Calibration of the maximum carboxylation velocity (Vcmax) using data mining techniques and ecophysiological data from the Brazilian semiarid region, for use in Dynamic Global Vegetation Models / Calibração da velocidade máxima de carboxilação (Vcmax), utilizando técnicas de mineração de dados e dados de ecofisiologia da região semiárida brasileira, para uso em Modelos de Vegetação Globais Dinâmicos

Abstract The semiarid region of northeastern Brazil, the Caatinga, is extremely important due to its biodiversity and endemism. Measurements of plant physiology are crucial to the calibration of Dynamic Global Vegetation Models (DGVMs) that are currently used to simulate the responses of vegetation in face of global changes. In a field work realized in an area of preserved Caatinga forest located in Petrolina, Pernambuco, measurements of carbon assimilation (in response to light and CO2) were performed on 11 individuals of Poincianella microphylla, a native species that is abundant in this region. These data were used to calibrate the maximum carboxylation velocity (Vcmax) used in the INLAND model. The calibration techniques used were Multiple Linear Regression (MLR), and data mining techniques as the Classification And Regression Tree (CART) and K-MEANS. The results were compared to the UNCALIBRATED model. It was found that simulated Gross Primary Productivity (GPP) reached 72% of observed GPP when using the calibrated Vcmax values, whereas the UNCALIBRATED approach accounted for 42% of observed GPP. Thus, this work shows the benefits of calibrating DGVMs using field ecophysiological measurements, especially in areas where field data is scarce or non-existent, such as in the Caatinga.(AU)

Resumo A região semiárida do nordeste do Brasil, a Caatinga, é extremamente importante devido à sua biodiversidade e endemismo. Medidas de fisiologia vegetal são cruciais para a calibração de Modelos de Vegetação Globais Dinâmicos (DGVMs) que são atualmente usados para simular as respostas da vegetação diante das mudanças globais. Em um trabalho de campo realizado em uma área de floresta preservada na Caatinga localizada em Petrolina, Pernambuco, medidas de assimilação de carbono (em resposta à luz e ao CO2) foram realizadas em 11 indivíduos de Poincianella microphylla, uma espécie nativa que é abundante nesta região. Estes dados foram utilizados para calibrar a velocidade máxima de carboxilação (Vcmax) usada no modelo INLAND. As técnicas de calibração utilizadas foram Regressão Linear Múltipla (MLR) e técnicas de mineração de dados como Classification And Regression Tree (CART) e K-MEANS. Os resultados foram comparados com o modelo INLAND não calibrado. Verificou-se que a Produtividade Primária Bruta (PPB) simulada atingiu 72% da PPB observada ao usar os valores de Vcmax calibrado, enquanto que o modelo não calibrado obteve-se 42% da PPB observada. Assim, este trabalho mostra os benefícios de calibrar DGVMs usando medidas ecofisiológicas de campo, especialmente em áreas onde os dados de campo são escassos ou inexistentes, como na Caatinga.(AU)

Calibration of the maximum carboxylation velocity (Vcmax) using data mining techniques and ecophysiological data from the Brazilian semiarid region, for use in Dynamic Global Vegetation Models / Calibração da velocidade máxima de carboxilação (Vcmax), utilizando técnicas de mineração de dados e dados de ecofisiologia da região semiárida brasileira, para uso em Modelos de Vegetação Globais Dinâmicos

Abstract The semiarid region of northeastern Brazil, the Caatinga, is extremely important due to its biodiversity and endemism. Measurements of plant physiology are crucial to the calibration of Dynamic Global Vegetation Models (DGVMs) that are currently used to simulate the responses of vegetation in face of global changes. In a field work realized in an area of preserved Caatinga forest located in Petrolina, Pernambuco, measurements of carbon assimilation (in response to light and CO2) were performed on 11 individuals of Poincianella microphylla, a native species that is abundant in this region. These data were used to calibrate the maximum carboxylation velocity (Vcmax) used in the INLAND model. The calibration techniques used were Multiple Linear Regression (MLR), and data mining techniques as the Classification And Regression Tree (CART) and K-MEANS. The results were compared to the UNCALIBRATED model. It was found that simulated Gross Primary Productivity (GPP) reached 72% of observed GPP when using the calibrated Vcmax values, whereas the UNCALIBRATED approach accounted for 42% of observed GPP. Thus, this work shows the benefits of calibrating DGVMs using field ecophysiological measurements, especially in areas where field data is scarce or non-existent, such as in the Caatinga.

Resumo A região semiárida do nordeste do Brasil, a Caatinga, é extremamente importante devido à sua biodiversidade e endemismo. Medidas de fisiologia vegetal são cruciais para a calibração de Modelos de Vegetação Globais Dinâmicos (DGVMs) que são atualmente usados para simular as respostas da vegetação diante das mudanças globais. Em um trabalho de campo realizado em uma área de floresta preservada na Caatinga localizada em Petrolina, Pernambuco, medidas de assimilação de carbono (em resposta à luz e ao CO2) foram realizadas em 11 indivíduos de Poincianella microphylla, uma espécie nativa que é abundante nesta região. Estes dados foram utilizados para calibrar a velocidade máxima de carboxilação (Vcmax) usada no modelo INLAND. As técnicas de calibração utilizadas foram Regressão Linear Múltipla (MLR) e técnicas de mineração de dados como Classification And Regression Tree (CART) e K-MEANS. Os resultados foram comparados com o modelo INLAND não calibrado. Verificou-se que a Produtividade Primária Bruta (PPB) simulada atingiu 72% da PPB observada ao usar os valores de Vcmax calibrado, enquanto que o modelo não calibrado obteve-se 42% da PPB observada. Assim, este trabalho mostra os benefícios de calibrar DGVMs usando medidas ecofisiológicas de campo, especialmente em áreas onde os dados de campo são escassos ou inexistentes, como na Caatinga.

Calibration of the maximum carboxylation velocity (Vcmax) using data mining techniques and ecophysiological data from the Brazilian semiarid region, for use in Dynamic Global Vegetation Models

Abstract The semiarid region of northeastern Brazil, the Caatinga, is extremely important due to its biodiversity and endemism. Measurements of plant physiology are crucial to the calibration of Dynamic Global Vegetation Models (DGVMs) that are currently used to simulate the responses of vegetation in face of global changes. In a field work realized in an area of preserved Caatinga forest located in Petrolina, Pernambuco, measurements of carbon assimilation (in response to light and CO2) were performed on 11 individuals of Poincianella microphylla, a native species that is abundant in this region. These data were used to calibrate the maximum carboxylation velocity (Vcmax) used in the INLAND model. The calibration techniques used were Multiple Linear Regression (MLR), and data mining techniques as the Classification And Regression Tree (CART) and K-MEANS. The results were compared to the UNCALIBRATED model. It was found that simulated Gross Primary Productivity (GPP) reached 72% of observed GPP when using the calibrated Vcmax values, whereas the UNCALIBRATED approach accounted for 42% of observed GPP. Thus, this work shows the benefits of calibrating DGVMs using field ecophysiological measurements, especially in areas where field data is scarce or non-existent, such as in the Caatinga.

Resumo A região semiárida do nordeste do Brasil, a Caatinga, é extremamente importante devido à sua biodiversidade e endemismo. Medidas de fisiologia vegetal são cruciais para a calibração de Modelos de Vegetação Globais Dinâmicos (DGVMs) que são atualmente usados para simular as respostas da vegetação diante das mudanças globais. Em um trabalho de campo realizado em uma área de floresta preservada na Caatinga localizada em Petrolina, Pernambuco, medidas de assimilação de carbono (em resposta à luz e ao CO2) foram realizadas em 11 indivíduos de Poincianella microphylla, uma espécie nativa que é abundante nesta região. Estes dados foram utilizados para calibrar a velocidade máxima de carboxilação (Vcmax) usada no modelo INLAND. As técnicas de calibração utilizadas foram Regressão Linear Múltipla (MLR) e técnicas de mineração de dados como Classification And Regression Tree (CART) e K-MEANS. Os resultados foram comparados com o modelo INLAND não calibrado. Verificou-se que a Produtividade Primária Bruta (PPB) simulada atingiu 72% da PPB observada ao usar os valores de Vcmax calibrado, enquanto que o modelo não calibrado obteve-se 42% da PPB observada. Assim, este trabalho mostra os benefícios de calibrar DGVMs usando medidas ecofisiológicas de campo, especialmente em áreas onde os dados de campo são escassos ou inexistentes, como na Caatinga.

Thermal acclimation of leaf respiration of tropical trees and lianas: response to experimental canopy warming, and consequences for tropical forest carbon balance.

Climate warming is expected to increase respiration rates of tropical forest trees and lianas, which may negatively affect the carbon balance of tropical forests. Thermal acclimation could mitigate the expected respiration increase, but the thermal acclimation potential of tropical forests remains largely unknown. In a tropical forest in Panama, we experimentally increased nighttime temperatures of upper canopy leaves of three tree and two liana species by on average 3 °C for 1 week, and quantified temperature responses of leaf dark respiration. Respiration at 25 °C (R25 ) decreased with increasing leaf temperature, but acclimation did not result in perfect homeostasis of respiration across temperatures. In contrast, Q10 of treatment and control leaves exhibited similarly high values (range 2.5-3.0) without evidence of acclimation. The decrease in R25 was not caused by respiratory substrate depletion, as warming did not reduce leaf carbohydrate concentration. To evaluate the wider implications of our experimental results, we simulated the carbon cycle of tropical latitudes (24°S-24°N) from 2000 to 2100 using a dynamic global vegetation model (LM3VN) modified to account for acclimation. Acclimation reduced the degree to which respiration increases with climate warming in the model relative to a no-acclimation scenario, leading to 21% greater increase in net primary productivity and 18% greater increase in biomass carbon storage over the 21st century. We conclude that leaf respiration of tropical forest plants can acclimate to nighttime warming, thereby reducing the magnitude of the positive feedback between climate change and the carbon cycle.