Plant Ecology and Evolution 151(3): 303-313, doi: 10.5091/plecevo.2018.1407
The role of climate on floristic composition in a latitudinal gradient in the Brazilian Atlantic Forest
expand article infoEduardo Magalhães Borges Prata‡, Aloysio de Pádua Teixeira‡, Carlos Alfredo Joly§, Marco Antonio Assis‡
‡ Departamento de Botânica, Universidade Estadual Paulista (Unesp), 13506-900, Rio Claro, SP, Brazil§ Departamento de Botânica, Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), 13081-970, Campinas, SP, Brazil

Corresponding author: Eduardo Prata ( eduardombprata@gmail.com )

© Meise Botanic Garden and Royal Botanical Society of Belgium.
all rights reserved
Citation: Prata EMB, Teixeira AP, Joly CA, Assis MA (2018) The role of climate on floristic composition in a latitudinal gradient in the Brazilian Atlantic Forest. Plant Ecology and Evolution 151(3): 303-313. https://doi.org/10.5091/plecevo.2018.1407
Open Access
Abstract

Background and aims – Latitudinal gradients have an important influence on species distribution reflecting the effects of environmental factors such as temperature, rainfall, soil, and geographical distance. In the southeastern Brazilian Atlantic Forest, the role of climatic variables in the floristic composition is better known for altitudinal gradients of the Serra do Mar Mountains rather than for the latitudinal gradient. Here, we investigated the effects of mean annual temperature and rainfall on tree species distribution and composition in a latitudinal gradient in the Atlantic forest.

Methods – We calculated each species frequency of occurrence and the latitudinal range. We used multivariate analyses (direct ordination, Hierarchical Clustering followed by Indicator Species analysis and NMDS) to investigate variation in floristic composition, and regression analyses to evaluate mean annual temperatures and rainfall effects on tree species composition along the latitudinal gradient (21°S to 28°S).

Key results – A total of 789 species were registered, of which a majority (646 species) were present in less than 20% of the sampled areas, and only four species (0.5%) were present in more than 80% of the sampled areas. Only ten species (1.3%) reached the maximum latitudinal range (~6°). We found a strong correlation between variation in floristic composition and the spatial position in the latitudinal gradient. The cluster analyses detected two main floristic groups, one composed by the forests from Rio de Janeiro (21°S to 23°S) and the second by the forests from São Paulo, Paraná and Santa Catarina States (23°S to 28°S). The multiple regression analysis revealed a strong effect of the climatic variables on the variation of the floristic composition along the latitudinal gradient (r2 = 0.81, P < 0.001), where 62.82% of the variation were explained by mean annual temperature, 8.27% by annual rainfall and 10.45% by both variables together.

Conclusions – The restricted distribution of most species may be explained by variations in mean annual temperature and annual rainfall along the latitudinal gradient. For instance, the decreasing mean annual temperature along the coast and the occurrence of frosts at higher latitudes may limit the southward distribution of some species while the lower annual rainfall (with marked seasonality) in the north of the gradient may limit the northward distribution of other species. Although mean annual temperature explained most of the variation in species composition along the latitudinal gradient, the abrupt variation in annual rainfall may explain the high floristic dissimilarity detected in the north of the gradient.

Keywords
Atlantic Rain Forest, climatic gradient, Mata Atlântica, ombrophilous dense forest, Serra do Mar, species distribution

References

  • Almeida F.F.M., Carneiro C.D.R. (1998) Origem e evolução da Serra do Mar. Revista Brasileira de Geociências 28: 135–150.
  • Araújo D.S.D. (1997) Mata Atlântica: CPD site SA14, Cabo Frio Region, south-eastern Brazil. In: Davis S.D., Heywood V.H., Herrera-MacBryde O., Villa-Lobos J., Hamilton A.C. (eds) Centres of plant diversity: a guide and strategy for their conservation: 373–375. London, World Wildlife Fund and The World Conservation Union.
  • Assis M.A., Prata E.M.B., Pedroni F, Sanchez M., Eisenlohr P.V., Martins F.R., Santos, FA.M., Tamashiro J.Y., Alves L.F., Vieira S.A., Piccolo M.C., Martins S.C., Camargo P.B., Carmo J.B., Simões E., Martinelli L.A., Joly C.A. (2011) Florestas de restinga e de terras baixas na planície costeira do sudeste do Brasil: vegetação e heterogeneidade ambiental. Biota Neotropica 11(2): 83–101. https://doi.org/10.1590/S1676-06032011000200012
  • Barth O. M. (2003) A Palinologia como ferramenta no diagnóstico e monitoramento ambiental da Baía de Guanabara e regiões adjacentes, Rio de Janeiro, Brasil. Anuário do Instituto de Geociências-UFRJ 26: 52–59.
  • Behling H., Negrelle R.R.B. (2001) Tropical rain forest and climate dynamics of the Atlantic Lowland, Southern Brazil, during the Late Quaternary. Quaternary Research 56: 383–389. https://doi.org/10.1006/qres.2001.2264
  • Campos M.C.R. (2008) Relação da composição e estrutura do componente arbóreo com variáveis microtopográficas e edáficas da Floresta Ombrófila Densa do Núcleo Picinguaba/PESM, Ubatuba/SP. MSc Dissertation, Universidade de Campinas, Campinas, Brazil.
  • Carvalho F.A., Nascimento M.T., Braga J.M.A. (2006) Composição e riqueza florística do componente arbóreo da Floresta Atlântica submontana na região de Imbaú, Município de Silva Jardim, RJ. Acta Botanica Brasilica 20: 727–740. https://doi.org/10.1590/S0102-33062006000300022
  • Cracraft J. (1985) Historical biogeography and patterns of differentiation within the South America avifauna: areas of endemism. Ornithological Monographs 36: 49–84. https://doi.org/10.2307/40168278
  • Currie D.J., Mittelbach G.G., Cornell H.V., Field R., Guégan J.-F., Hawkins B.A., Kaufman D.M., Kerr J.T., Oberdorff T., O’Brien E., Turner J.R.G. (2004) Predictions and tests of climate-based hypotheses of broad-scale variation in taxonomic richness. Ecology Letters 7: 1121–1134. https://doi.org/10.1111/j.1461-0248.2004.00671.x
  • Daly D.C., Mitchell J.D. (2000) Lowland vegetation of tropical South America: an overview. In: Lentz D. (eds) Imperfect balance: landscape transformations in the pre-Columbian America: 391–454. New York, Columbia University Press.
  • Eisenlohr P.V., Alves L.F., Bernacci L.C., Padgurschi M.C.G., Torres R.B., Prata E.M.B., Santos F.A.M, Assis M.A., Ramos E., Rochelle A.L.C., Martins F.R., Campos M.C.R., Pedroni F., Sanchez M., Pereira L.S., Vieira S.A., Gomes J.A.M.A., Tamashiro J.Y., Scaranello M.A.S., Caron C.J., Joly C.A. (2013) Disturbances, elevation, topography and spatial proximity drive vegetation patterns along an altitudinal gradient of a top biodiversity hotspot. Biodiversity Conservation 22: 2767–2783. https://doi.org/10.1007/s10531-013-0553-x
  • Forzza R.C., Leitman P.M., Costa A.F., Carvalho Jr. A.A., Peixoto A.L., Walter B.M.T., Bicudo C., Zappi D., Costa D.P., Lleras E., Martinelli G., Lima H.C., Prado J., Stehmann J.R., Baumgratz J.F.A., Pirani J.R., Sylvestre L., Maia L.C., Lohmann L.G., Queiroz L.P., Silveira M., Coelho M.N., Mamede M.C., Bastos M.N.C., Morim M.P., Barbosa M.R., Menezes M., Hopkins M., Secco R., Cavalcanti T.B., Souza V.C. (2010) Lista de espécies da flora do Brasil. Rio de Janeiro, Jardim Botânico do Rio de Janeiro.
  • Guilherme F.A.G. (2003) Estrutura e distribuição de espécies arbóreas em Mata Atlântica, Parque Estadual Intervales, SP. PhD Thesis, Universidade Estadual Paulista, Rio Claro, Brazil.
  • Haffer J., Prance G.T. (1998) Impulsos climáticos da evolução na Amazônia durante o Cenozóico: sobre a Teoria dos Refúgios da diferenciação biótica. Estudos Avançados 16(46): 175–204. https://doi.org/10.1590/S0103-40142002000300014
  • Hijmans R.J., Cameron S.E., Parra J.L., Jones P.G., Jarvis A. (2005) Very high resolution interpolated climate surfaces for global land areas. International Journal of Climatology 25: 1965–1978. https://doi.org/10.1002/joc.1276
  • IBGE (2002) Mapa de clima do Brasil. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Available from https://www.ibge.gov.br/geociencias-novoportal/cartas-e-mapas/informacoes-ambientais/15817-clima.html [accessed 13 Sep. 2018].
  • IBGE (2004) Mapa de biomas do Brasil. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Available from https://www.ibge.gov.br/geociencias-novoportal/cartas-e-mapas/informacoes-ambientais/15842-biomas.html [accessed 13 Sep. 2018].
  • IPNI (2012) The International Plant Names Index Available from http://www.ipni.org/ [accessed 21 Mar. 2015].
  • Ivanauskas N.M., Monteiro R., Rodrigues R.R. (2000) Similaridade florística entre áreas de Floresta Atlântica no Estado de São Paulo. Brazilian Journal of Ecology 4: 71–81.
  • Joly C.A., Aidar M.P.M., Klink C.A., McGrath D.G., Moreira A.G., Moutinho P., Nepstad D.C., Oliveira A.A., Pott A., Rodal M.J.N., Sampaio E.V.S.B. (1999) Evolution of the Brazilian phytogeograhy classification systems: implications for biodiversity and conservation. Journal of the Brazilian Association for the Advancement and Science 51: 331–348.
  • Joly C.A., Assis M.A., Bernacci L.C., Tamashiro J.Y., Campos M.C.R., Gomes J.A.M.A., Lacerda M.S., Santos F.A.M., Pedroni F., Pereira L.S., Padgurschi M.C.G., Prata E.M.B., Ramos E., Torres R.B., Rochelle A., Martins F.R., Alves L.F., Vieira S.A., Martinelli L.A., Camargo P.B., Aidar M.P.M., Eisenlohr P.V., Simões E., Villani J.P., Belinello R. (2012) Florística e fitossociologia em parcelas permanentes da Mata Atlântica do sudeste do Brasil ao longo de um gradiente altitudinal. Biota Neotropica 12: 123–145. https://doi.org/10.1590/S1676-06032012000100012
  • Joly C.A., Metzger J.P., Tabarelli M. (2014) Experiences from the Brazilian Atlantic Forest: ecological findings and conservation initiatives. New Phytologist 204: 459–473. https://doi.org/10.1111/nph.12989
  • Kurtz B.C., Araújo D.S.D. (2000) Composição florística e estrutura do componente arbóreo de um trecho de Mata Atlântica na Estação Ecológica Estadual do Paraíso, Cachoeiras do Macacu, Rio de Janeiro, Brasil. Rodriguésia 51(78/115): 69–112. https://doi.org/10.1590/2175-7860200051787903
  • Kruskal J.B., Wish M. (1978) Multidimensional scaling. Beverly Hills, Sage publications.
  • Lacerda M.S. (2001) Composição floristica e estrutura da comunidade arbórea num gradiente altitudinal da Mata Atlantica. PhD Thesis, Universidade de Campinas, Campinas, Brazil.
  • Leigh E.G.J., Davidar P., Dick C.W., Puyravaud J.-P., Terborgh J., ter Steege H., Wright S.J. (2004) Why do some tropical forests have so many species of trees? Biotropica 36(4): 447–473. https://doi.org/10.1646/1607
  • Leitão Filho H.F. (1982) Aspectos taxonômicos de florestas do Estado de São Paulo. Silvicultura em São Paulo 1: 197–206.
  • Leitão Filho H.F. (1987) Considerações sobre a florística de florestas Tropicais e Sub-tropicais do Brasil. Revista do IPEF 35: 41–46.
  • Leitão Filho H.F. (1993) Ecologia da Mata Atlântica em Cubatão. Campinas, Universidade Estadual Paulista e Universidade Estadual de Campinas.
  • Marques M.C.M., Swaine M.D., Liebsch D. (2011) Diversity distribution and floristic differentiation of the coastal lowland vegetation: implications for the conservation of the Brazilian Atlantic Forest. Biodiversity and Conservation 20: 153–168. https://doi.org/10.1007/s10531-010-9952-4
  • Martin L., Fournier M., Mourguiart P., Sifeddine A., Turcq B., Flexor J.-M., Absy M.L. (1993) Southern oscillation signal in South American palaeoclimatic data of the last 7000 years. Quaternary Research 39: 338–346. https://doi.org/10.1006/qres.1993.1040
  • Moreno M.L., Nascimento M.T., Kurtz B.C. (2003) Estrutura e composição florística do estrato arbóreo em duas zonas altitudinais na Mata Atlântica de encosta da região do Imbé, RJ. Acta Botanica Brasilica 17(3): 371–386. https://doi.org/10.1590/S0102-33062003000300005
  • Mori S.A., Boom B.M., Prance G.T. (1981) Distribution patterns and conservation of eastern Brazilian coastal forest tree species. Brittonia 33: 233–245. https://doi.org/10.2307/2806330
  • Myers N., Mittermeier R.A., Mittermeier C.G., Fonseca G.A.B., Kent J. (2000) Biodiversity hotspots for conservation priorities. Nature 403: 853–858. https://doi.org/10.1038/35002501
  • Negrelle R.R.B. (2006) Composição florística e estrutura vertical de um trecho de Floresta Ombrófila Densa de Planície Quaternária. Hoehnea 33(3): 261–289.
  • Oksanen J., Blanchet G., Friendly M., Kindt R., Legendre P., McGlinn D., Minchin P.R., O’Hara R.B., Simpson G.L., Solymos P., Henry M., Stevens H., Szoecs E., Wagner H. (2018) vegan: community ecology package. R package version 2.4-6. Available from https://cran.r-project.org/web/packages/vegan/index.html [accessed 13 Sep. 2018].
  • Oliveira R.J., Mantovani W., Melo M.M.R.F. (2001) Estrutura do componente arbustivo-arbóreo da Floresta Atlântica de encosta, Peruíbe, SP. Revista Brasileira de Botânica 15(3): 391–412. https://doi.org/10.1590/S0102-33062001000300009
  • Oliveira-Filho A.T., Tameirão-Neto E., Carvalho W.A.C., Werneck M., Brina A.E., Vidal C.V., Rezende S.C., Pereira J.A.A. (2005) Análise florística do compartimento arbóreo de áreas de Floresta Atlântica sensu lato na região das bacias do leste (Bahia, Minas Gerais, Espírito Santo e Rio de Janeiro). Rodriguésia 56(87): 185–235. https://doi.org/10.1590/2175-78602005568715
  • Oliveira-Filho A.T., Budke J.C., Jarenkow J.A., Eisenlohr P.V., Neves D.R.M. (2015) Delving into the variations in tree species composition and richness across South American subtropical Atlantic and Pampean forests. Journal of Plant Ecology 8: 242–260. https://doi.org/10.1093/jpe/rtt058
  • Pessoa S.V.A., Oliveira R.R. (2006) Análise estrutural da vegetação arbórea em três fragmentos florestais na Reserva Biológica de Poço das Antas, Rio de Janeiro, Brasil. Rodriguésia 57(3): 391–411. https://doi.org/10.1590/2175-7860200657302
  • Pinto M.M. (1998) Fitossociologia e influência de fatores edáficos na estrutura da vegetação em áreas de Mata Atlântica na Ilha do Cardoso-Cananéia, SP. PhD Thesis, Universidade Estadual Paulista, Jaboticabal, Brazil.
  • Prance G.T. (1982) A Review of the phytogeographic evidences for pleistocene climate changes in the Neotropics. Annals of the Missouri Botanical Garden 69: 594–624. https://doi.org/10.2307/2399085
  • Prata E.M.B., Assis M.A., Joly C.A. (2011) Composição florística e estrutura da comunidade arbórea na transição da Floresta Ombrófila Densa das Terras Baixas – Floresta Ombrófila Densa Submontana do Núcleo Picinguaba/PESM, Ubatuba, sudeste do Brasil. Biota Neotropica 11: 285–299. https://doi.org/10.1590/S1676-06032011000200029
  • Qian H., Song J.-S., Krestov P., Guo Q., Wu Z., Sheng X., Guo X. (2003) Large-scale phytogeographical patterns in East Asia in relation to latitudinal and climatic gradients. Journal of Biogeography 30: 129–141. https://doi.org/10.1046/j.1365-2699.2003.00807.x
  • R Development Core Team (2016) R: a language and environment for statistical computing. Vienna, R Foundation for Statistical Computing. Available from https://www.r-project.org/ [accessed 13 Sep. 2018].
  • Raedig C., Dormann C.F., Hildebrandt A., Lautenbach S. (2010) Reassessing Neotropical angiosperm distribution patterns based on monographic data: a geometric interpolation approach. Biodiversity and Conservation 19: 1523–1546. https://doi.org/10.1007/s10531-010-9785-1
  • Rizzini C.T. (1963) Nota prévia sobre a divisão fitogeográfica do Brasil. Revista Brasileira de Geografia 25: 3–64.
  • Rizzini C.T. (1979) Tratado de fitogeografia do Brasil, vol. 2. São Paulo, Editora da Universidade de São Paulo.
  • Roberts D.W. (2016) labdsv: ordination and multivariate analysis for ecology. R package version 1.8-0. Available from https://cran.r-project.org/web/packages/labdsv/index.html [accessed 13 Sep. 2018].
  • Sanchez M., Pedroni F., Leitão-Filho H.F., César O. (1999) Composição florística de um trecho de floresta ripária na Mata Atlântica em Picinguaba, Ubatuba, SP. Revista Brasileira de Botânica 22(1): 31–42. https://doi.org/10.1590/S0100-84041999000100006
  • Scudeller V.V., Martins F.R., Shepherd G.J. (2001) Distribution and abundance of arboreal species in the Atlantic Ombrophilous Dense Forest in southeastern Brazil. Plant Ecology 152: 185–199. https://doi.org/10.1023/A:1011494228661
  • Silva A.F., Leitão Filho H.F. (1982) Composição florística e estrutura de um trecho de Mata Atlântica no município de Ubatuba (São Paulo, Brasil). Revista Brasileira de Botânica 5: 43–52.
  • Silva F.C. (1994) Composição florística e estrutura fitossociológica da Floresta Tropical Ombrófila da encosta Atlântica no município de Morretes, Estado do Paraná. Acta Biológica Paranaense 23: 1–54. https://doi.org/10.5380/abpr.v23i0.705
  • Siminski A., Mantovani M., Reis M.S., Fantini A.C. (2004) Sucessão florestal secundária no município de São Pedro de Alcântara, litoral de Santa Catarina: estrutura e diversidade. Ciência Florestal 14(1): 21–33. https://doi.org/10.5902/198050981778
  • Stehmann J.R., Forzza R.C., Salino A., Sobral M., Da Costa D.P., Kamino L.H.Y. (2009) Plantas da Floresta Atlântica. Rio de Janeiro, Jardim Botânico do Rio de Janeiro
  • Veloso H.P., Klein R.M. (1968) As comunidades e associações vegetais da mata pluvial do Sul do Brasil. Sellowia 20: 53–126.
  • Veloso H.P., Rangel-Filho A.L.R., Lima J.C.A. (1991) Classificação da vegetação brasileira, adaptada a um sistema universal. Rio de Janeiro, Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística.
  • Zhang D.-C., Boufford D.E., Ree R.H., Sun H. (2009) The 29°N latitudinal line: an important division in the Hengduan Mountains, a biodiversity hotspot in southwest China. Nordic Journal of Botany 27: 405–412. https://doi.org/10.1111/j.1756-1051.2008.00235.x