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

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.