Giants of the Amazon: How does environmental variation drive the diversity patterns of large trees?

Robson Borges de Lima¹, Eric Bastos Görgens², Diego Armando S da Silva³, Cinthia Pereira de Oliveira¹, Anderson Pedro B Batista³, Rinaldo L Caraciolo Ferreira⁴, Flavia R C Costa⁵, Renato A Ferreira de Lima⁶, Perseu da Silva Aparício¹, Jadson Coelho de Abreu¹, José Antônio Aleixo da Silva⁴, Aretha Franklin Guimaraes⁷, Philip M Fearnside⁸, Thaiane R Sousa⁹, Ricardo Perdiz¹⁰, Niro Higuchi¹¹, Erika Berenguer^{12

13}, Angélica F Resende¹⁴, Fernando Elias¹⁵, Carolina Volkmer de Castilho¹⁶, Marcelo Brilhante de Medeiros¹⁷, João Ramos de Matos Filho¹⁸, Maurício Alves Sardinha¹⁹, Márcio André Furtado Freitas³, José Jussian da Silva³, Aldemir Pereira da Cunha³, Renan Mendes Santos¹, Adriane Esquivel Muelbert²⁰, Marcelino Carneiro Guedes²¹, Reinaldo Imbrózio⁸, Carla Samara Campelo de Sousa³, Wegliane Campelo da Silva Aparício²², Breno Marques da Silva E Silva²³, Celice Alexandre Silva²⁴, Beatriz Schwantes Marimon²⁵, Ben Hur Marimon Junior²⁵, Paulo S Morandi²⁶, Danielle Storck-Tonon²⁷, Ima Célia Guimarães Vieira²⁸, Juliana Schietti²⁹, Fernanda Coelho³⁰, Danilo R Alves de Almeida³¹, Wendeson Castro³², Samuel P C Carvalho³³, Robson Dos Santos A da Silva²⁴, Juliana Silveira¹³, José Luís Camargo³⁴, Karina Melgaço³⁵, Lucas Jose Mazzei de Freitas¹⁴, Laura Vedovato³⁶, Maíra Benchimol³⁷, Gabriel de Oliveira de Almeida³², Ghillean Prance³⁸, Alan Bernardes da Silveira³⁹, Marcelo Fragomeni Simon¹⁵, Marcos Leandro Garcia⁴⁰, Marcos Silveira⁴¹, Marcos Vital⁴², Maryane B T Andrade⁸, Natalino Silva⁴³, Raimunda Oliveira de Araújo⁸, Larissa Cavalheiro⁴⁴, Rainiellen Carpanedo⁴⁵, Letícia Fernandes⁴⁶, Angelo Gilberto Manzatto⁴⁷, Ricardo T G de Andrade⁴⁸, William E Magnusson⁸, Bill Laurance⁴⁹, Bruce Walker Nelson⁸, Carlos Peres⁵⁰, Douglas C Daly⁵¹, Domingos Rodrigues⁵², Ana Paula Zopeletto³³, Edmar Almeida de Oliveira²⁴, Estelle Dugachard⁵³, Flávia Rodrigues Barbosa⁴⁴, Flavia Santana⁸, Iêda Leão do Amaral⁸, Leandro V Ferreira²⁸, Leandro S Charão⁵⁴, Joice Ferreira¹⁴, Jos Barlow¹³, Lilian Blanc⁵⁵, Luiz Aragão⁵⁶, Plinio Sist⁵⁷, Rafael de Paiva Salomão²⁸, Antônio Sérgio Lima da Silva²⁸, Susan Laurance⁵⁸, Ted R Feldpausch⁵⁹, Toby Gardner⁶⁰, Wagner Santiago⁶¹, William Balee⁶², William F Laurance⁵⁸, Yadvinder Malhi¹², Oliver L Phillips³⁵, Antônio Carlos da Silva Zanzini⁶³, Clarissa Rosa⁵, Wagner Tadeu Oliveira⁶⁴, Lucas Pereira Zanzini⁶⁵, Ricardo José Silva⁶⁶, Ana Luisa Mangabeira Albernaz⁶⁷

Affiliations

¹ Laboratório de Manejo Florestal, Universidade do Estado do Amapá, Macapá, Brazil.
² Departamento de Engenharia Florestal, Universidade Federal do Vales do Jequitinhonha e Mucuri, Diamantina, Brazil.
³ Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Amapá, Laranjal do Jari, Brazil.
⁴ Laboratório de Manejo de Florestas Naturais "José Serafim Feitoza Ferraz", Departamento de Ciência Florestal, Universidade Federal Rural de Pernambuco, Recife, Brazil.
⁵ Coordenação de Pesquisas em Biodiversidade, Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, Manaus, Brazil.
⁶ Tropical Botany, Naturalis Biodiversity Center, Leiden, The Netherlands.
⁷ Programa de Pós-Graduação em Botânica Aplicada, Departamento de Biologia, Universidade Federal de Lavras, Lavras, Brazil.
⁸ Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, Av. André Araújo, Manaus, Brazil.
⁹ Programa de Pós-Graduação em Ecologia, Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, Manaus, Brazil.
¹⁰ Programa de Pós-Graduação em Botânica, Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA), Manaus, Brazil.
¹¹ Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia-Coordenação de Pesquisas em Silvicultura Tropical, Manaus, Brazil.
¹² Environmental Change Institute, School of Geography and the Environment, University of Oxford, Oxford, UK.
¹³ Lancaster Environment Centre, Lancaster University, Lancaster, UK.
¹⁴ Embrapa Amazônia Oriental, Rede Amazônia Sustentável, Belém, Brazil.
¹⁵ Programa de Pós-Graduação em Ecologia, Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal do Pará, Belém, Brazil.
¹⁶ Embrapa, Boa Vista, Brazil.
¹⁷ Embrapa, Brasília, Brazil.
¹⁸ Promotoria de Justiça do Meio Ambiente, Conflitos Agrários, Ministério Público, Macapá, Brazil.
¹⁹ Programa de Pós-Graduação em Biodiversidade e Biotecnologia-Rede Bionorte, Universidade Federal do Amapá, Macapá, Brazil.
²⁰ School of Geography, Earth and Environmental Science, University of Birmingham, Birmingham, UK.
²¹ Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, Brasilia, Brazil.
²² Universidade Federal do Amapá, Macapá, Brazil.
²³ Laboratório de Sementes Florestais, Universidade do Estado do Amapá, Rua Presidente Vargas, Macapá, Brazil.
²⁴ Universidade do Estado de Mato Grosso, Nova Xavantina, Brazil.
²⁵ Faculdade de Ciências Agrárias, Biológicas e Sociais Aplicadas, Universidade do Estado de Mato Grosso, Nova Xavantina, Brazil.
²⁶ Universidade do Estado de Mato Grosso, Campus de Nova Xavantina, Nova Xavantina, Brazil.
²⁷ Programa de Pós-Graduação em Ambiente e Sistemas de Produção Agrícola, Universidade do Estado de Mato Grosso, Tangará da Serra, Brazil.
²⁸ Museu Paraense Emílio Goeldi, Belém, Brazil.
²⁹ Departamento de Biologia, Universidade Federal do Amazonas, Manaus, Brazil.
³⁰ Department of Forestry, University of Brasilia, Brasilia, Brazil.
³¹ Department of Forest Sciences, "Luiz de Queiroz" College of Agriculture, University of São Paulo (USP/ESALQ), Piracicaba, Brazil.
³² Laboratório de Botânica e Ecologia Vegetal, Universidade Federal do Acre, Rio Branco, Brazil.
³³ Universidade Federal de Mato Grosso, Cuiabá, Brazil.
³⁴ Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil.
³⁵ School of Geography, University of Leeds, Leeds, UK.
³⁶ University of Exeter, Exeter, UK.
³⁷ Laboratório de Ecologia Aplicada à Conservação, Universidade Estadual de Santa Cruz, Salobrinho, Brazil.
³⁸ National, Botanical Garden, Florida, USA.
³⁹ Program of Environmental and Forest Science, Federal University of Mato Grosso, Cuiabá, Brazil.
⁴⁰ Faculdade de Ciências Agrárias e Biológicas, Unemat, Brazil.
⁴¹ Museu Universitário, Universidade Federal do Acre, Rio Branco, Brazil.
⁴² Universidade Federal de Roraima (UFRR), Boa Vista, Brazil.
⁴³ Serviço Florestal Brasileiro, Santarém, Brazil.
⁴⁴ ICNHS, Universidade Federal de Mato Grosso, Sinop, Brazil.
⁴⁵ Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT), Núcleo de Estudos da Biodiversidade da Amazônia Mato-grossense, Sinop, Brazil.
⁴⁶ Universidade Federal do Acre, Rio Branco, Brazil.
⁴⁷ Universidade Federal de Rondônia, Porto Velho, Brazil.
⁴⁸ Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Rondônia, Porto Velho, Brazil.
⁴⁹ James Cook University, Douglas, Queensland, Australia.
⁵⁰ University of East Anglia, Norwich, UK.
⁵¹ Institute of Systematic Botany, The New York Botanical Garden, Bronx, New York, USA.
⁵² Universidade Federal de Mato Grosso, Instituto de Ciências Naturais, Humanas e Sociais, Sinop, Brazil.
⁵³ ONF International, Paris, France.
⁵⁴ Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad Autónoma de Tamaulipas, Victoria, Mexico.
⁵⁵ Unité Propre de Recherche Biens et Services des Écosystèmes Forestiers Tropicaux: l'Enjeu du Changement Global (BSEF), CIRAD, Montpellier, France.
⁵⁶ National Institute for Space Research (INPE), São José dos Campos, Brazil.
⁵⁷ Centre de Coopération International en Recherche Agronomique pour le Développement (CIRAD), Paris, France.
⁵⁸ Centre for Tropical Environmental and Sustainability Science (TESS), College of Marine and Environmental Sciences, James Cook University, Douglas, Queensland, Australia.
⁵⁹ School of Biology, University of Leeds, Leeds, UK.
⁶⁰ Stockholm Environment Institute, Stockholm, Sweden.
⁶¹ Biolex Consultoria Ambiental Ltda, Palmas, Brazil.
⁶² Tulane University, New Orleans, Louisiana, USA.
⁶³ Setor de Ecologia e Manejo da Vida Silvestre, Departamento de Ciências Florestais, Universidade Federal de Lavras, Lavras, MG, Brazil.
⁶⁴ CESAM - Centro de Estudos do Ambiente e do Mar, Departamento de Biologia, Collaborating Researcher, University of Aveiro, Aveiro, Portugal.
⁶⁵ Departamento de Engenharia Florestal, Universidade do Estado de Mato Grosso, Cáceres, MT, Brazil.
⁶⁶ University of Mato Grosso, MT, Brazil.
⁶⁷ Coordenação de Ciências da Terra e Ecologia Museu Paraense Emilio Goeldi, Brazil.

PMID: 37386918
DOI: 10.1111/gcb.16821

Giants of the Amazon: How does environmental variation drive the diversity patterns of large trees?

Robson Borges de Lima et al. Glob Chang Biol. 2023 Sep.

. 2023 Sep;29(17):4861-4879.

doi: 10.1111/gcb.16821. Epub 2023 Jun 30.

Authors

Affiliations

¹ Laboratório de Manejo Florestal, Universidade do Estado do Amapá, Macapá, Brazil.
² Departamento de Engenharia Florestal, Universidade Federal do Vales do Jequitinhonha e Mucuri, Diamantina, Brazil.
³ Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia do Amapá, Laranjal do Jari, Brazil.
⁴ Laboratório de Manejo de Florestas Naturais "José Serafim Feitoza Ferraz", Departamento de Ciência Florestal, Universidade Federal Rural de Pernambuco, Recife, Brazil.
⁵ Coordenação de Pesquisas em Biodiversidade, Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, Manaus, Brazil.
⁶ Tropical Botany, Naturalis Biodiversity Center, Leiden, The Netherlands.
⁷ Programa de Pós-Graduação em Botânica Aplicada, Departamento de Biologia, Universidade Federal de Lavras, Lavras, Brazil.
⁸ Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, Av. André Araújo, Manaus, Brazil.
⁹ Programa de Pós-Graduação em Ecologia, Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, Manaus, Brazil.
¹⁰ Programa de Pós-Graduação em Botânica, Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA), Manaus, Brazil.
¹¹ Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia-Coordenação de Pesquisas em Silvicultura Tropical, Manaus, Brazil.
¹² Environmental Change Institute, School of Geography and the Environment, University of Oxford, Oxford, UK.
¹³ Lancaster Environment Centre, Lancaster University, Lancaster, UK.
¹⁴ Embrapa Amazônia Oriental, Rede Amazônia Sustentável, Belém, Brazil.
¹⁵ Programa de Pós-Graduação em Ecologia, Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal do Pará, Belém, Brazil.
¹⁶ Embrapa, Boa Vista, Brazil.
¹⁷ Embrapa, Brasília, Brazil.
¹⁸ Promotoria de Justiça do Meio Ambiente, Conflitos Agrários, Ministério Público, Macapá, Brazil.
¹⁹ Programa de Pós-Graduação em Biodiversidade e Biotecnologia-Rede Bionorte, Universidade Federal do Amapá, Macapá, Brazil.
²⁰ School of Geography, Earth and Environmental Science, University of Birmingham, Birmingham, UK.
²¹ Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, Brasilia, Brazil.
²² Universidade Federal do Amapá, Macapá, Brazil.
²³ Laboratório de Sementes Florestais, Universidade do Estado do Amapá, Rua Presidente Vargas, Macapá, Brazil.
²⁴ Universidade do Estado de Mato Grosso, Nova Xavantina, Brazil.
²⁵ Faculdade de Ciências Agrárias, Biológicas e Sociais Aplicadas, Universidade do Estado de Mato Grosso, Nova Xavantina, Brazil.
²⁶ Universidade do Estado de Mato Grosso, Campus de Nova Xavantina, Nova Xavantina, Brazil.
²⁷ Programa de Pós-Graduação em Ambiente e Sistemas de Produção Agrícola, Universidade do Estado de Mato Grosso, Tangará da Serra, Brazil.
²⁸ Museu Paraense Emílio Goeldi, Belém, Brazil.
²⁹ Departamento de Biologia, Universidade Federal do Amazonas, Manaus, Brazil.
³⁰ Department of Forestry, University of Brasilia, Brasilia, Brazil.
³¹ Department of Forest Sciences, "Luiz de Queiroz" College of Agriculture, University of São Paulo (USP/ESALQ), Piracicaba, Brazil.
³² Laboratório de Botânica e Ecologia Vegetal, Universidade Federal do Acre, Rio Branco, Brazil.
³³ Universidade Federal de Mato Grosso, Cuiabá, Brazil.
³⁴ Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brazil.
³⁵ School of Geography, University of Leeds, Leeds, UK.
³⁶ University of Exeter, Exeter, UK.
³⁷ Laboratório de Ecologia Aplicada à Conservação, Universidade Estadual de Santa Cruz, Salobrinho, Brazil.
³⁸ National, Botanical Garden, Florida, USA.
³⁹ Program of Environmental and Forest Science, Federal University of Mato Grosso, Cuiabá, Brazil.
⁴⁰ Faculdade de Ciências Agrárias e Biológicas, Unemat, Brazil.
⁴¹ Museu Universitário, Universidade Federal do Acre, Rio Branco, Brazil.
⁴² Universidade Federal de Roraima (UFRR), Boa Vista, Brazil.
⁴³ Serviço Florestal Brasileiro, Santarém, Brazil.
⁴⁴ ICNHS, Universidade Federal de Mato Grosso, Sinop, Brazil.
⁴⁵ Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT), Núcleo de Estudos da Biodiversidade da Amazônia Mato-grossense, Sinop, Brazil.
⁴⁶ Universidade Federal do Acre, Rio Branco, Brazil.
⁴⁷ Universidade Federal de Rondônia, Porto Velho, Brazil.
⁴⁸ Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Rondônia, Porto Velho, Brazil.
⁴⁹ James Cook University, Douglas, Queensland, Australia.
⁵⁰ University of East Anglia, Norwich, UK.
⁵¹ Institute of Systematic Botany, The New York Botanical Garden, Bronx, New York, USA.
⁵² Universidade Federal de Mato Grosso, Instituto de Ciências Naturais, Humanas e Sociais, Sinop, Brazil.
⁵³ ONF International, Paris, France.
⁵⁴ Facultad de Ingeniería y Ciencias, Universidad Autónoma de Tamaulipas, Victoria, Mexico.
⁵⁵ Unité Propre de Recherche Biens et Services des Écosystèmes Forestiers Tropicaux: l'Enjeu du Changement Global (BSEF), CIRAD, Montpellier, France.
⁵⁶ National Institute for Space Research (INPE), São José dos Campos, Brazil.
⁵⁷ Centre de Coopération International en Recherche Agronomique pour le Développement (CIRAD), Paris, France.
⁵⁸ Centre for Tropical Environmental and Sustainability Science (TESS), College of Marine and Environmental Sciences, James Cook University, Douglas, Queensland, Australia.
⁵⁹ School of Biology, University of Leeds, Leeds, UK.
⁶⁰ Stockholm Environment Institute, Stockholm, Sweden.
⁶¹ Biolex Consultoria Ambiental Ltda, Palmas, Brazil.
⁶² Tulane University, New Orleans, Louisiana, USA.
⁶³ Setor de Ecologia e Manejo da Vida Silvestre, Departamento de Ciências Florestais, Universidade Federal de Lavras, Lavras, MG, Brazil.
⁶⁴ CESAM - Centro de Estudos do Ambiente e do Mar, Departamento de Biologia, Collaborating Researcher, University of Aveiro, Aveiro, Portugal.
⁶⁵ Departamento de Engenharia Florestal, Universidade do Estado de Mato Grosso, Cáceres, MT, Brazil.
⁶⁶ University of Mato Grosso, MT, Brazil.
⁶⁷ Coordenação de Ciências da Terra e Ecologia Museu Paraense Emilio Goeldi, Brazil.

PMID: 37386918
DOI: 10.1111/gcb.16821

Abstract

For more than three decades, major efforts in sampling and analyzing tree diversity in South America have focused almost exclusively on trees with stems of at least 10 and 2.5 cm diameter, showing highest species diversity in the wetter western and northern Amazon forests. By contrast, little attention has been paid to patterns and drivers of diversity in the largest canopy and emergent trees, which is surprising given these have dominant ecological functions. Here, we use a machine learning approach to quantify the importance of environmental factors and apply it to generate spatial predictions of the species diversity of all trees (dbh ≥ 10 cm) and for very large trees (dbh ≥ 70 cm) using data from 243 forest plots (108,450 trees and 2832 species) distributed across different forest types and biogeographic regions of the Brazilian Amazon. The diversity of large trees and of all trees was significantly associated with three environmental factors, but in contrasting ways across regions and forest types. Environmental variables associated with disturbances, for example, the lightning flash rate and wind speed, as well as the fraction of photosynthetically active radiation, tend to govern the diversity of large trees. Upland rainforests in the Guiana Shield and Roraima regions had a high diversity of large trees. By contrast, variables associated with resources tend to govern tree diversity in general. Places such as the province of Imeri and the northern portion of the province of Madeira stand out for their high diversity of species in general. Climatic and topographic stability and functional adaptation mechanisms promote ideal conditions for species diversity. Finally, we mapped general patterns of tree species diversity in the Brazilian Amazon, which differ substantially depending on size class.

Keywords: big trees; diversity map; forest ecology; forest inventory; remote sensing; species richness.

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References

REFERENCES

1. Ali, A., Mattsson, E., & Nissanka, S. (2022). Big-sized trees and species-functional diversity pathways mediate divergent impacts of environmental factors on individual biomass variability in Sri Lankan tropical forests. Journal of Environmental Management, 315, 115177. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.115177
1. Amaral, D. D., Carvalho, W. V., Costa Neto, S. V., Santos, J. U., Bastos, M. D., Amaral, L. T., & Gurgel, E. S. (2021). Floristic influence of Amazonian lowland dense rain Forest on the pioneer vegetation with marine influence, Restinga of Pará state, Brazil. Rodriguésia, 72, e00532020. https://doi.org/10.1590/2175-7860202172093
1. Balvanera, P., & Aguirre, E. (2006). Tree diversity, environmental heterogeneity, and productivity in a Mexican tropical dry Forest1. Biotropica, 38(4), 479-491. https://doi.org/10.1111/j.1744-7429.2006.00161.x
1. Barbier, N., Couteron, P., Proisy, C., Malhi, Y., & Gastellu-Etchegorry, J.-P. (2010). The variation of apparent crown size and canopy heterogeneity across lowland Amazonian forests: Amazon forest canopy properties. Global Ecology and Biogeography, 19(1), 72-84. https://doi.org/10.1111/j.1466-8238.2009.00493.x
1. Baret, F., Weiss, M., Lacaze, R., Camacho, F., Makhmara, H., Pacholcyzk, P., & Smets, B. (2013). GEOV1: LAI and FAPAR essential climate variables and FCOVER global time series capitalizing over existing products. Part1: Principles of development and production. Remote Sensing of Environment, 137, 299-309. https://doi.org/10.1016/j.rse.2012.12.027

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