RESUMO

Forecasting rates of forest succession at landscape scales will aid global efforts to restore tree cover to millions of hectares of degraded land. While optical satellite remote sensing can detect regional land cover change, quantifying forest structural change is challenging. We developed a state-space modeling framework that applies Landsat satellite data to estimate variability in rates of natural regeneration between sites in a tropical landscape. Our models work by disentangling measurement error in Landsat-derived spectral reflectance from process error related to successional variability. We applied our modeling framework to rank rates of forest succession between 10 naturally regenerating sites in Southwestern Panama from about 2001 to 2015 and tested how different models for measurement error impacted forecast accuracy, ecological inference, and rankings of successional rates between sites. We achieved the greatest increase in forecasting accuracy by adding intra-annual phenological variation to a model based on Landsat-derived normalized difference vegetation index (NDVI). The best-performing model accounted for inter- and intra-annual noise in spectral reflectance and translated NDVI to canopy height via Landsat-lidar fusion. Modeling forest succession as a function of canopy height rather than NDVI also resulted in more realistic estimates of forest state during early succession, including greater confidence in rank order of successional rates between sites. These results establish the viability of state-space models to quantify ecological dynamics from time series of space-borne imagery. State-space models also provide a statistical approach well-suited to fusing high-resolution data, such as airborne lidar, with lower-resolution data that provides better temporal and spatial coverage, such as the Landsat satellite record. Monitoring forest succession using satellite imagery could play a key role in achieving global restoration targets, including identifying sites that will regain tree cover with minimal intervention.

Assuntos

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The present study investigated changes in photosynthetic characteristics of Guazuma ulmifolia Lam. (early successional species) and Hymenaea courbaril L. (late successional species) grown in contrasting light conditions as a way of assessing photosynthetic plasticity. Early successional species typically inhabit gap environments being exposed to variability in multiple resources, hence it is expected that these species would show higher photosynthetic plasticity than late successional ones. In order to test this hypothesis, light and CO2 response curves and chlorophyll content (Chl) were measured in plants grown in high and low light environments. G. ulmifolia presented the highest amounts of both Chl a and b, especially in the low light, and both species presented higher Chl a than b in both light conditions. The Chl a/b ratio was higher in high light leaves of both species and greater in G. ulmifolia. Taken together, these results evidence the acclimation potential of both species, reflecting the capacity to modulate light harvesting complexes according to the light environment. However, G. ulmifolia showed evidence of higher photosynthetic plasticity, as indicated by the greater amplitude of variation on photosynthetic characteristics between environments shown by more significant shade adjusted parameters (SAC) and principal component analysis (PCA). Thus, the results obtained were coherent with the hypothesis that the early successional species G. ulmifolia exhibits higher photosynthetic plasticity than the late successional species H. courbaril.(AU)

O presente estudo investigou mudanças nas características fotossintéticas de Guazuma ulmifolia Lam. (pioneira) e Hymenaea courbaril L. (secundária) crescidas sob condições luminosas contrastantes, como uma maneira de acessar a plasticidade fotossintética das espécies. Espécies pioneiras geralmente habitam ambientes de clareira, expostas a uma ampla variação em múltiplos recursos, o que indica que essas espécies podem apresentar maior plasticidade fotossintética do que espécies secundárias. A fim de testar essa hipótese, foram feitas curvas de resposta à luz e ao CO2 e medidas do conteúdo de clorofila (Chl) em plantas crescidas em ambientes com alta e baixa luminosidade. G. ulmifolia apresentou os maiores teores de Chl a e b, principalmente em baixa luminosidade, e ambas as espécies apresentaram maior conteúdo de clorofila a do que b em ambas as condições luminosas. A razão Chl a/b foi maior em folhas de sol em ambas as espécies e foi mais elevada em G. ulmifolia. Conjuntamente, esses resultados evidenciam um potencial de aclimatação em ambas as espécies, indicando a capacidade de modular os complexos antena de acordo com o ambiente luminoso. Contudo, G. ulmifolia mostrou evidências de maior plasticidade fotossintética, conforme indicado pela maior amplitude de variação nas características fotossintéticas entre ambientes, maior número de parâmetros significativamente justados à sombra (SAC) e pela análise de componentes principais (PCA). Assim, os resultados obtidos foram coerentes com a hipótese de que a espécie pioneira G. ulmifolia apresenta maior plasticidade fotossintética do que a secundária H. courbaril.(AU)

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The present study investigated changes in photosynthetic characteristics of Guazuma ulmifolia Lam. (early successional species) and Hymenaea courbaril L. (late successional species) grown in contrasting light conditions as a way of assessing photosynthetic plasticity. Early successional species typically inhabit gap environments being exposed to variability in multiple resources, hence it is expected that these species would show higher photosynthetic plasticity than late successional ones. In order to test this hypothesis, light and CO2 response curves and chlorophyll content (Chl) were measured in plants grown in high and low light environments. G. ulmifolia presented the highest amounts of both Chl a and b, especially in the low light, and both species presented higher Chl a than b in both light conditions. The Chl a/b ratio was higher in high light leaves of both species and greater in G. ulmifolia. Taken together, these results evidence the acclimation potential of both species, reflecting the capacity to modulate light harvesting complexes according to the light environment. However, G. ulmifolia showed evidence of higher photosynthetic plasticity, as indicated by the greater amplitude of variation on photosynthetic characteristics between environments shown by more significant shade adjusted parameters (SAC) and principal component analysis (PCA). Thus, the results obtained were coherent with the hypothesis that the early successional species G. ulmifolia exhibits higher photosynthetic plasticity than the late successional species H. courbaril.

O presente estudo investigou mudanças nas características fotossintéticas de Guazuma ulmifolia Lam. (pioneira) e Hymenaea courbaril L. (secundária) crescidas sob condições luminosas contrastantes, como uma maneira de acessar a plasticidade fotossintética das espécies. Espécies pioneiras geralmente habitam ambientes de clareira, expostas a uma ampla variação em múltiplos recursos, o que indica que essas espécies podem apresentar maior plasticidade fotossintética do que espécies secundárias. A fim de testar essa hipótese, foram feitas curvas de resposta à luz e ao CO2 e medidas do conteúdo de clorofila (Chl) em plantas crescidas em ambientes com alta e baixa luminosidade. G. ulmifolia apresentou os maiores teores de Chl a e b, principalmente em baixa luminosidade, e ambas as espécies apresentaram maior conteúdo de clorofila a do que b em ambas as condições luminosas. A razão Chl a/b foi maior em folhas de sol em ambas as espécies e foi mais elevada em G. ulmifolia. Conjuntamente, esses resultados evidenciam um potencial de aclimatação em ambas as espécies, indicando a capacidade de modular os complexos antena de acordo com o ambiente luminoso. Contudo, G. ulmifolia mostrou evidências de maior plasticidade fotossintética, conforme indicado pela maior amplitude de variação nas características fotossintéticas entre ambientes, maior número de parâmetros significativamente justados à sombra (SAC) e pela análise de componentes principais (PCA). Assim, os resultados obtidos foram coerentes com a hipótese de que a espécie pioneira G. ulmifolia apresenta maior plasticidade fotossintética do que a secundária H. courbaril.

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The present study investigated changes in photosynthetic characteristics of Guazuma ulmifolia Lam. (early successional species) and Hymenaea courbaril L. (late successional species) grown in contrasting light conditions as a way of assessing photosynthetic plasticity. Early successional species typically inhabit gap environments being exposed to variability in multiple resources, hence it is expected that these species would show higher photosynthetic plasticity than late successional ones. In order to test this hypothesis, light and CO2 response curves and chlorophyll content (Chl) were measured in plants grown in high and low light environments. G. ulmifolia presented the highest amounts of both Chl a and b, especially in the low light, and both species presented higher Chl a than b in both light conditions. The Chl a/b ratio was higher in high light leaves of both species and greater in G. ulmifolia. Taken together, these results evidence the acclimation potential of both species, reflecting the capacity to modulate light harvesting complexes according to the light environment. However, G. ulmifolia showed evidence of higher photosynthetic plasticity, as indicated by the greater amplitude of variation on photosynthetic characteristics between environments shown by more significant shade adjusted parameters (SAC) and principal component analysis (PCA). Thus, the results obtained were coherent with the hypothesis that the early successional species G. ulmifolia exhibits higher photosynthetic plasticity than the late successional species H. courbaril.

O presente estudo investigou mudanças nas características fotossintéticas de Guazuma ulmifolia Lam. (pioneira) e Hymenaea courbaril L. (secundária) crescidas sob condições luminosas contrastantes, como uma maneira de acessar a plasticidade fotossintética das espécies. Espécies pioneiras geralmente habitam ambientes de clareira, expostas a uma ampla variação em múltiplos recursos, o que indica que essas espécies podem apresentar maior plasticidade fotossintética do que espécies secundárias. A fim de testar essa hipótese, foram feitas curvas de resposta à luz e ao CO2 e medidas do conteúdo de clorofila (Chl) em plantas crescidas em ambientes com alta e baixa luminosidade. G. ulmifolia apresentou os maiores teores de Chl a e b, principalmente em baixa luminosidade, e ambas as espécies apresentaram maior conteúdo de clorofila a do que b em ambas as condições luminosas. A razão Chl a/b foi maior em folhas de sol em ambas as espécies e foi mais elevada em G. ulmifolia. Conjuntamente, esses resultados evidenciam um potencial de aclimatação em ambas as espécies, indicando a capacidade de modular os complexos antena de acordo com o ambiente luminoso. Contudo, G. ulmifolia mostrou evidências de maior plasticidade fotossintética, conforme indicado pela maior amplitude de variação nas características fotossintéticas entre ambientes, maior número de parâmetros significativamente justados à sombra (SAC) e pela análise de componentes principais (PCA). Assim, os resultados obtidos foram coerentes com a hipótese de que a espécie pioneira G. ulmifolia apresenta maior plasticidade fotossintética do que a secundária H. courbaril.