depositam no solo após a abscisão. Depois da coleta secamos o material na estufa à 60°C durante 48 horas ou até atingir peso constante. Acondicionamos o material em local protegido da luz e umidade para evitar mudanças na composição química.
Desenho experimental
Para testar os efeitos da mistura de detritos florais e foliares na magnitude da decomposição, usamos a técnica de common garden, a qual consiste na comparação da decomposição das espécies em um ambiente padronizado para evitar que outros fatores afetassem o processo analisado. Utilizando microcosmos como unidades experimentais (ver abaixo), foram colocados 1,5g de detritos florais e foliares para decompor sozinhos (i.e. monoculturas) e 0,75g de cada detrito para decompor em mistura. Desta forma, ambos os tratamentos, monocultura e mistura tiveram uma mesma biomassa de detrito no início do experimento. Cada tratamento foi replicado 5 vezes, totalizando 450 microcosmos.
Os microcosmos consistiram de garrafas plásticas (5cm de largura e 10cm de profundidade), cada um contendo uma camada de solo com aproximadamente 5cm de profundidade. Para facilitar o acesso da macrofauna decompositora bem como impedir o acúmulo de água da chuva, os microcosmos tiveram perfurações de diâmetro aproximado de 1cm na base e em suas laterais. O solo adicionado em cada microcosmo foi coletado próximo ao local de realização do experimento no campo e o mesmo foi peneirado e homogeneizado antes da colocação nos microcosmos. Considerando que, em geral, a serrapilheira é constituída majoritariamente de detritos foliares, sendo estes responsáveis pela maior cobertura do solo, nos tratamentos de mistura nós acrescentamos primeiro a camada de detrito foliar, seguida do detrito floral. Malhas com 1mm de abertura foram colocadas em cada microcosmo entre o solo e o detrito e na parte superior dos microcosmos para evitar a perda de detrito no
20 ato da coleta ao final do experimento e a entrada de material alóctone, respectivamente. Os microcosmos foram aleatoriamente distribuídos em uma área de solo de aproximadamente 30m². Uma distância de 15cm foi mantida entre cada microcosmo. Para manter a altura da liteira dentro dos microcosmos nivelada com a altura da liteira no ambiente, e assim permitir melhor colonização da fauna decompositora, os microcosmos foram enterrados a 5 cm de profundidade no solo (Handa et al. 2014).
Após 180 dias de experimento, o detrito presente em cada microcosmo foi retirado cuidadosamente de cada microcosmo ainda em campo, acondicionado em sacos de papel identificados e levados imediatamente para o laboratório. Os detritos foram colocados para secar em estufa à 60°C por 48 horas ou até atingir peso constante. Após a secagem, o conteúdo de cada microcosmo foi triado em uma bandeja para separação de partículas de solo e restos de animas. Nos microcosmos contendo a mistura de detritos florais e foliares, a separação dos detritos remanescentes foi feita por classificação visual. Pelo fato de os detritos florais apresentarem um maior grau de decomposição do que o detrito foliar, para a maioria das espécies sua identificação foi feita por exclusão em relação ao detrito foliar.
Estimativa de decomposição
Para cada microcosmo, estimamos a taxa de decomposição como a porcentagem de massa remanescente para cada tipo de detrito (nas misturas e monoculturas) em relação a massa inicial: MR= (Mf/Mi)*100, onde Mf= peso final e Mi=peso inicial.
Para quantificar a magnitude do processo de decomposição de cada tipo de detrito nas misturas em relação às suas respectivas monoculturas, utilizamos a métrica do efeito relativo da mistura (ERM) (Wardle et al. 1997). O ERM é calculado conforme a fórmula: ERM= ((Mono-Mix)/Mono)*100, onde Mono=massa remanescente de um dado detrito em monocultura e Mix=massa remanescente para as misturas, nas quais o detrito estava presente. O ERM foi calculado tanto para a decomposição da mistura agregada quanto também para cada tipo de detrito individualmente. Para isso, valores de massa remanescente de cada tipo de detrito foram utilizados na fórmula separadamente e conjuntamente. Valores de ERM
21 positivos e negativos indicam efeitos sinérgicos e antagônicos na decomposição dos detritos em mistura comparados às suas monoculturas, respectivamente.
Atributos funcionais
A escolha dos atributos medidos foi baseada na sua utilização na literatura como bons preditores funcionais da decomposição de detritos (García-Palacios et al. 2016; Handa et al. 2014; Hattenschwiller et al. 2005;). Para estimar as características funcionais de cada tipo de detrito para as 30 espécies de plantas utilizadas, os seguintes atributos estruturais foram avaliados para ambos os tipos de detritos: 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 cada tipo de 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).
Analises estatísticas
Para avaliar diferenças na taxa de decomposição (% massa remanescente inicial) entre detritos florais e foliares na monocultura utilizamos Teste-t com correção de Welch para diferentes desvios-padrões. Para avaliar a ocorrência, direção e magnitude do priming effect, primeiro avaliamos se os valores de ERM diferiam de 0, com valores positivos indicando efeitos sinérgicos, e negativos indicando efeitos antagônicos. Para avaliar a magnitude do fenômeno, comparamos as diferenças entre os valores médios obtido na mistura e para cada tipo de detrito separadamente. Depois, avaliamos os tipos de efeito obtido em cada detrito para cada espécie. Os intervalos de confiança 95% foram calculados através do método de bootstraping com 9999 réplicas.
22 Para identificar quais atributos medidos foram importantes para explicar a decomposição em mistura fizemos regressões lineares e mantivemos apenas os com efeitos significativos (Tabela S2). Para evitar colinearidade entre os atributos usamos o VIF (em inglês value inflation factor) e excluímos variáveis com valores acima de 10 (Var, 1998). Assim, mantivemos os seguintes atributos: LIX24, WHC24 e K.
Avaliamos a diversidade funcional usando a métrica de dispersão funcional -qD(TM), que considera as diferenças entre as espécies, em nosso caso, tipo de detrito, como a distância em um espaço multidimensional definido pelos valores dos atributos (Scheiner et al. 2017). Usamos o pacote FD (Laliberté et al. 2015) e um script do
software R desenvolvido por Shan Kothari disponível no Github: <https://github.com/ShanKothari/DecomposingFD>. Todas as análises foram realizadas no R 3.5.1 (R Team, 2018). Usamos nível de significância de p<0,05.
Resultados
Conforme esperado, as flores tiveram, majoritariamente, maiores taxas de decomposição comparado aos detritos foliares (t=11,49; p<0,0001) (Figura 1a). Em média, detritos florais apresentaram massa remanescente de 13% e detritos foliares massa remanescente de 47% nas monoculturas (Figura 1b).
23
Figura 1. a) Percentual de massa remanescente (média, n=5) de detritos florais (barra preta) e foliares (barra
branca) das 30 espécies decompondo separadamente. b) Média entre as espécies (n =150) do percentual de massa remanescente dos detritos florais e foliares decompondo separadamente (t=11,49; p<0,0001). Barras representam em (a) média± DP e em (b) média ±IC de 95%. Para abreviação do nome das espécies ver Tabela S1.
De maneira geral a interação entre flores e folhas resultaram em efeitos não-aditivos na decomposição, assim como a ocorrência de efeitos recíprocos e sinérgicos em ambos os tipos de detrito. O efeito sinérgico foi mais forte dos detritos florais sob foliares, com flores aumentando a decomposição dos detritos foliares em cerca de 70%, enquanto as folhas geraram um aumento médio de 10% na decomposição das flores (Figura 2a). Ao olhar detalhadamente para os diferentes tipos de resposta, vemos que a interação entre flores e folhas resultaram em efeitos não-aditivos para a maioria dos tratamentos, no quais 53% são interações positivas e recíprocas entre os detritos (Figura 2b). Para as espécies com efeitos em ambas as direções (i.e. positivo e negativo), os efeitos negativos foram de maior magnitude, resultando na diminuição da decomposição. Efeitos positivos das flores e negativos das folhas foram encontradas em 17% das espécies. Já o efeito contrário, positivo das folhas e negativo para as flores em apenas 10% das espécies. Efeitos positivos para apenas um tipo de detrito e neutro para o outro ocorreram em 16% das espécies, nos quais flores e folhas geraram um aumento de 26% e 41%, respectivamente. Apenas para Senna
macranthera a interação entre detritos gerou efeitos neutro das flores e negativo das
24
Figura 2. a) Magnitude do efeito relativo da mistura (ERM) para a decomposição combinada (flor+folha) e em
cada tipo de detrito nas misturas. b) Efeito relativo da mistura (ERM) do detrito floral sobre a decomposição do detrito foliar (eixo y) e do detrito foliar sobre o detrito floral (eixo x) para as 30 espécies de plantas estudadas. Valores nos quadrantes indicam porcentagem de tratamentos significativos dentro de cada categoria. Símbolos em cada quadrante representam: (++) efeitos sinérgicos recíprocos (a interação entre detritos florais e foliares potencializa a decomposição de ambos); (--) efeitos antagônicos recíprocos (interação entre detritos florais e foliares prejudica a decomposição de ambos); (+-) efeitos assimétricos sinérgicos das flores sobre as folhas e antagônico das folhas sob as flores e (-+) efeitos assimétricos antagônicos das flores sobre as folhas e sinérgico das folhas sobre as flores. Tratamentos sem barras têm valores menores do que o tamanho do símbolo. Barras representam intervalos de confiança de ± 95%.
Apesar dos efeitos não-aditivos encontrados na magnitude da decomposição em função da interação entre os diferentes tipos de detritos para a maioria das espécies, não encontramos uma relação significativa entre os efeitos não-aditivos e a dissimilaridade funcional para a decomposição de detrito floral (F = 2,176; p = 0,1514; Figura 3A) e foliar (F = 3,364; p = 0,0773; Figura 3B), porém para este, vemos um padrão interessante, no qual a partir de um limiar de dissimilaridade os valores de ERM se tornam positivos. Já para a mistura de detritos agregadas os efeitos
25 não-aditivos não foram relacionados com a dissimilaridade funcional (F = 0,0357; p = 0,8559; Figura 3C).
Figura 3. Efeito da dissimilaridade funcional intraespecífica de detritos foliares e
florais sobre o efeito relativo da mistura (ERM) para detritos (a) floral, (b) foliar e (c) ambos tipos de detritos somados. Símbolos indicam valores médios e barras de erros o intervalo de confiança de 95% para cada espécie. Tratamentos sem barras de erros têm valores menores do que o tamanho dos símbolos.
26
Discussão
De acordo com o nosso conhecimento esse é o primeiro trabalho a avaliar os efeitos interativos de detritos florais e foliares e seus efeitos na decomposição. De maneira geral, observamos que o detrito floral possui uma maior taxa de decomposição em comparação ao detrito foliar, o que corrobora nossa primeira hipótese. Além disso, a interação entre detritos florais e foliares geraram efeitos sinérgicos nas misturas, assim como para os diferentes tipos funcionais (i.e. detritos florais e foliares) separadamente, de acordo com nossa segunda hipótese. Detectamos efeitos recíprocos para a maioria das espécies (53%), porém com efeitos assimétricos, nos quais foram mais fortes os efeitos dos detritos florais sob os foliares, aumentando a decomposição em 70%, enquanto que detritos foliares aumentaram a decomposição de flores em 10%, corroborando nossa terceira hipótese. Este resultado parece ser em virtude das diferenças nas concentrações de nutrientes e componentes estruturais, que favorecem a decomposição entre ambos os tipos de detritos. Efeitos recíprocos em diferentes direções (i.e. efeito positivo e negativo) também foram observados, porém não encontramos efeitos antagônicos recíprocos. Apesar dos padrões encontrados de efeitos não-aditivos para a grande maioria das espécies, não há relação significativa com a diversidade funcional. Porém os nossos resultados são importantes indicadores de como interações intraespecíficas entre órgão com diferentes qualidades podem afetar a magnitude da decomposição, sendo o priming effect o mediador dessa relação.
A qualidade do detrito é um dos principais aspectos mediando a decomposição. Assim, fatores como concentrações de compostos estruturais (i.e lignina e celulose), macronutrientes e micronutrientes (i.e. carbono, nitrogênio, fósforo e cálcio) são importantes ao determinar a magnitude do processo (Hattenschwiller et al. 2005; Wang et al. 2016). Além disso aspectos estruturais do detrito, como a capacidade de retenção de água, são importantes para acelerar o processo de decomposição, já que a limitação por água também afeta a taxa de decomposição (Makkonen et al. 2012). Os trabalhos de priming effect focam principalmente nas concentrações de C, N e P. Porém, recentes trabalhos indicam a importância de micronutrientes e capacidade de retenção de água para o processo (Alencar et al. 2017; Chao et al. 2019). Detritos florais advém de órgãos especializados na reprodução contendo na estrutura compostos ricos em energia,
27 como néctar e altas concentrações de nutrientes. Apesar da reabsorção parcial de compostos durante o processo de senescência, a composição pós senescência ainda favorece a decomposição. Como demonstrado em nosso trabalho, detritos florais tiveram maiores concentrações de N, P e capacidade de retenção de água (ver: Apêndice). Já os detritos foliares vêm de órgãos especializados na captação de luz e possuem uma grande quantidade de compostos estruturais como lignina e celulose, e baixas concentrações de nutrientes, resultando em um material mais refratário (Fachini et al. 2003). Apesar de não termos medido compostos estruturais, os detritos foliares apresentaram maior densidade, que é relacionado a quantidade de compostos estruturais (Ibrahima et al. 2019). Essas características retratam o padrão obtido para as 30 espécies analisadas, as quais apresentaram maiores taxas de decomposição dos detritos florais quando comparado aos detritos foliares.
Como os detritos florais são a matéria orgânica lábil (MOL) do nosso trabalho, esperávamos um efeito que apenas essas ativassem o processo de priming effect, acelerando a decomposição dos detritos foliares. De maneira geral, a interação entre detritos florais e foliares gerou efeitos não-aditivos na decomposição, com um aumento médio de 40% nas misturas. Além disso, encontramos uma alta proporção de efeitos sinérgicos recíprocos entre detrito florais e foliares, porém, com efeitos sete vezes maiores das flores sob as folhas. O priming effect é mediado pela matéria orgânica lábil (MOL), em nosso caso detritos florais, acelerando a decomposição da matéria orgânica refratária (MOR), ou seja, detritos foliares. Porém, vimos que a interação entre MO de diferentes qualidades pode gerar efeitos recíprocos na decomposição, um fato inédito na literatura. Um dos principais mecanismos do PE é a mineração de nutrientes, nos quais os decompositores utilizam a MOL para aquisição de energia ou nutrientes (Guenet et al. 2010a). Porém, a maioria dos trabalhos usam substâncias orgânicas lábeis mais simples (Liu et al. 2020). Assim, a relação entre detritos naturais pode ser mais complexa. As características dos detritos podem ser mais amplas e afetar diversos aspectos importantes para a ciclagem de nutrientes. Por exemplo, as características estruturais dos detritos podem atenuar condições microclimáticas e favorecer a decomposição (Dias et al. 2017; Makkonen et al. 2013), com ambos os detritos podendo ter características que favorecem a decomposição.
28 Apesar da maioria das espécies apresentarem efeitos sinérgicos e recíprocos, em alguns casos tivemos outros tipos de interações entre as espécies, indicando a importância relativa dos mecanismos do priming effect. Em 17% das espécies encontramos efeitos positivos das flores sob as folhas, porém negativo das folhas sob as flores. Possivelmente, a MOL foi utilizada como fonte de energia para a decomposição da MOR (Kuzyakov et al. 2002; Quiao et al. 2016). Já em 10% das espécies encontramos efeitos negativos das flores sob as folhas, que podem ser gerados através da utilização preferencial de substrato (Guenet et al. 2010a), na qual os detritos de melhor qualidade são consumidos preferencialmente pelos decompositores em função da relação custo-benefício, levando a diminuição na decomposição de detritos mais refratários, em nosso caso os detritos foliares (Aye et al. 2018; Cheng et al., 2014; Hicks et al. 2018). Não encontramos um padrão claro de como a disponibilidade energética e diferenças estequiométricas podem afetar a presença de determinados mecanismos atuantes na decomposição, podendo haver particularidades entre as espécies que não conseguimos identificar. Apesar dos efeitos assimétricos e em diferentes direções, vemos que a interação entre detritos florais e foliares geram, em sua maioria, priming effect positivo, e essa relação pode ser amplamente relevante, já que o aumento de ciclagem de nutrientes pode favorecer a liberação de nutrientes e aquisição de recursos pelas plantas (Freschet et al. 2013). Esse padrão precisa ser explorado para um espectro mais amplo de espécies com diferentes hábitos. Por exemplo, herbáceas possuem maiores taxas de decomposição (Cornwell et al. 2008) e assim a interação entre detritos florais podem levar a menores magnitudes do PE, com a importância ecológica desse fenômeno dependente do contexto e de quais espécies estão presentes.
De acordo com a literatura, a magnitude dos efeitos do priming effect é diretamente proporcional a dissimilaridade na qualidade da MOR e MOL (Grace et
al. 2006; Saffih-Hdadi e Mary, 2008; Guenet et al. 2010b). Apesar do padrão
encontrado, não conseguimos indicar qual mecanismo gera as diferenças na magnitude do processo, com uma relação não significativa entre o ERM e a diversidade funcional. Os atributos medidos conseguiram explicar pouco a decomposição dos detritos (ver: Apêndice). Assim, possivelmente os atributos utilizados não conseguiram captar as diferenças relevantes entre os detritos. A concentração de lignina e razão lignina:N foram importantes preditores da magnitude
29 e direção do PE em um recente trabalho, com a lignina explicando 58% dos efeitos do PE (Chao et al. 2019). Esses resultados evidenciam a importância da medição de diferentes tipos de C para compreensão da decomposição (Hattenschwiller et al. 2010), assim como na dinâmica do PE. Apesar da falta de diferenças significativas, a relação entre detritos foliares e dissimilaridade funcional mostrou um padrão assintótico, no qual um pequeno aumento nas diferenças funcionais direcionou a efeitos sinérgicos na decomposição. Esse limiar pode ocorrer em função dos detritos foliares apresentarem características que desfavorecem a decomposição, assim são necessárias diferenças mínimas entre os detritos para gerar efeitos sinérgicos.
Nosso trabalho mostra a importância do fenômeno priming effect através da utilização de detritos naturais com diferentes qualidades para um amplo número de espécies, demonstrando a importância ecológica da interação intraespecífica entre tecidos de diferentes partes da planta pós senescência. A maioria dos trabalhos de PE dão ênfase em detritos foliares devido a sua maior contribuição para a cadeia detritívora (Grime et al. 1998). Porém, outros tipos de detrito podem ter alta importância para a decomposição em função de aspectos qualitativos, apesar da baixa contribuição relativa. Por exemplo, a interação entre frutos e folhas geram o aumento na decomposição do detrito menor qualidade química (de Paz et al. 2018). Apesar da baixa contribuição de biomassa dos detritos florais para a cadeia detritívora, para a grande maioria das espécies, suas características funcionais podem contribuir para a magnitude da decomposição. E esse efeito pode ser ainda mais forte em ambientes tropicais devido à baixa qualidade de seus detritos (Parsons et al. 2014), assim como em locais com florações massivas, com maior contribuição das flores para a cadeia detritívora, gerando hotspots biogeoquímicos. Em nosso trabalho, utilizamos biomassa semelhantes entre os tipos de detrito. Assim, em função da sensibilidade à quantidade de substrato adicionado para a magnitude e direção do PE podemos ter superestimado o priming effect. Além disso, em ambientes naturais ocorrem interações entre detritos de tipos diferentes a nível intra e interespecífico. Assim, é necessário avaliar como a interações entre diferentes níveis de diferenças taxonômicas afetam o PE. Principalmente em função da variação fenológica das plantas na produção de flores, contribuindo para compreender o fenômeno em diferentes escalas espaço-temporais. Essa nova rota de estudo usando detritos florais,
30 pode ser importante para entendermos melhor a relevância do priming effect na decomposição.
Referências
Albert, H. et al. The return of the variance : intraspecific variability in community ecology. Trends in Ecology and Evolution, 27, 2012.
Allen, S.E.; Grimshaw, H.M.; Parkinson, J.A., Quarmby C. Chemical analysis of ecological material. Blackwell. Oxford, 1974.
Aye, N.S., Butterly, C.R., Sale, P.W.G., Tang, C. Interactive effects of initial pH and nitrogen status on soil organic carbon priming by glucose and lignocellulose. Soil Biology and Biochemistry, 123, 2018.
Blagodatskaya, E.V., Kuzyakov, Y. Active microorganisms in soil: Critical review of estimation criteria and approaches. Soil Biology and Biochemistry67, 2013.
Blagodatskaya, E.V., Kuzyakov, Y. Mechanisms of real and apparent priming effects and their dependence on soil microbial biomass and community structure: critical review. Biology and Fertility of Soils, 45, 2008.
Boyero L, et al. A global experiment suggests climate warming will not accelerate litter decomposition in streams but might reduce carbon sequestration. Ecology Letters, 14, 2011.
Cebrian, J. Patterns in the fate of production in plant communities. American Naturalis, 154, 1999.
Chao et al. Litter carbon and nutrient chemistry control the magnitude of soil priming effect, Functional Ecology, 33, 2019.
Chen et al. Regulation of priming effect by soil organic matter stability over a broad geographic scale. Nature communications, 10, 2019.
31 Cheng, W.X. et al. Synthesis and modeling perspectives of rhizosphere priming. New Phytologist, 201, 2014.
Cornwell, W.K. et al. Plant species traits are the predominant control on litter decomposition rates within biomes worldwide. Ecology Letters, 11, 2008. de Paz, M., Gobbi, M.E., Raffaele, E. Fallen fruits stimulate decomposition of leaf litter of dominant species in NW Patagonia shrublands. Plant Soil, 425, 2018. Dias, A.T.C., Cornelissen, J.H.C., Berg, M.P. Litter for life: assessing the multifunctional legacy of plant traits. Journal of Ecology, 105, 2017.
Falchini, L., Naumovab, N., Kuikmanc, P.J., Bloemc, J., Nannipieria, P. CO2 evolution and denaturing gradient gel electrophoresis profiles of bacterial communities in soil following addition of low molecular weight substrates to simulate root exudation. Soil Biology and Biochemistry, 36, 2003.
Fassbender H. Simultane P-Bestimmung in N-Kjeldahl-Ausfschluß von Bodenproben. Die Phosphorsäure, 30, 1973.
Freschet, T., Aerts, R., Cornelissen, J.H.C. A plant economics spectrum of litter decomposability. Functional Ecology, 26, 2012.
García‐Palacios, P., Shaw, E.A., Wall, D.H., Hättenschwiler, S. Temporal dynamics of biotic and abiotic drivers of litter decomposition. Ecology letters 19, 2016
Grace, P.R., Ladd, J.N., Robertson, G.P., Gage, S.H. SOCRATES—a simple model for predicting long-term changes in soil organic carbon in terrestrial ecosystems. Soil Biology Biochemistry, 38, 2006.
Grime, J.P. Benefits of plant diversity to ecosystems: immediate, filter and founder effects. Journal Ecology, 86, 1998.
Guenet, B., Danger, M., Abbadie, L., Lacroix, G. Priming effect: bridging the gap between terrestrial and aquatic ecology. Ecology, 91, 2010a.
32 Guenet, B., Neil, C., Bardoux, G., Abbadie, L. Is there a linear relationship between priming effect intensity and the amount of organic matter input? Applied Soil Ecology Applied Soil Ecology, 46, 2010b.
Guenet, B. et al. Impact of priming on global soil carbon stocks. Global Change Biology, 24, 2018.
Handa, I.T. et al. Consequences of biodiversity loss for litter decomposition across biomes. Nature, 509, 2014.
Hättenschwiler, S., Tiunov, A.V., Scheu, S. Biodiversity and litter decomposition in terrestrial ecosystems. Annual Review Ecology, Evolution, and Systematics, 36, 2005.
Hättenschwiler S, Jørgensen HB. Carbon quality rather than stoichiometry controls litter decomposition in a tropical rain forest. Journal of Ecology, 98, 2010.
Hicks, L.C. et al. Carbon and nitrogen inputs differentially affect priming of soil organic matter in tropical lowland and montane soils. Soil Biology and Biochemistry 129, 2018.
Ibrahima, A., Souhore, P., Mang, A., Menick A. Patterns of Leaf Litter Decomposition as Related to Litter Traits in the Sudano-Guinea Savannahs of Ngaoundere, Cameroon. Journal of Agriculture and Ecology Research International, 20, 2019.
Jackson, R. B. et al. The ecology of soil carbon: pools, vulnerabilities, and biotic and abiotic controls. Annual Review Ecology, Evolution and Systematics, 48, 2017.
Kuzyakov, Y., Review of mechanisms and quantification of priming effects. Soil Biology and Biochemistry, 32, 2000.
Kuzyakov, Y. Review: factors affecting rhizosphere priming effect. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 165, 2002.
33 Kuzyakov, Y. Priming effects: Interactions between living and dead organic matter. Soil Biology Biochemistry, 42, 2010.
Laliberté, A.E., Legendre, P., Shipley, B., Laliberté, M.E. Package ‘ FD ’, 2015. Liu et al. The soil priming effect: Consistent across ecosystems, elusive mechanisms. Soil Biology and Biochemistry, 140, 2020.
Löhnis, F. Nitrogen availability of green manures. Soil science, 22, 1926.
Makkonen, Marika, et al. Highly consistent effects of plant litter identity and functional traits on decomposition across a latitudinal gradient. Ecology letters, 15, 2012.
Makkonen, M., Berg, M.P., van Logtestijn, R.S.P., van Hal, J.R. and Aerts, R. (2013), Do physical plant litter traits explain non‐additivity in litter mixtures? A test of the improved microenvironmental conditions theory. Oikos, 122, 2013.
Mary, B., Fresneau, C., Morel, J.L., Mariotti, A. C-cycling and N-cycling during decomposition of root mucilage, roots and glucose in soil. Soil Biology and Biochemical, 25, 1993.
Nowlin, W.H. et al. Allochthonous subsidy of periodical cicadas affects the dynamics and stability of pond communities. Ecology, 88, 2007.
Oliveira-Filho, A.T. Classificação das fitofisionomias da América do Sul cisandina tropical e subtropical: proposta de um novo sistema sistema - prático e flexível - ou uma injeção a mais de caos? Rodriguésia, 60, 2009.
Parsons, S. A., Congdon, R.A., Lawler, I.R. Determinants of the pathways of litter chemical decomposition in a tropical region. New Phytologist, 203, 2014.
Pérez-Harguindeguy, N. et al. New handbook for standardise measurement of plant functional traits worldwide. Australian Journal Botany, 61, 2013.
Perveen et al. Universality of priming effect: An analysis using thirty five soils with contrasted properties sampled from five continents. Soil Biology and Biochemistry, 19, 2019.
34 Quiao, N. et al. Carbon and nitrogen additions induce distinct priming effects along an organic-matter decay continuum. Scientific Reports, 6, 2016.
R Core Team. R: A Language and Environment for Statistical Computing. Vienna, Austria; 2018.
Saffih-Hdadi, K., Mary, B. Modeling consequences of straw residues export on soil organic carbon. Soil Biology Biochemistry, 40, 2008.
Scheiner, S.M., Kosman, E., Presley, S.J., Willig, M.R. Decomposing functional diversity. Methods in Ecology and Evolutiom, 8, 2017.
Silva, J.L.A., Souza, A.F., Jardim, J.G., Goto, B.T. Community assembly in harsh environments: the prevalence of ecological drift in the heath vegetation of South America, Ecosphere, 6, 2015.
Var, I. Multivariate data analysis. Vectors. 8, 1998.
Wang, X.J., Tang, C.X., Severi, J., Butterly, C.R., Baldock, J.A. Rhizosphere priming effect on soil organic carbon decomposition under plant species differing in soil acidification and root exudation. New Phytologist 211, 2016.
Wardle, D., Bonner, K., Nicholson, K. Biodiversity and plant litter: experimental evidence which does not support the view that enhanced species richness improves ecosystem function. Oikos, 1997.
Waring, B. Exploring relationships between enzyme activities and leaf litter decomposition in a wet tropical forest. Soil biology and biochemistry, 64, 2013.
Wild, B., Li, J., Pihlblad, J., Bengtson, P., Rütting, T. Decoupling of priming and microbial N mining during a short-term soil incubation. Soil Biology and Biochemistry 129, 2019.
Zagatto, E.A.G. et al. Manual de análises de plantas e águas empregando sistemas de injeção de fluxo. Piracicaba: USP; 1981.
36
Capítulo 2. Efeito do mecanismo de priming effect na decomposição
de detritos florais e foliares em misturas intra- e interespecíficas e
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,
