Environmental factors, clipping and fire: effects on cerrado (Brazilian savanna) native and invasive grasses

Abstract

The Brazilian Cerrado houses a hugely diverse biota and is considered a conservation hotspot. One of the greatest threats to the integrity of this ecosystem is introduced African grasses, which can competitively exclude native grasses and cause changes in the microclimate and other disturbances. The Cerrado is a mosaic vegetation that provides different combinations, both spatially and temporally, of conditions that can become natural stressors to the herbaceous vegetation (water, nutrient and light availability). These mosaics are reflected in differences in relationships among native and invasive species, affecting competition and creating situations (place/season) that are more, or less, susceptible to invasion. The present study aimed to identify the different biological responses of native (Aristida recurvata, Aristida setifolia, Axonopus barbigerus, Echinolaena inflexa, Gymnopogon spicatus, Paspalum gardnerianum, Paspalum stellatum, Schizachyrium microstachyum, Schizachyrium sanguineum) and invasive (Melinis minutiflora and Andropogon gayanus) grasses to variations in natural stressors and to disturbance (fire and clipping), in order to understand changes in ecosystem functioning and competition processes between the grasses, and to understand invasion dynamics in this ecosystem. The presence of invasive species proved to affect the ecosystem functioning by increasing soil feeding activity. These differences were no longer observed in the dry season or when fires were frequent, showing that water availability and fire are more detrimental to soil feeding activity than is the vegetation. Laboratory experiments showed that both drought and flood simulated scenarios damaged both species, although the invasive species performed better under all watering conditions and responded better to fertilization. Underlying mechanisms such as the efficiency of photosynthesis and antioxidant mechanisms helped to explain this behavior. The invasive species grew faster and showed less cellular damage and a healthier photosystem, reflected in higher assimilation rates under stress. These differences between the native and invasive species were reduced with clipping, especially in dry soil with no fertilization, where the native species recovered better in relation to the pre-clipping levels. Flooding was as stressful as drought, but the invasive species can bypass this issue by growing an extensive root system, especially in the better-drained soils. Fire is more detrimental than clipping, with a slower recovery, while post-fire temperatures affect the germination of both invasive and native seeds and may be an important factor influencing the persistence of a diverse biota. This approach will finally contribute to the choice of the appropriate management techniques to preserve the Cerrado’s biodiversity.

O Cerrado brasileiro abriga uma enorme biodiversidade e é considerado um bioma prioritário para conservação. Uma das maiores ameaças à integridade desse ecossistema é a introdução de gramíneas africanas, que têm a capacidade de excluir competitivamente as gramíneas nativas, causando alterações no microclima e nos regimes de perturbação do ecossistema. O Cerrado é um mosaico de vegetação que oferece combinações diferentes em termos espaciais e temporais, de fatores de stress natural para vegetação herbácea (disponibilidade de água, nutrientes, luz etc.). Os diferentes cenários no ambiente físico refletem diferenças nas relações biológicas entre espécies nativas (Aristida recurvata, Aristida setifolia, Axonopus barbigerus, Echinolaena inflexa, Gymnopogon spicatus, Paspalum gardnerianum, Paspalum stellatum, Schizachyrium microstachyum, Schizachyrium sanguineum) e invasoras (Melinis minutiflora, Andropogon gayanus), afetando a competição entre elas e criando situações (local / estação) que são mais ou menos suscetíveis à invasão. Este estudo tem como objetivo identificar as diferentes respostas biológicas de gramíneas nativas ( e invasoras às variações de stress ambiental natural e à perturbação (fogo e corte), a fim de compreender as mudanças no funcionamento do ecossistema e os processos de competição entre essas espécies, ajudando assim a compreender a dinâmica de invasão neste ecossistema. No campo, a presença de espécies invasoras mostrou afetar o funcionamento dos ecossistemas, aumentando a atividade dos detritívoros do solo. Estas diferenças não foram, porém, observadas na estação seca nem quando o fogo é frequente, mostrando que a disponibilidade de água e de fogo são mais determinantes para a atividade dos detritívoros do solo do que para a vegetação. Os experimentos de laboratório mostraram que tanto a seca quando o excesso de água causa danos em ambas as espécies, porém as espécies invasoras apresentam um melhor desempenho em qualquer condição de rega e respondem melhor à adição de fertilizantes. Os mecanismos subjacentes, como a eficiência da fotossíntese e mecanismos antioxidantes, ajudam a explicar esse comportamento. Com estes mecanismos ativos, a espécie invasora tem capacidade de crescer mais rapidamente, apresentando menos danos celulares e um fotossistema saudável, apresentando taxas de assimilação mais elevadas. No entanto, estas discrepâncias entre espécies nativas e invasora são reduzidos com a aplicação do corte, especialmente nos solos secos e sem fertilização, onde as espécies nativas recuperaram melhor, em relação aos valores em précorte. O excesso de água representa um stress semelhante ao induzido pela seca, mas em solos com melhor drenagem, as espécies invasoras são capazes de contornar esse problema de forma mais eficiente que a nativa. O fogo provou ser mais prejudicial que o corte, provocando uma recuperação mais lenta. Além disso, as temperaturas pós- fogo são capazes de afetar a germinação de sementes tanto de espécies nativas quanto da invasora, podendo ser um fator importante e que influencia a persistência da biodiversidade no campo. Os resultados desse trabalho contribuirão para a escolha da técnica de manejo mais adequada para a conservação da biodiversidade do Cerrado.