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Universidade de São Paulo Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”

Centro de Energia Nuclear na Agricultura

Alterações nos fluxos de gases do solo e na ciclagem de carbono e

nitrogênio após aquecimento do solo em áreas de Mata Atlântica

Luiz Felipe Borges Martins

Dissertação apresentada para obtenção do título de Mestre em Ciências. Área de concentração: Ecologia Aplicada

Piracicaba 2011

Luiz Felipe Borges Martins Bacharel em Gestão Ambiental

Alterações nos fluxos de gases do solo e na ciclagem de carbono e nitrogênio após aquecimento do solo em áreas de Mata Atlântica

Orientador: Prof. Dr. LUIZ ANTONIO MARTINELLI

Dissertação apresentada para obtenção do título de Mestre em Ciência. Área de concentração: Ecologia Aplicada

Piracicaba 2011

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação

DIVISÃO DE BIBLIOTECA - ESALQ/USP

Martins, Luiz Felipe Borges Alterações nos fluxos de gases do solo e na ciclagem de carbono e nitrogênio após

aquecimento do solo em áreas de Mata Atlântica / Luiz Felipe Borges Martins. - - Piracicaba, 2011.

89 p. : il.

Dissertação (Mestrado) - - Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”. Centro de Energia Nuclear na Agricultura, 2011.

1. Aquecimento global 2. Carbono 3. Florestas tropicais 4. Fluxo de gases 5. Nitrogênio 6. Solo florestal I. Título

CDD 634.94 M386a

“Permitida a cópia total ou parcial deste documento, desde que citada a fonte – O autor”

3

À minha mãe, meu pai e minha irmã

por estarem sempre ao meu lado, por mais

difíceis que fossem as minhas escolhas, e

por sempre me apoiarem nessas decisões.

Dedico

Aos meus eternos amigos Rodrigo

Bermejo (Poroc) e Alan Rígolo (Tiliko) que

foram meus irmãos durante esta etapa.

Ofereço

5

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador Luiz Antônio Martinelli pela credibilidade, paciência,

orientação, apoio e principalmente pela amizade e oportunidade de trabalharmos juntos

nesse estudo.

À minha co-orientadora Janaína do Carmo e ao meu amigo Paulo Queiroz pela

orientação, paciência, enorme apoio recebido e por me acolherem como família. Sem

vocês esse trabalho não teria sido realizado.

Aos professores Plínio Camargo e Marisa Piccolo pelas oportunidades

proporcionadas, amizade e momentos de descontração durante essa fase.

À Universidade de São Paulo – USP e ao Programa de Pós-Graduação Inter-

unidades da ESALQ / CENA pela oportunidade e formação acadêmica.

À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pela

concessão da bolsa de mestrado (Processo 2008-52280-9).

Ao Projeto Biota – Gradiente Funcional (Temático n° 03/12595-7) pelo apoio

logístico e financeiro concedido para a elaboração desta pesquisa.

Aos diretores e funcionários do Parque Estadual da Serra do Mar – Núcleo Santa

Virgínia por permitirem a realização deste trabalho e me ajudarem durante a realização

das coletas.

Às secretárias Mara Casarim e Regina Freitas pela ajuda dispensada.

Aos meus amigos Alan Rígolo (Tiliko) e Rodrigo Bermejo (Poroc) por todos os

momentos de alegria e amizade durante a fase de glória do apêxtasy, pela confiança

incondicional, apoio e força durante toda essa jornada da minha vida. Sem vocês eu

não teria conseguido chegar aonde cheguei. Sucesso ad æternum!

Um agradecimento mais do que especial pra Fá, que além de ser uma

profissional que eu admiro muito pelo carisma e maneira invejável de levar a vida, foi

amiga e confidente durante todos esses anos. Você foi um pilar que me sustentou pra

essa mais nova conquista, e faz parte dela.

Aos integrantes (passados e presentes) da Sala dos Professores: Tate, Lú, Eliza,

Duzão, Neto, Síl, Adelaine, Presuntinho e Prisionêro. Agradeço principalmente a

paciência de me aguentarem durante todo esse tempo, e por sempre me ajudarem

6

quando eu precisei. Essa sala fica pequena perto do nosso potencia! E vocês ainda vão

ter saudade das minhas piadinhas infames...

Aos ex-moradores e moradores da República Πk-reta, por todos os momentos de

amizade e aprendizado durante a minha vida em Piracicaba.

Aos amigos do Laboratório de Ecologia Isotópica: Leonardinho, Simoni Grilo, Fri-

xóp, Mauzibir, Tia Tó, Leo Bernardo, Natássia, Rebeca, Luis Otávio, Robson, Jadson,

Luli, Giulia, Guilherme, Gêra, Angélica, Marcos Scaranelo (Caramelo), Susian (Tapi),

Urso, Uwe, Sandra Furlan, Edmar, Fer Fischer, Zé Mauro, Alexandra, Gustavinho,

Renan, Dani, Marcelo Moreira, Jorginho, Elizete e ao pessoal da GEPURA.

Aos professores e estudantes do Depto. de Estatística e Informática (DEINFO),

da Universidade Federal Rural de Pernambuco, em especial ao Prof. Borko e ao Paulo

Duarte Neto pelo auxílio e aprendizado proporcionado.

A todos que direta ou indiretamente contribuíram para meu crescimento e

realização deste trabalho!

Muito Obrigado!

7

“Even if I knew that tomorrow the world would go to pieces, I would still plant my apple tree.”

Martin Luther King

9

SUMÁRIO

RESUMO........................................................................................................................11

ABSTRACT....................................................................................................................13

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................15

LISTA DE TABELAS .....................................................................................................19

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ........................................................................21

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................23

1.1 Objetivos ..........................................................................................................26

1.2 Hipótese...........................................................................................................27

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...................................................................................29

2.1 Aquecimento global..........................................................................................29

2.2 Fluxo de Gases em Florestas Tropicais...........................................................31

2.3 Aquecimento de Solo .......................................................................................32

3 MATERIAL E MÉTODOS .......................................................................................35

3.1 Localização e Descrição da Área de Estudo....................................................35

3.2 Instalação do experimento ...............................................................................36

3.2.1 Escolha da área........................................................................................36

3.2.2 Simulação do aquecimento do solo ..........................................................37

3.3 Coleta de dados...............................................................................................41

3.3.1 Coleta das Amostras do Solo....................................................................41

3.3.2 Coleta das Amostras de Gases do Solo ...................................................41

3.4 Análises dos dados ..........................................................................................43

3.4.1 Análises físico-químicas de solo ...............................................................43

3.4.2 Determinação da umidade e dos espaços porosos do solo preenchidos

por água (water filled por espace – WFPS)....................................................................44

3.4.3 Análises estatísticas .................................................................................44

4 RESULTADOS .......................................................................................................47

4.1 Caracterização do solo ....................................................................................47

4.2 Aquecimento do solo........................................................................................48

4.3 Espaço poroso do solo preenchido por água (WFPS) .....................................49

4.4 Fluxos de N2O..................................................................................................50

10

4.5 Fluxos de CH4 ................................................................................................. 57

4.6 Fluxos de CO2 ................................................................................................. 61

5 DISCUSSÃO .......................................................................................................... 69

5.1 Sistemas de Aquecimento do Solo.................................................................. 69

5.2 Fluxos de CO2, CH4 e N2O e Aumento da Temperatura do Solo .................... 70

6 CONCLUSÕES ...................................................................................................... 77

REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 79

11

RESUMO

Alterações nos fluxos de gases do solo e na ciclagem de carbono e nitrogênio após aquecimento do solo em áreas de Mata Atlântica

O aquecimento global é considerado um dos mais sérios problemas ambientais da atualidade mundial e suas consequências afetam de maneira severa diversos biomas já ameaçados, principalmente em ecossistemas tropicais. O estado de conservação de todos os biomas brasileiros é uma questão de grande preocupação e por esta razão, a Mata Atlântica, um dos ecossistemas florestais que mais sofreu redução em seu vasto domínio, ainda é um bioma extremamente rico em biodiversidade, com altos níveis de endemismo, apesar do intenso desmatamento e fragmentação. Diante de sua importância biogeoquímica, os objetivos principais do presente estudo foram compreender de que maneira o fenômeno de elevação da temperatura global afeta as emissões naturais de gases de efeito estufa (GEE) provenientes do solo e de que modo o acréscimo da temperatura influencia na ciclagem de nutrientes como carbono e nitrogênio. Para isso, o solo foi aquecido artificialmente em 5ºC para se avaliar o comportamento das emissões sob maiores temperaturas. O estudo foi realizado no Parque Estadual da Serra do Mar, no Núcleo Santa Virgínia, onde predomina a formação de Floresta Ombrófila Densa Altimontana. As amostras foram coletadas quatro vezes ao ano em campanhas de 10 dias, durante os meses de setembro e novembro de 2009 e janeiro e agosto de 2010. O sistema de aquecimento funcionou de maneira satisfatória como esperado e o aumento da temperatura ocorreu por radiação térmica de maneira lenta e gradativa. O aumento da temperatura não resultou em diferenças significativas na umidade do solo para os diferentes tratamentos. O aquecimento resultou em um aumento expressivo das emissões de CO2 e N2O, porém não apresentou diferenças para os fluxos de CH4. O aumento do fluxo dos gases pode representar uma tendência da diminuição do estoque (substrato) de carbono disponível no solo ao longo do tempo. A variação de CO2 a curto prazo pode ter sido consequência do aumento da respiração radicular e de heterótrofos presentes na rizosfera. Para o N2O a maior temperatura pode ter intensificado o metabolismo da microbiota desnitrificadora, resultando assim em maiores emissões de N2O para a atmosfera. O consumo de CH4 não apresentou diferenças significativas durante os períodos amostrados. Estudos que manipulam a temperatura do solo permitem um maior conhecimento dos processos envolvidos na emissão de gases pela atividade microbiana, mas infelizmente não permitem uma conclusão precisa a respeito do comportamento do sistema solo-atmosfera por completo devido aos inúmeros fatores que afetam esses processos de maneiras distintas. É preciso aprofundar nossos conhecimentos da dinâmica desses processos para um melhor entendimento de como a futura interação do ciclo global do C responderá às mudanças climáticas, e como será possível antecipar os efeitos negativos dessas interações que ocorrem na natureza, principalmente entre o C e o N do solo e da atmosfera.

Palavras-chave: Aquecimento global; Fluxo de gases; Floresta tropical; Nitrogênio; Carbono; Solo florestal

13

ABSTRACT

Changes in soil gas fluxes and the cycling of carbon and nitrogen after heating the soil in areas of Mata Atlantica forest

The global warming is considered one of the most serious environmental problem of nowadays and its severe consequences affects already threatened biomes, particularly in tropical ecosystems. The conservation status of all biomes is a matter of great concern, and for this reason, the Atlantic forest, one of the most threatened ecosystems of the Planet, is still extremely rich in biodiversity, with high endemic levels, despite the intense deforestation and fragmentation. Given its biogeochemistry importance, the main objectives of this study were to understand how the phenomenon of rising global temperatures affects natural emissions of greenhouse gases (GHG) from soil, and how the warming influences the cycling of nutrients such as carbon and nitrogen. For this, the soil was artificially heated at 5ºC to evaluate the emissions response at higher temperatures. The study was conducted at Serra do Mar State Park – Núcleo Sta. Virgínia, were the formation of montane Rain Forest predominates. Gas samples were collected four times a year on 10 days campaigns during the months of September and November 2009 and January and August 2010. The heating system worked satisfactorily as expected and the temperature was increased by thermal radiation in a slow and gradual way. The temperature increase resulted in no significant differences in soil moisture for the different treatments. The higher temperature resulted in a significant increase in emissions of CO2 and N2O, but no difference was noticed to the flows of CH4. The higher emissions of gases may represent a trend of decrease in the pool of readily available carbon in the soil over time. The short-term variation of CO2 may have been a consequence of increased root respiration and heterotrophic microbiota in the rhizosphere. For the N2O results, the temperature may have enhanced the metabolism of denitrifying microbiota, thus resulting in higher emissions of N2O to the atmosphere. The consumption of CH4 showed no significant differences during the studied periods. Studies that manipulate the soil temperature allow a better understanding of the involved processes in the emission of gases by microbial activity, but unfortunately do not allow a precise conclusion about the response of the soil-atmosphere system altogether because there are many factors that affects these processes in distinct ways. We need to further improve our knowledge on the dynamics of these processes for a better understanding of how the future interaction between the global carbon cycle responds to climate change, and how we anticipate the negative effects of those interactions that occur in nature, mainly between C and N present in the soil and in the atmosphere

Keywords: Global warming; Gas fluxes; Tropical forest; Nitrogen; Carbon; Forest soil

15

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Concentrações atmosféricas do núcleo de gelo de Vostók, com a recente

perturbação humana em destaque. O gráfico inserido apresenta o aumento na

concentração atmosférica de CO2 do Observatório de Mauna Loa, no Hawaí

(adaptado de Steffen et al., 2004)...........................................................................24

Figura 2 - Alterações em sistemas físicos e biológicos e temperatura da superfície entre

os anos de 1970-2004 (adaptado de IPCC, 2007)..................................................25

Figura 3 - Desenho amostral da parcela no campo e representação das câmaras com e

sem aquecimento, distribuídas aleatoriamente ao longo de uma linha de 30 metros,

por sorteio. ..............................................................................................................36

Figura 4 - (A) Detalhe dos termostatos utilizados. (B) Vista superior do termostato

utilizado para monitoramento da temperatura. (C) Sistema de aquecimento por

irradiação utilizado no interior das câmaras de fluxo de gases. ..............................38

Figura 5 - (A) Sistema de aquecimento com termostato utilizado para verificar o

aumento da temperatura do solo. (B) Sistema de aquecimento utilizado durante o

ensaio realizado em área florestal do campus “Luiz de Queiroz” – Piracicaba/SP.

(C) Detalhe do termômetro utilizado dentro da câmara para monitoramento do

aumento da temperatura superficial do solo. (D) Colocação do termômetro para

monitoramento do sistema de aquecimento, situado 5cm abaixo da camada

superficial do solo de dentro de cada câmara.........................................................39

Figura 6 - Gerador elétrico portátil utilizado para fornecer a tensão necessária para o

sistema de aquecimento do solo.............................................................................40

Figura 7 - (A) Sistema de coleta de fluxo de gases sem aquecimento do solo; (B)

Sistema de coleta de fluxo de gases com aquecimento..........................................41

Figura 8 - Exemplo de regressão linear da curva para a medida do fluxo de N2O após

30 minutos. A inclinação da reta (365,45) representa o fluxo e será utilizado nos

cálculos considerando o volume e a altura da câmara além da pressão atmosférica,

obedecendo a Lei dos Gases Perfeitos (PV=NRT). ................................................42

16

Figura 9 - Variação da temperatura do solo em função do tempo ao longo de coletas

realizadas na primeira campanha de campo no PESM – Núcleo Santa Virgínia,

realizada durante o mês de Setembro, 2009.......................................................... 49

Figura 10 - Variação temporal das médias mensais dos espaços do solo preenchidos

por água (WFPS) durante as quatro coletas realizadas. O erro padrão de cada

média foi calculado e inserido no gráfico. As barras não são evidentes em virtude

dos baixos valores de erro...................................................................................... 50

Figura 11 - Média dos fluxos de N2O das quatro coletas realizadas. As barras de erro

representam o erro padrão de cada média............................................................. 51

Figura 12 - Histograma e Box-plot da distribuição dos valores de emissões de N2O (ng-

N cm-2 h-1) das coletas realizadas. Box-plot: a linha branca representa a mediana,

com seu intervalo de confiança representado pelos limites da caixa; limites

externos representam o intervalo entre o 1º e o 3º quartil; e linhas individuais

representam valores além deste intervalo. ............................................................. 52

Figura 13 - Distribuição dos resíduos dos 3 modelos analisados para o fluxo de N2O,

considerando as distribuição de probabilidade normal, log-normal e gama. .......... 54

Figura 14 - Média observada e estimada pelo modelo final gama (± intervalo de

confiança 95%) do fluxo de N2O para os diferentes tratamentos observados. ....... 54


confiança 95%) do fluxo de N2O para as diferentes épocas de coleta. .................. 55

Figura 16 - Distribuição dos resíduos dos 3 modelos analisados com distribuição de

probabilidade normal, log-normal e gama, considerando as variáveis temperatura e

umidade como co-variáveis para o fluxo de N2O.................................................... 56

Figura 17 - Variação do fluxo de N2O (a) observado e (b) predito pelo modelo gama, a

partir dos valores absolutos da temperatura e umidade do solo. ........................... 57

Figura 18 - Média dos fluxos de CH4 das quatro coletas realizadas. As barras de erro

representam o erro padrão de cada média............................................................. 58

Figura 19 - Histograma e Box-plot da distribuição dos valores de fluxo de CH4 (mg CH4

m-2 d-1) das coletas realizadas. Box-plot: a linha branca representa a mediana, com

seu intervalo de confiança representado pelos limites da caixa; limites externos

17

representam o intervalo entre o 1º e o 3º quartil; e linhas individuais representam

valores além deste intervalo....................................................................................59

Figura 20 - Distribuição dos resíduos dos 2 modelos analisados para o fluxo de CH4,

considerando as distribuição de probabilidade normal e log-normal.......................61

Figura 21 - Média dos fluxos de CO2 (µmol m-2 s-1) das quatro coletas realizadas. As

barras de erro representam o erro padrão de cada média......................................62

Figura 22 - Histograma e Box-plot da distribuição dos valores de fluxo de CO2 (µmol m-2

s-1) das coletas realizadas. Box-plot: a linha branca representa a mediana, com seu

intervalo de confiança representado pelos limites da caixa; limites externos

representam o intervalo entre o 1º e o 3º quartil; e linhas individuais representam

valores além deste intervalo....................................................................................63

Figura 23 - Distribuição dos resíduos dos 3 modelos analisados para o fluxo de CO2,

considerando as distribuição de probabilidade normal, log-normal e gama............64

Figura 24 - Média observada e estimada pelo modelo final log-normal (± intervalo de

confiança 95%) do fluxo de CO2 para os diferentes tratamentos observados. .......65


confiança 95%) do fluxo de CO2 para as diferentes épocas de coleta. ...................66

Figura 26 - Distribuição dos resíduos dos três modelos analisados com distribuição de

probabilidade normal, log-normal e gama, considerando as variáveis temperatura e

umidade como co-variáveis para o fluxo de CO2. ...................................................67

Figura 27 - Variação do fluxo de CO2 (a) observado e (b) predito pelo modelo gama, a

partir dos valores absolutos da temperatura e umidade do solo. ............................67

Figura 28 - Relação entre a temperatura e a respiração do solo em (A) incubações em

laboratório de solos de tundra e (B) mensurações realizadas em campo de 15

estudos diferentes, onde os dados foram ajustados para terem a mesma taxa de

respiração a 10ºC (A, adaptado de Flanagan & Veum, 1994. B, adaptado de Lloyd

& Taylor, 1994)........................................................................................................72

Figura 29 - Efeitos diretos e indiretos da temperatura na respiração do solo (adaptado

de Chapin et al. 2002). ............................................................................................73

19

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Caracterização física no perfil do solo nas Parcelas da Floresta Ombrófila

Densa Montana. Os valores representam a média (n=8) ± o desvio padrão. .........47

Tabela 2 - Caracterização química no perfil do solo nas Parcelas da Floresta Ombrófila

Densa Montana. Os valores representam a média (n=16) ± desvio padrão. ..........48

Tabela 3 - Valores do critério de informação de Akaike (AIC) e coeficiente de

determinação para o ajuste dos modelos normal, log-normal e gama, usando-se os

fatores tratamento e coleta como variáveis explicativas do fluxo de N2O. ..............52

Tabela 4 - Análise de variância dos modelos propostos para as emissões de N2O

utilizando a distribuição Gama de probabilidade.....................................................53



valores absolutos da temperatura e umidade como variáveis explicativas do fluxo

de N2O. NE = não estimado. ...................................................................................56

Tabela 6 - Parâmetros estimados para o modelo do fluxo de N2O, admitindo-se a

distribuição gama. ...................................................................................................56



fatores tratamento e coleta como variáveis explicativas do fluxo de CH4. ..............59

Tabela 8 - Análise de variância dos modelos propostos para as emissões de CH4

utilizando diferentes distribuições de probabilidade (Normal e Log-Normal). .........60



valores medidos em campo da temperatura e umidade como variáveis explicativas

do fluxo de CH4. NE = não estimado.......................................................................60



fatores tratamento e coleta como variáveis explicativas do fluxo de CO2. ..............63

Tabela 11 - Análise de desvios dos modelos propostos para as emissões de CO2

utilizando a distribuição Log-Normal de probabilidade............................................64

20



valores absolutos da temperatura e umidade como variáveis explicativas do fluxo

de CO2.................................................................................................................... 66

Tabela 13 - Parâmetros estimados para o modelo do fluxo de CO2, admitindo-se a

distribuição log-normal............................................................................................ 66

21

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

C Carbono

CH4 Metano

Cm Centímetros

CO2 Dióxido de Carbono

GEE Gases de Efeito Estufa

GLM Generalized Linear Model (Modelo Linear Generalizado)

Gt Gigatonelada

Há Hectares

IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change

M Metros

Ml Milímetros

N Nitrogênio

N2O Óxido Nitroso

PAG Potencial de Aquecimento Global

PESM Parque Estadual da Serra do Mar

Pg Petagrama

Tg Teragrama

23

1 INTRODUÇÃO

Segundo o 4º relatório do Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC,

2007), as concentrações de dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso

(N2O), chamados gases do efeito estufa (GEE), têm aumentado significativamente na

atmosfera desde 1750, como resultado de atividades humanas. Atualmente, essas

concentrações já ultrapassaram em muito os valores da era pré-industrial, antes de

1750, acarretando impactos climáticos significativos (NOBRE, 2002).

A mudança no uso da terra através da exploração madeireira e do

desflorestamento são os principais fatores responsáveis pelo aumento de 40% das

emissões globais de gases de efeito estufa entre os anos de 1970 e 2004 (IPCC 2007).

Tais fatores são particularmente importantes nos países tropicais, enquanto que nos

países industrializados, localizados em zonas de clima temperado, a queima de

combustíveis fósseis é a principal causa do aumento do efeito estufa. Uma das mais

temíveis consequências desse aumento é a elevação da temperatura do ar em várias

regiões diferentes do globo. Por exemplo, há cerca de uma década, Victoria et al.

(1998) observaram uma tendência de aquecimento de 0,56ºC por século para a região

Amazônica. Malhi e Wright (2004) e Ramankutty et al. (2007), no entanto, calcularam

que nas últimas décadas, vem ocorrendo um aquecimento global de aproximadamente

0,25ºC por século nas florestas tropicais do mundo.

As interações entre o meio ambiente e o Homem têm uma longa e complexa

história e apresentam grandes variações de acordo com o período e o local. De acordo

com Steffen et al., (2004), um núcleo de gelo da cidade de Vostók na Antártida, com

mais de 420.000 anos apresenta padrões regulares de concentração de CO2 (Figura 1).

No entanto, as atividades antrópicas têm provocado um aumento na concentração de

dióxido de carbono, evidenciado desde a década de 60 até os presentes dias, sem um

antecedente comum.

24

Figura 1 - Concentrações atmosféricas do núcleo de gelo de Vostók, com a recente perturbação humana em destaque. O gráfico inserido apresenta o aumento na concentração atmosférica de CO2 do Observatório de Mauna Loa, no Hawaí (adaptado de STEFFEN et al., 2004)

As diversas interações físico-químicas e os processos biológicos que

transportam e transformam material e energia, os quais permitem as condições

necessárias para desenvolvimento e manutenção da vida em nosso planeta, podem

sofrer alterações irreparáveis a curto e a longo prazo. Os processos biogeoquímicos

interferidos pelo aumento da concentração de GEE podem afetar direta e indiretamente

diversos ciclos de elementos, assim como modificar o ambiente como o conhecemos.

Apesar desses resultados alarmantes, com importantes consequências para o

funcionamento dos ecossistemas (OMETTO et al., 2005), ainda são poucos os estudos

que visam examinar os efeitos das alterações climáticas em biomas específicos, e

particularmente nos biomas tropicais, como ressaltado no último relatório do IPCC

(IPCC, 2007).

Apesar do número de estudos sobre as consequências das mudanças globais

sobre a estrutura e funcionamento dos ecossistemas ter aumentado desde 2001, e com

a publicação da terceira avaliação do IPCC, ainda existe uma notável falta de equilíbrio

25

geográfico nos dados e na literatura sobre as mudanças observadas, com acentuada

escassez em países em desenvolvimento. Observações em sistemas físicos e

biológicos e sua relação com as mudanças climáticas são inexistentes no Brasil (Figura

2).

Figura 2 - Alterações em sistemas físicos e biológicos e temperatura da superfície entre os anos de 1970-2004 (adaptado de IPCC, 2007)

Durante muitos anos, os ecossistemas tropicais brasileiros vêm sendo alterados

pelas ações antrópicas e por esta razão têm sido alvo de estudos que buscam o

entendimento de como essas alterações interferem nos processos de estruturação e

funcionamento desses ecossistemas (OMETTO et al., 2005). Apesar da importância

que as florestas tropicais brasileiras têm no cenário mundial, uma vez que representam

papel muito importante no balanço global do ciclo do carbono, (MELILLO et al., 1993;

FIELD et al., 1998; COX et al., 2000; TIAN et al., 2000; GASH et al., 2004; OMETTO et

al., 2005) nenhum estudo manipulativo simulou ainda condições climáticas diversas das

atuais visando investigar as respostas a estas alterações.

No território brasileiro há uma expressiva diversidade de ecossistemas florestais,

dada a sua grande área física e diversidade de climas e solos existentes (LEITÃO-

26

FILHO, 1987). A Mata Atlântica é um exemplo de ecossistema tropical que foi e ainda

continua sendo alterado pela atividade humana. Outrora, este ecossistema

correspondia a uma formação florestal praticamente contínua ao longo de grande parte

da região litorânea, estendendo-se desde o Nordeste (Ceará) até o Estado de Santa

Catarina. Atualmente existem menos de 8% de cobertura original de Mata Atlântica

(SOS MATA ATLÂNTICA, 1993).

No Estado de São Paulo, a Mata Atlântica apresentava, originalmente, cerca de

82% de sua área (VICTOR, 1977). Atualmente, restam apenas 12% dessas formações

e apenas 5% constituem florestas nativas não perturbadas (KRONKA et al., 2003). Os

remanescentes desta formação florestal situam-se em áreas isoladas e dispersas numa

paisagem que se alterna entre floresta e áreas destinadas à agricultura. Esses

remanescentes são reconhecidos como ambientes de grande diversidade biológica e

estão sob graves ameaças de destruição.

Conhecer a dinâmica dos nutrientes em florestas tropicais em seu estado natural

e sob o efeito de alterações de origem humana e climática é de extrema importância,

pois ciclos como o do carbono (C) e do nitrogênio (N) estão intimamente relacionados e

são determinantes nos fatores que regulam sua reciclagem entre a vegetação e o solo

(NEFF et al., 2002). É dentro desse contexto que se insere este projeto de pesquisa e a

proposta de investigar os efeitos das mudanças climáticas no funcionamento da mais

antiga floresta tropical do país – a Mata Atlântica.

1.1 Objetivos

O presente estudo teve como objetivo investigar os efeitos do aquecimento

global nos fluxos naturais dos gases (CO2, N2O e CH4) emitidos ou consumidos a partir

do solo de uma determinada área da Floresta de Mata Atlântica.

Para alcançar esse objetivo foram determinadas as variabilidades dos fluxos de

gases em áreas controles e áreas submetidas a aquecimento artificial do solo.

Este objetivo foi estabelecido visando dar suporte ao projeto temático

BIOTA/FAPESP “Mudanças de Uso da Terra e Composição Florística, Estrutura e

Funcionamento da Floresta Ombrófila Densa dos Núcleos Picinguaba e Santa Virgínia

do Parque Estadual da Serra-do-Mar” (FAPESP n. 03/12595-7), cujo um dos objetivos é

27

averiguar se existem diferenças no ciclo do carbono e do nitrogênio ao longo de um

gradiente altitudinal e se estas diferenças são decorrentes das idades das formações

vegetais, ou estão associadas a aspectos geomorfológicos e climáticos de cada

fasciação.

1.2 Hipótese

Os gases são emitidos do solo como produto final de processos naturais

relacionados à decomposição da matéria orgânica e mediados por microrganismos e

fatores climáticos. Portanto, o processo de geração de gases pode ser

significativamente e rapidamente afetado pela temperatura, sendo a emissão de gases

do solo um bom indicador dos efeitos das mudanças de temperatura no ambiente.

Assim, a temperatura é um fator determinante nos fluxos de CO2, N2O e CH4 em solos

de Mata Atlântica. Portanto, espera-se que as emissões sejam maiores após o

aquecimento do solo.

29

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Aquecimento global

O rápido fenômeno do aquecimento global pode ser considerado um dos nossos

maiores problemas ambientais mundiais (BAIRD, 2002). A intervenção humana no ciclo

global de gases vem ocorrendo há milhares de anos e muitos fenômenos estão

associados a este processo, tais como, aumento da temperatura (IGBP, 2003; MALHI;

WRIGHT, 2004), alteração na precipitação (DAVIDSON et al., 2004), alteração na

respiração e na fotossíntese das plantas (COWLING et al., 2004), entre outros.

Os gases do efeito estufa (GEE) são os responsáveis por manter a temperatura

mundial em torno de 15ºC, sendo que, com a ausência desses gases na atmosfera, a

temperatura média global seria de aproximadamente -18ºC (D’AMELIO, 2006). Alguns

dos principais GEE, em virtude das suas características, são: dióxido de carbono (CO2),

metano (CH4), óxido nitroso (N2O), hezafluoreto de enxofre (SF6), vapor d’água (H2O) e

as famílias dos perfluorcarbonos (compostos completamente fluorados, em especial

erfluormetano CF4 e perfluoretano C2F6) e dos hidrofluorcarbonos (HFCs) (Miguez,

2000).

O relatório publicado pelo Intergovernmental Panel on Climatic Change (IPCC,

2001) reafirma as evidências de que as ações antrópicas são responsáveis pelo

aquecimento global de 0,6ºC observado durante os últimos 140 anos. Cox et al. (2000)

indica, através de modelagens ambientais, que pode haver um aumento de mais 5,5ºC

durante os próximos 100 anos, com sérias conseqüências para o Planeta Terra. Malhi e

Wright (2004) demonstraram que desde meados da década de 1790, vem ocorrendo

um aquecimento global nas florestas tropicais de cerca de 0,26ºC por década. Cramer

et al. (2004) sugere, através de modelos climáticos, um aquecimento na região tropical

entre 3 e 8ºC para o final deste século.

Segundo estimativas do IPCC, mesmo mantendo-se constantes as

concentrações de gases de efeito estufa e aerossóis, seria esperado um aquecimento

superior a 0,1ºC por década. Dentre as projeções divulgadas no Quarto Relatório de

Avaliação, a melhor estimativa para um cenário baixo de emissões é de 1,8ºC (faixa

provável de 1,1ºC a 2,9ºC) e a melhor estimativa para um cenário alto é de 4,0ºC (faixa

30

provável de 2,4ºC a 6,4ºC) de aquecimento esperado para o próximo século (IPCC,

2007).

O dióxido de carbono (CO2) é o mais importante gás de efeito estufa, pois sua

concentração global tem crescido desde a época pré-industrial com sua concentração

aumentada de 280 ppm para 379 ppm no ano de 2005 (IPCC, 2007) como resultado

principalmente de atividades humanas. A concentração de gás metano (CH4) na

atmosfera global aumentou significativamente de um valor do período pré-industrial de

cerca de 715 ppb para 1732 no começo da década de 1990, e apresentando valores de

1774 ppb em 2005. A concentração de gás metano em 2005 excedeu em muito a faixa

natural dos últimos 650.000 anos (320 para 790 ppb) como determinado através de

núcleos de gelo (IPCC, 2007). A concentração de óxido nitroso (N2O) na atmosfera

global aumentou de um valor do período pré-industrial de cerca de 270 ppb para 319

ppb em 2005 (IPCC, 2007).

De acordo com estimativas do IPCC, solos alagados naturalmente e cultivados

contribuem com cerca de 55% da emissão total de CH4 para a atmosfera, enquanto que

solos não alagados são responsáveis por 6% de seu consumo. Dentre os solos de terra

firme, os solos de florestas são possivelmente os melhores sumidouros (MER; ROGER

2001).

O óxido nitroso, o metano e o dióxido de carbono são os mais importantes e

conhecidos gases que contribuem para o aumento do efeito estufa e que

desempenham um papel importante no sistema solo-planta-atmosfera (SHRESTHA et

al., 2004). Esses três gases juntos são responsáveis por 70% do aquecimento global

recente e suas emissões estão crescendo a uma taxa anual de 0,25% para N2O, 1%

para o CH4 e 0,5% para o CO2 (SITAULA; BAKKEN, 1992). Desses gases, o CO2 é o

mais abundante seguido pelo CH4, sendo o potencial de aquecimento global (PAG) do

CH4 cerca de 20 a 30 vezes maior que o PAG do CO2 (ROBERTSON et al., 2000).

Ambos os gases são emitidos do solo como produto final de processos naturais

relacionados à decomposição da matéria orgânica e mediados por microrganismos

(MOREIRA; SIQUEIRA, 2002). O óxido nitroso contribui diretamente para o efeito estufa

e possui tempo de vida de aproximadamente 120 anos (SCHINDBACHER, et al., 2004).

31

Estudos realizados nos últimos 100 anos determinaram que o seu potencial no

aquecimento global é cerca de 300 vezes maior que o do CO2 (IPCC, 2001).

Segundo D’Amelio (2006), as alterações climáticas relacionadas às emissões

gasosas antrópicas são evidentes, mas as questões relacionadas aos impactos das

mudanças ambientais em biomas ameaçados como o da Mata Atlântica ainda

permanecem não esclarecidas.

Malhi & Wright (2004) destacam que foram poucas as tentativas de examinar

alterações climáticas no nível de biomas específicos, particularmente no bioma de uma

floresta tropical.

2.2 Fluxo de Gases em Florestas Tropicais

A floresta tropical desenvolve um papel de extrema importância no balanço

global do carbono (MELILLO et al., 1993; FIELD et al., 1998), mas a incerteza do

impacto do aumento do CO2 acumulado na atmosfera ainda é grande (TIAN et al.,

2000; COX et al., 2000), pois não se sabe com clareza o quão rápido a floresta tropical

responderá a esse aumento (GASH et al., 2004). Assim, faz-se necessário o

desenvolvimento de estudos relacionados aos possíveis impactos das mudanças

globais, no que se refere aos GEE nas florestas tropicais.

Os solos de florestas tropicais são considerados os maiores responsáveis pela

emissão de CO2 e N2O em ecossistemas terrestres naturais (MATSON; VITOUSEK,

1987). A emissão de N2O é altamente variável no tempo e espaço (MONSIER, 1989).

A maioria do N2O é produzida por processos microbianos do solo como

nitrificação e desnitrificação (WRAGE et al., 2001). Parte do N2O emitido do solo é

oxidado a NO2 dentro do dossel através de sua reação como ozônio (O3) e o NO2

produzido pode ser re-depositado em plantas e superfícies de solo ou mesmo absorvido

e metabolizado pelas folhas das plantas (GESSLER et al., 2001; SPARKS et al., 2001;

RUMMEL et al. 2002). Atualmente, as emissões de N2O da floresta amazônica, por

exemplo, estão em torno de 0,8 a 1,3 Tg N por ano, o que corresponde a

aproximadamente 10 a 15% da emissão global desse gás (MELILLO et al., 2001).

32

A química do metano desempenha um importante papel na atmosfera e também

afeta o clima indiretamente (DLUGOKENCKY et al., 1994). Considerando o CH4, áreas

de terra firme são normalmente conhecidas como grandes sumidouros desse gás

(KELLER et al., 1986; STEUDLER et al., 1996; KIESE et al., 2003). No entanto, como o

metano é produzido em decorrência da decomposição anaeróbica da matéria orgânica

do solo e de sedimentos, (CHRISTENSEN; KELLER, 2003) pode-se depreender que

áreas pouco drenadas com micro-sítios anaeróbicos e outras fontes, como os cupins e

estruturas vegetais vasculares com alta capacidade de retenção de água, podem ser

consideradas importantes emissoras de metano para a atmosfera (KELKER;

CHANTON, 1997). Resultados recentes mostraram que florestas tropicais podem

funcionar como uma importante fonte de metano para a atmosfera, embora a fonte

ainda seja desconhecida (CARMO et al., 2004; FRANKENBERG et al., 2005). No

entanto, pouco se sabe sobre a emissão de gases de efeito estufa em floresta de Mata

Atlântica e os impactos das mudanças climáticas no fluxo dos mesmos, o que dá o tom

de suma importância e complexidade a esse estudo.

2.3 Aquecimento de Solo

Existe atualmente uma grande preocupação com relação às consequências do

aumento da temperatura global no ciclo do carbono, particularmente com o fato do solo

ser um imenso estoque de carbono, e o efeito que as emissões de C do solo podem ter

sobre o clima (DIXON; TURNER, 1991; JENKINSON et al., 1991; KIRSCHBAUM,

1995).

Uma das principais incertezas sobre as atuais previsões de modelos climáticos

globais é a resposta da respiração do solo às alterações na temperatura atmosférica

(LUO et al., 2001). Esta informação é essencial para se determinar os efeitos potenciais

das mudanças na produção biótica de gases de efeito estufa, na temperatura

atmosférica e os efeitos de respostas das mudanças climáticas com relação à

subseqüente emissão de carbono do solo (COX et al., 2000).

Diversos trabalhos concluíram que o fluxo do carbono do solo para a atmosfera é

significativamente estimulado pela temperatura (LLOYD; TAYLOR, 1994;

33

KIRSCHBAUM, 1995, 2000; KÄTTERER et al., 1998; LENTON; HUNTINGFORD, 2003;

LISKI et al., 2003; SANDERMAN et al., 2003).

Caso o aquecimento do solo acarrete em perdas nos estoques de carbono do

mesmo, a concentração atmosférica de CO2 aumentará, e consequentemente,

intensificará o aquecimento do ar atmosférico com várias consequências deletérias para

os ecossistemas (IPCC, 2007). A intensidade dessa ameaça é dependente da resposta

do fluxo de carbono do solo em relação ao aumento da temperatura (LENTON;

HUNTINGFORD, 2003), principalmente em regiões de florestas tropicais, onde os

estoques de carbono do solo são consideráveis.

Experimentos de aquecimento de solo têm sido conduzidos para avaliar o efeito

do aumento da temperatura nos estoques de carbono do solo e as emissões para a

atmosfera. Alguns resultados indicam que o aumento da temperatura pode elevar em

até 20% as emissões do carbono do solo para atmosfera, com um maior aumento nos

primeiros anos, mas sem um aumento significativo em estudos a longo prazo (RUSTAD

et al., 2001; MELILLO et al., 2002).

Alguns estudos têm utilizado transplantes de solo ou solo-planta ao longo de

gradientes climáticos ou para outros sítios condicionados ambientalmente, como um

sistema para simular mudanças climáticas (INESON et al., 1998; BRIONES et al., 2004;

HART, 2006). Entretanto, uma das desvantagens do experimento da transferência do

solo ou solo-planta (INESON et al., 1998; LINK et al., 2003) é que a perturbação e as

diversas mudanças ambientais que ocorrem com a transplantação do solo, tornam difícil

determinar as causas específicas das respostas observadas (SHAVER et al., 2000).

Outros experimentos foram realizados com o auxílio de cabos de aquecimento

enterrados para simular artificialmente o aquecimento do solo (PETERJOHN et al.,

1994; HANTSCHEL et al., 1995; ARNOLD et al., 1999; MELILLO et al., 2002;

HARRISON et al., 2008). Porém, as manipulações de temperatura in situ utilizando o

sistema de aquecimento subterrâneo podem envolver distúrbios consideráveis no solo

(HILLIER et al., 1994; MCHALE; MITCHELL 1996).

Sistemas de aquecimento por ondas infravermelhas podem ser úteis em aquecer

o solo (HARTE; SHAW 1995). Loik e Harte (1997) conduziram um experimento para

estudar o conteúdo relativo de água e o potencial de água em folhas aquecidas in situ.

34

Torn e Harte (1996) estudaram o fluxo de metano após aquecimento por radiação

infravermelha. Saleska et al. (1999) analisaram a alteração de fluxos de carbono do

solo para a atmosfera após aquecimento utilizando um sistema de lâmpadas

infravermelhas.

35

3 MATERIAL E MÉTODOS

a. Localização e Descrição da Área de Estudo

O Parque Estadual da Serra do Mar (PESM) no Estado de São Paulo, criado em

1977 pelo Decreto Estadual nº. 10.251, de 30 de agosto de 1977 (posteriormente

alterado pelo Decreto Estadual nº. 13.313 de 06 de março de 1979) apresenta os mais

preservados e maiores remanescentes de Mata Atlântica do país, que são reconhecidos

como um dos ambientes de maior diversidade biológica do mundo, e estão sob graves

ameaças de destruição (hotspot). Sua extensão é de aproximadamente 315 mil

hectares (ha), numa extensão que vai desde a divisa de São Paulo com o Rio de

Janeiro até Itariri, no sul do Estado. No seu limite norte, o Parque apresenta uma

pequena sobreposição com o Parque Nacional da Serra da Bocaina.

Mais especificamente, o presente trabalho foi desenvolvido no Núcleo Santa

Virgínia (23º17’ a 23º 24’ S e 45º 03’ a 45º 11’ W) que se situa nos municípios de São

Luís do Paraitinga (com 70% de seu território), Cunha (com 20%) e Ubatuba (com os

restantes 10%), com seus aproximados 5.000 hectares predominantemente cobertos

pela Floresta Densa Montana (VELOSO et al., 1991), pelo fato do núcleo situar-se a

uma altitude que varia de 850 a 1.100 m. Situado no Planalto de Paraitinga-Paraibuna,

o relevo apresenta forte declividade, de 24º a 37º e é caracterizado por ser uma região

de escarpas e reversos da Serra do Mar.

De acordo com Setzer (1966), o clima regional é tropical temperado, sem

presença de estação seca, sendo a precipitação média anual superior a 2.000 mm. Nos

meses mais secos de junho, julho e agosto, a precipitação média nunca é inferior a 60

mm.

O motivo da escolha dessa fasciação da Mata Atlântica para a instalação do

experimento é devido ao fato da área apresentar baixas temperaturas, especialmente

durante o período de inverno. Sendo assim, acredita-se que nesta região processos

biogeoquímicos serão prontamente mais afetados por incrementos da temperatura,

promovidos pelas mudanças climáticas globais previstas por relatórios como o do IPCC,

entre outros estudos.

36

b. Instalação do experimento

i. Escolha da área

O experimento foi instalado na fasciação altitudinal da Floresta Ombrófila Densa

Altimontana (Núcleo Santa Virgínia), em uma área próxima à torre meteorológica do

projeto temático FAPESP n. 03/12595-7. Uma parcela de 100 x 100 metros (m) foi

instalada de forma aleatória e representativa da área, onde durante cada período de

coleta foram instaladas 8 câmaras para medir os fluxos. Das oito câmaras instaladas

aleatoriamente na parcela, 4 foram submetidas ao aquecimento e as 4 restantes

permaneceram sem o sistema de aquecimento, funcionando como o controle do

experimento (Figura 3).

Figura 3 - Desenho amostral da parcela no campo e representação das câmaras com e sem aquecimento, distribuídas aleatoriamente ao longo de uma linha de 30 metros, por sorteio

O monitoramento da temperatura ambiente foi realizado a cada 10 minutos

durante os períodos amostrados, para contemplar toda a variação de temperatura que

pode ocorrer ao longo do dia. Daí a necessidade de se medir câmaras aquecidas e não

aquecidas ao mesmo tempo, acompanhando as variações naturais da temperatura e da

umidade do solo. A cada alteração de 0,1ºC na temperatura ambiente do solo próximo a

cada câmara, o sistema de aquecimento era modificado para contemplar o aumento

37

natural, tanto para uma maior, quanto para uma menor variação na temperatura do

solo.

As unidades experimentais foram escolhidas baseando-se em experiências

prévias e dentro de uma área homogênea a fim de se obter uma menor variação dentre

outras variáveis edáficas e ambientais. O objetivo inicial do projeto era coletar amostras

de solo e de gases diariamente durante 10 dias, quatro vezes ao ano, sendo dois

períodos secos e com menores temperaturas (maio e agosto) e dois períodos chuvosos

com maiores temperaturas (novembro e fevereiro), no entanto, devido a problemas e

dificuldades técnicas para contemplação desses períodos, as coletas foram realizadas

durante os meses de setembro e novembro de 2009, e durante janeiro e agosto de

2010. Sabe-se que o ideal seriam coletas mensais como as realizadas em outros

estudos. Porém, devido ao aparato necessário para aquecimento do solo, os custos

envolvidos e o tempo exíguo destinado aos programas de mestrado, seria arriscado e

difícil manter um programa tão intenso de coleta.

ii. Simulação do aquecimento do solo

Para simular o aquecimento do solo foi acoplado no interior da câmara de coleta

de gases um sistema confeccionado com um conjunto de resistores com revestimentos

plásticos, os quais quando submetidos a uma tensão adequada aquecem o solo

indiretamente por irradiação. Um termostato de precisão (variação máxima de 0,1C,

Marca Full Gauge, modelo TIC-17RGTi) controla o aquecimento fornecido pelos

resistores para manter a temperatura do solo aproximadamente 5C acima da

temperatura ambiente do solo (Figura 4).

38

Figura 4 - (A) Detalhe dos termostatos utilizados. (B) Vista superior do termostato utilizado para monitoramento da temperatura. (C) Sistema de aquecimento por irradiação utilizado no interior das câmaras de fluxo de gases

A coleta das amostras de gases inicia-se após os resistores atingirem o equilíbrio

na temperatura desejada, sendo a temperatura do solo monitorada por termômetros

fixados no solo a uma profundidade de 5 cm dentro de cada câmara (Figura 5).

39

Figura 5 - (A) Sistema de aquecimento com termostato utilizado para verificar o aumento da temperatura do solo. (B) Sistema de aquecimento utilizado durante o ensaio realizado em área florestal do campus “Luiz de Queiroz” – Piracicaba/SP. (C) Detalhe do termômetro utilizado dentro da câmara para monitoramento do aumento da temperatura superficial do solo. (D) Colocação do termômetro para monitoramento do sistema de aquecimento, situado 5cm abaixo da camada superficial do solo de dentro de cada câmara

O sistema confeccionado para aquecer o solo possui 7 resistores com

revestimentos plásticos, os quais foram submetidos a uma tensão fornecida por um

gerador elétrico portátil (Marca HONDA, modelo EU Inverter 10i) durante o período das

coletas, cuidadosamente colocado em uma posição distante das câmaras estáticas, de

maneira a não interferir nas medidas dos fluxos (Figura 5). A confecção e o teste do

sistema de aquecimento foram realizados sob coordenação de Paulo Queiroz e Dra.

Janaina Braga do Carmo (Profª Adjunta – Curso de Engenharia Florestal da UFSCar,

campus Sorocaba - São Paulo). Os sistemas de aquecimento e as câmaras sem o

sistema podem ser visualizados na Figura 7.

40

Figura 6 - Gerador elétrico portátil utilizado para fornecer a tensão necessária para o sistema de aquecimento do solo

41

Figura 7 - (A) Sistema de coleta de fluxo de gases sem aquecimento do solo; (B) Sistema de coleta de fluxo de gases com aquecimento

c. Coleta de dados

i. Coleta das Amostras do Solo

Na fasciação altitudinal Montana da Floresta Ombrófila Densa, as amostras de

solo foram coletadas a 10 cm do perfil nas áreas onde as câmaras de coleta de gás

foram instaladas para determinação da umidade no solo após a realização das coletas.

ii. Coleta das Amostras de Gases do Solo

1. Amostras de N2O e CH4

42

Os fluxos foram medidos utilizando-se o método da câmara estática, baseada na

variação da concentração do gás no seu interior (KELLER et al. 2005), disposta sobre a

superfície do solo em função do tempo.

Para a determinação do fluxo, a câmara foi fixada na superfície do solo através

de movimentos rotacionais, de forma a minimizar alterações na serapilheira ou no

material orgânico da superfície do solo, e ao mesmo tempo assegurar boa vedação. A

profundidade de penetração da câmara no solo foi de aproximadamente 1-2 cm. Para o

cálculo de volume exato da câmara, todas as bases têm a sua altura medida até o solo

em três pontos diferentes (Sousa Neto et al., 2011).

Com o auxílio de uma seringa de nylon de 60 milímetros (ml), as amostras dos

gases acumuladas no interior da câmara foram coletadas e depositadas em pequenos

frascos de vidro vedados com tampas de borracha. Para cada câmara foram coletados

cinco frascos durante o período de 40 minutos, sendo a primeira amostra coletada 1

minuto após o fechamento da câmara e as restantes 10, 20, 30 e 40 minutos após a

primeira coleta. O fluxo foi determinado por regressão linear da curva (Figura 8).

y = 1.5937x + 365.45

R2 = 0.9892

360

380

400

420

0 10 20 30

Tempo

Co

nce

ntr

ação

de

N2O

(p

pb

)

Figura 8 - Exemplo de regressão linear da curva para a medida do fluxo de N2O após 30 minutos. A inclinação da reta (365,45) representa o fluxo e será utilizado nos cálculos considerando o volume e a altura da câmara além da pressão atmosférica, obedecendo a Lei dos Gases Perfeitos (PV=NRT)

As amostras de N2O e CH4 foram analisadas por cromatografia gasosa, com o

auxílio de um detector de captura de elétrons (ECD) que opera à temperatura de 45ºC

43

(BOWDEN et al., 1990) e um detector de ionização de chama (FID) para as

determinações de N2O e CH4, respectivamente. O equipamento utilizado foi um

Cromatógrafo Shimadzu modelo GC-14A instalado no Laboratório de Ecologia Isotópica

do CENA/USP.

Durante o primeiro semestre de 2009, após a confecção do material de coleta,

um ensaio com o sistema de aquecimento de solo foi realizado em uma área florestal

do campus da Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” – Piracicaba/SP. Foram

coletados os gases N2O e CH4 utilizando o método da câmara estática disposta sobre a

superfície do solo. Após o ensaio do sistema de aquecimento e análise dos resultados,

foi realizada no mês de setembro de 2009 a primeira campanha de 10 dias, no mês de

novembro de 2009 a segunda campanha, no mês de janeiro de 2010 a terceira

campanha, e durante o mês de agosto de 2010 a quarta e última campanha.

2. Fluxo de CO2 do solo

Os fluxos de CO2 foram medidos nos mesmos pontos das medidas de N2O e

CH4, escolhidos aleatoriamente para cada parcela. No entanto, cada câmara foi

acoplada diretamente em um analisador de gás infravermelho, portátil, modelo LI-820

(LICOR In) que mede as alterações nas concentrações de CO2 (ppm). As

concentrações foram medidas a cada 15 segundos durante 5 minutos e armazenadas

em tempo real, utilizando para isso um palmtop (HP M515) com “software” Datastick

Graph-Term conectado ao LI-820. Posteriormente, os dados foram transferidos do

palmtop para um computador portátil onde os fluxos foram calculados pelo programa

“Palm Flux” (Datastick Graph-Term), que utilizou a inclinação da curva (regressão) para

obtenção dos fluxos expressos na seguinte forma: µmol m-2 s-1.

d. Análises dos dados

i. Análises físico-químicas de solo

As concentrações de C e N totais foram determinadas nas amostras coletadas na

parcela experimental. A profundidade amostrada para análise foi de 0-10 centímetros

44

(cm). As análises granulométricas (areia total, silte e argila com dispersante) e de

fertilidade do solo (pH, matéria orgânica, P-resina, K, Ca, Mg, H+Al, e os cálculos de

SB, T e V%) foram determinadas no departamento de Solos e Nutrição de Plantas da

Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz” (ESALQ-USP). Os dados de análise

química e física das amostras de 0-5cm e 5-10cm foram obtidos junto ao projeto de

doutoramento de Susian Martins (Fapesp processo nº 05/57950-4).

ii. Determinação da umidade e dos espaços porosos do solo preenchidos por

água (water filled por espace – WFPS)

Para determinação da umidade do solo, subamostras de 10g de cada amostra de

solo foram coletadas do interior de cada câmara, separadas e levadas para secagem

em estufa à temperatura de 105 °C para determinação da umidade gravimétrica no

Laboratório de Ecologia Isotópica – CENA/USP.

O valor de densidade aparente do solo para a altitude de 1000m, no presente

local de estudo é 0,8 g m-3, utilizada para determinar os valores de WFPS. O valor de

densidade de solo foi calculado a partir dos resultados das análises físico-químicas dos

solos da parcela do estudo (item 3.2.1).

A fórmula para cálculo do WFPS é dada abaixo:

totalporosidade

aparentedensidadecagravimétriumidadeWFPS

onde a porosidade total foi calculada pela expressão: 1 – (densidade

aparente/densidade da partícula), sendo assumido o valor de densidade de partícula do

solo de 2,68 Mg m-3, de acordo com Carmo et al. (2007).

iii. Análises estatísticas

A técnica de Modelos Lineares Generalizados (MLG) foi utilizada para verificar se

o aumento da temperatura do solo age de maneira significativa para o aumento do fluxo

45

dos gases analisados, considerando as diferentes épocas de coleta. Este método foi

escolhido por ser mais flexível, pois se pode assumir que os dados sejam provenientes

de outras famílias de distribuição de probabilidade, incluindo a normal, binomial,

Poisson, binomial negativa ou distribuição gama, muitas das quais se ajustam melhor

às estruturas de erros não-normais de muitos dados ecológicos (GUISSAN et al., 2002).

Os fluxos dos gases foram analisados considerando-se três distribuições de

probabilidade contínuas: distribuição normal, com função de ligação β; log-normal,

usando a função log link; e a gama, usando a função log como função de ligação. Desta

forma, os seguintes modelos foram considerados para análise:

Normal - coletatratamentocoletatratamentoY *3210

Log-Normal- coletatratamentocoletatratamentoY *log 3210

Gama - coletatratamentocoletatratamentoY *log 3210

onde Y representa o fluxo dos gases, β0, β 1, β 2 e β 3 são os parâmetros da regressão a

serem estimados e ε é o erro aleatório. O critério de informação de Akaike – AIC

(AKAIKE, 1973) e a análise de desvio, usando o teste de 2 , como também a análise

de resíduos, foram utilizados para avaliar o ajuste e a parcimônia dos modelos,

selecionando os fatores relevantes (DOBSON, 2002; MCCULLOUH; NELDER, 1989). O

modelo com o menor AIC foi considerado como o melhor modelo e seu cálculo é

resumido na fórmula:

kdadosLAIC 2]ˆ[log2 ,

onde, dadosL ̂log é o valor numérico da log-verossimilhança em seu ponto máximo,

sendo ̂ o vetor dos parâmetros estimados e k o número de parâmetros estimados do

modelo.

Usando a metodologia descrita acima, foi também analisada a influência da

temperatura e da umidade no fluxo dos gases, a partir de seus valores absolutos, com o

objetivo de se obter um modelo adequado para previsão do fluxo. Os valores

observados e preditos pelo melhor modelo obtido foram visualizados em uma superfície

3D obtidas a partir do procedimento de suavização dos valores, usando funções “spline”

bicúbica. Todas as análises foram realizadas usando o software S-PLUS ver. 8.0

(Insightful Corp.).

47

4 RESULTADOS

a. Caracterização do solo

Os dados de análise química e física das amostras de solo, como descrito

anteriormente, foram obtidos junto ao projeto de doutoramento de Susian Martins

FAPESP processo nº 05/57950-4, também inserido no projeto BIOTA - FAPESP n.

03/12595-7.

A caracterização do perfil do solo na área de Floresta Ombrófila Densa Montana

indica tratar-se de um solo franco argiloso arenoso (Tabela 1).

Tabela 1 - Caracterização física no perfil do solo nas Parcelas da Floresta Ombrófila Densa Montana. Os valores representam a média (n=8) ± o desvio padrão

Prof. (cm)

Areia Argila (g kg-1) Silte Textura

0-5 573 ± 122,5 ( 22,2*) 202 ± 85,5 (44,3*) 223,5 ± 89,5 (35,7*) franco argilo arenosa5-10 538,5 ± 143 (28,5*) 222 ± 107,5 (48,8*) 238 ± 95,5 (38,4*) franco argilo arenosa

* Coeficiente de variação

O solo na área de estudo apresentou uma baixa concentração de nutrientes para as

plantas, sendo que a reserva nutricional se encontra na primeira camada do solo, com

um decréscimo na concentração dos elementos com a profundidade. Os teores de Al

trocável foram maiores em superfície, decrescendo em profundidade. Com relação aos

teores de enxofre (S), observou-se um pequeno aumento em profundidade. Os valores

de SB e V (%) foram muito baixos em todas as profundidades, devido aos baixos teores

de cátions trocáveis, ocorrendo o decréscimo em profundidade. Já os valores de H+Al e

saturação por alumínio (m), foram bastante elevados, refletindo em diminuição da CTC

em profundidade (Tabela 2).

48

Tabela 2 - Caracterização química no perfil do solo nas Parcelas da Floresta Ombrófila Densa Montana. Os valores representam a média (n=16) ± desvio padrão

pH H+Al Al S P SB1 CTC2 V3 m4 Prof. (cm)

CaCl2 mmolc kg-1 mg kg-1 mmolc kg-1 %

0-5 3,5 ± 0,2

(5,1*) 142,1 ± 63,1

(43,1*) 26,7 ± 8,2

(30,6*) 19,6 ± 15,7

(79,6*) 21,2 ± 23,3

(102,5*) 14,5 156,6 9,5 64,5

5-10 3,6 ± 0,2

(4,6*) 109,7 ± 40,7

(35,9*) 23,5 ± 6,9

(28,8*) 26,9 ± 21,5

(79,1*) 11,3 ± 6,8

(61,9*) 5,5 115,5 4,7 81,3

1 Soma de bases; 2 Capacidade de troca de cátions; 3 Saturação por bases; 4 Saturação por alumínio;

* Coeficiente de variação.

A concentração de nitrogênio total (Mg ha-1) do solo apresentou um valor de 0,8%

para a altitude de 1000m, local do presente estudo. O estoque de C do solo no perfil de

0-10cm de profundidade apresentou um valor de 60,6 Mg ha-1. A relação C:N

apresentou valores médios entre 13 e 14.

b. Aquecimento do solo

A temperatura do solo foi monitorada ao longo das coletas durante intervalos de

5 minutos, das 8h00 as 16h00. A camada superficial do solo (0-5cm) foi aquecida no

interior das câmaras (1, 2, 3 e 4) com o sistema de aquecimento, mantendo-se

constante aproximadamente 5C acima da temperatura ambiente do solo, monitorada

para as câmaras 5, 6, 7 e 8 (T solo; Figura 9).

49

Figura 9 - Variação da temperatura do solo em função do tempo ao longo de coletas realizadas na primeira campanha de campo no PESM – Núcleo Santa Virgínia, realizada durante o mês de Setembro, 2009

As coletas foram iniciadas após a temperatura interna das câmaras atingirem

equilíbrio na temperatura desejada verificada pelos termostatos instalados. O

aquecimento se deu de maneira lenta, pois precisa ocorrer de forma homogênea no

solo até uma profundidade de 5cm. Essa lentidão garante um menor impacto na

microbiota presente no solo.

A metodologia utilizada para o aquecimento do solo apresenta vantagens quando

comparada com outros métodos. A irradiação simula o aquecimento descendente que

altera o microclima da parcela, sem interferir nas propriedades físicas do solo, como

previsto pelos modelos de mudanças climáticas.

c. Espaço poroso do solo preenchido por água (WFPS)

A umidade e as médias diárias calculadas dos espaços do solo preenchidos por

água não apresentaram um padrão para os diferentes tratamentos (com e sem

50

aquecimento) para todas as coletas, e as análises estatísticas realizadas não

evidenciaram uma correlação direta entre esses dois parâmetros para ambos os

tratamentos (p>0,05, Figura 10).

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

31/0

8/09

01/0

9/09

02/0

9/09

03/0

9/09

10/1

1/09

11/1

1/09

12/1

1/09

13/1

1/09

14/1

1/09

25/0

1/10

26/0

1/10

27/0

1/10

28/0

1/10

29/0

1/10

30/0

1/10

01/0

2/10

02/0

2/10

24/0

8/10

25/0

8/10

26/0

8/10

27/0

8/10

28/0

8/10

29/0

8/10

2009 2010

WF

PS

(%

)

Com Sistema de Aquecimento Sem Sistema de Aquecimentoe

Figura 10 - Variação temporal das médias mensais dos espaços do solo preenchidos por água (WFPS) durante as quatro coletas realizadas. O erro padrão de cada média foi calculado e inserido no gráfico. As barras não são evidentes em virtude dos baixos valores de erro

d. Fluxos de N2O

Os fluxos de N2O da coleta de setembro de 2009 apresentaram valores de 0,56 ±

0,46 ng-N cm-2 h-1 para o tratamento com o sistema de aquecimento, e 0,47 ± 0,45 ng-N

cm-2 h-1 para o sistema sem aquecimento da camada superficial do solo (0-5cm); para a

coleta de novembro do mesmo ano, os fluxos foram 3,84 ± 4,33 ng-N cm-2 h-1 e 2,26 ±

2,29 ng-N cm-2 h-1 para os sistemas com e sem aquecimento respectivamente. Durante

a coleta realizada em janeiro de 2010, os fluxos foram para o sistema de aquecimento

iguais a 18,20 ± 25,20 ng-N cm-2 h-1 e igual a 14,26 ± 22,04 ng-N cm-2 h-1 para o

tratamento controle e para o último período amostrado durante o mês de agosto de

2010 os valores das câmaras com sistema de aquecimento foram de 0,73 ± 0,48 ng-N

51

cm-2 h-1 e de 0,49 ± 0,40 ng-N cm-2 h-1 para as câmaras com tratamento controle (Figura

11).

Fluxo N2O (ng N cm-2 h-1)

0

5

10

15

20

25

set_09 nov_09 jan_10 ago_10

N2O

(n

g N

cm

-2 h

-1)

Aquecidas Controles

Figura 11 - Média dos fluxos de N2O das quatro coletas realizadas. As barras de erro representam o erro padrão de cada média

A distribuição numérica dos fluxos de N2O é apresentada na figura 12. Observa-

se uma clara assimetria, com alta freqüência em valores iguais ou próximos a zero,

indicando uma não-normalidade dos dados. Isso se confirma quando analisamos os

resultados do ajuste dos modelos, considerando as diferentes distribuições de

probabilidade propostas. O modelo normal foi o que apresentou o pior ajuste (Tabela 4

e 5), ou seja, alto valor de AIC, baixo r2 e valores altos do desvio residual. O melhor

modelo observado a partir dos valores de AIC foi o gama, considerando um modelo

completo com todos os fatores e interações. Este modelo apresentou valor bem menor

de AIC (387,31), comparando-se as outras distribuições, e um maior r2 (Tabela 3).

52

Adicionalmente, pode-se observar no histograma dos resíduos (Figura 13) que o

modelo gama apresenta um bom ajuste final aos dados, pois a distribuição dos erros se

mostrou muito próxima a uma distribuição normal.

Figura 12 - Histograma e Box-plot da distribuição dos valores de emissões de N2O (ng-N cm-2 h-1) das coletas realizadas. Box-plot: a linha branca representa a mediana, com seu intervalo de confiança representado pelos limites da caixa; limites externos representam o intervalo entre o 1º e o 3º quartil; e linhas individuais representam valores além deste intervalo

Tabela 3 - Valores do critério de informação de Akaike (AIC) e coeficiente de determinação para

o ajuste dos modelos normal, log-normal e gama, usando-se os fatores tratamento e coleta como variáveis explicativas do fluxo de N2O

Distribuição AIC r2 Normal 3364,29 0,47 Log-Normal 1424,73 0,65 Gamma 387,31 0,70

53

A análise de desvios, apresentada na tabela 5, mostra que somente a interação

entre os fatores “tratamento” e “coleta” não foi significativa (P > 0.05), tanto para o

melhor modelo, como para o log-normal. Observou-se um aumento significativo do fluxo

de N2O quando o aquecimento do solo é realizado (Figura 14). Como a interação entre

os fatores não foi significativa, conclui-se que o padrão de aumento com o solo

aquecido se mantém para todas as épocas de coleta. No entanto, um maior fluxo é

obtido na terceira coleta e menores fluxos na primeira e na quarta (Figura 15), tanto

pelos valores observados, quanto para os valores preditos pelo modelo final. De acordo

com o percentual de variância explicada para cada fator (Tabela 5), observou-se,

também, que a maior porcentagem de variação do fluxo de N2O é explicada pelo fator

coleta.

Tabela 4 - Análise de variância dos modelos propostos para as emissões de N2O utilizando a distribuição Gama de probabilidade

Distribuição Gama

Nulo NA NA 543 1244.65 NA NA Tratamento 1 43.2094 542 1201.44 0.000 3.47 Tratamento+Coleta 3 827.5362 539 373.90 0.000 68.88 Tratamento+Coleta+Tratamento:Coleta 3 2.5972 536 371.30 0.46 0.69

54

-3 -2 -1 0 1 2

020

4060

8012

0

LOG-NORMAL

Residuals

-10 0 10 20 30

050

100

150

200

250

300

NORMAL

Residuals

-2 -1 0 1 2 3

050

100

150

GAMA

Residuals

-10

010

20

LOG-NORMAL NORMAL GAMA

Mod

el r

esid

uals

Figura 13 - Distribuição dos resíduos dos 3 modelos analisados para o fluxo de N2O,

considerando as distribuição de probabilidade normal, log-normal e gama

Aquecido Controle

Tratamento

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

N2O

(n

g-N

cm

-2 h

-1)

Predito Observado

Figura 14 - Média observada e estimada pelo modelo final gama (± intervalo de confiança 95%) do fluxo de N2O para os diferentes tratamentos observados

55

Coleta 1 Coleta 2 Coleta 3 Coleta 4

Coleta

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

N2O

(n

g-N

cm

-2 h

-1)

Predito Observado

Figura 15 - Média observada e estimada pelo modelo final gama (± intervalo de confiança 95%) do fluxo de N2O para as diferentes épocas de coleta

O modelo gama se apresentou mais adequado para descrever a variação do

fluxo de N2O, quando considerado os valores absolutos de temperatura e umidade

(Tabela 6, Figura 16), explicando 53% da variabilidade total. Os valores absolutos

correspondem aos medidos em campo, e não foram agrupados em tratamentos por

serem valores individuais, contínuos, medidos diretamente do solo durante a realização

das coletas, para esta análise preditiva. As duas covariáveis analisadas foram

significativas (P < 0.05), como também seus parâmetros (P < 0.05) (Tabela 7). A partir

dos parâmetros estimados, podemos concluir que o aumento de 1 grau na temperatura

ocasionaria um aumento de aproximadamente 0,20 nano-gramas do fluxo N2O, e o

aumento de 1% da umidade provocaria o aumento de aproximadamente 0,06 nano-

gramas do fluxo N2O. Os valores observados e preditos são apresentados na figura 17.

Observa-se que, quanto maiores a temperatura e a umidade, mais intenso é o fluxo de

N2O.

56

Tabela 5 - Valores do critério de informação de Akaike (AIC) e coeficiente de determinação para o ajuste dos modelos normal, log-normal e gama, usando-se os valores absolutos da temperatura e umidade como variáveis explicativas do fluxo de N2O. NE = não estimado

Distribuição AIC r2 Normal 3176,44 NE Log-Normal 1444.65 0,47 Gamma 516,77 0,53

Tabela 6 - Parâmetros estimados para o modelo do fluxo de N2O, admitindo-se a distribuição gama

Efeito Parâmetros Erro Padrão T p Intercepto -4.967 0.240 -20.681 0.000 Temperatura 0.205 0.0129 15.904 0.000 Umidade 0.0602 0.00625 9.628 0.000

-4 -3 -2 -1 0 1 2

02

04

06

08

01

00

LOG-NORMAL

Residuals

-10 0 10 20 30

05

01

00

15

02

00

25

0

NORMAL

Residuals

-2 -1 0 1 2 3

02

04

06

08

01

00

GAMA

Residuals

-10

010

2030


Mo

de

l re

sid

ua

ls

Figura 16 - Distribuição dos resíduos dos 3 modelos analisados com distribuição de probabilidade normal, log-normal e gama, considerando as variáveis temperatura e umidade como co-variáveis para o fluxo de N2O

57

(a) (b)

Figura 17 - Variação do fluxo de N2O (a) observado e (b) predito pelo modelo gama, a partir dos valores absolutos da temperatura e umidade do solo

e. Fluxos de CH4

Os fluxos de metano apresentaram valores negativos (consumo) em ambos os

sistemas durante todos os períodos amostrados. Os fluxos de CH4 na primeira coleta

foram iguais a -1,19 ± 0,78 mg CH4 m-2 d-1 para o tratamento com o sistema de

aquecimento, e a -2,10 ± 1,47 mg CH4 m-2 d-1 para o tratamento controle. Para segunda

coleta, os fluxos foram iguais a -1,15 ± 1,45 mg CH4 m-2 d-1 e a -1,53 ± 1,27 mg CH4 m

-2

d-1 para os sistemas com e sem aquecimento respectivamente; durante o terceiro

período amostrado, os valores apresentados foram de -0,61 ± 1,53 mg CH4 m-2 d-1 e de

-0,58 ± 1,19 mg CH4 m-2 d-1 para o tratamento com aquecimento e para o controle. Na

última coleta realizada durante o mês de agosto de 2010 os valores das câmaras com

aquecimento foram de -1,67 ± 0,94 mg CH4 m-2 d-1 e de -2,14 ± 0,82 mg CH4 m

-2 d-1

para as câmaras sem sistema de aquecimento (Figura 18).

58

Fluxo de CH4

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0


CH

4 (m

g C

H4 m

-2 d

-1)

Aquecidas Controles

Figura 18 - Média dos fluxos de CH4 das quatro coletas realizadas. As barras de erro representam o erro padrão de cada média

A distribuição numérica do fluxo de CH4 é apresentada na Figura 19. Dos fluxos

analisados, esta distribuição é a que apresenta maior simetria, porém com uma cauda

bastante longa. Dado esta natureza dos dados, não foi possível ajustar o modelo gama

ao mesmo. Os demais modelos analisados, normal e log-normal, também não se

mostraram adequados aos dados, com uma baixa variância explicada (Tabela 9).

Nenhum dos fatores foi significativo para o modelo log-normal. Apesar de terem sido

significativos no modelo normal, optou-se por também descartá-lo, uma vez que seus

resíduos apresentam uma dispersão bastante elevada (Figura 20) e o modelo explica

um percentual baixo desta variação, para um valor alto de graus de liberdade residual

(Tabela 7). Desta forma, conclui-se que os fatores tratamento e coleta não estão

relacionados ao fluxo de CH4. Da mesma forma, os modelos obtidos a partir das co-

59

variáveis temperatura e umidade também não se mostram adequados, apresentando

baixa explicação da variação total (Tabela 8).

Figura 19 - Histograma e Box-plot da distribuição dos valores de fluxo de CH4 (mg CH4 m-2 d-1)

das coletas realizadas. Box-plot: a linha branca representa a mediana, com seu intervalo de confiança representado pelos limites da caixa; limites externos representam o intervalo entre o 1º e o 3º quartil; e linhas individuais representam valores além deste intervalo

Tabela 7 - Valores do critério de informação de Akaike (AIC) e coeficiente de determinação para o ajuste dos modelos normal, log-normal e gama, usando-se os fatores tratamento e coleta como variáveis explicativas do fluxo de CH4

Distribuição AIC r2 Normal 1782.14 0,19 Log-Normal -688.94 0,16 Gamma NA NA

60

Tabela 8 - Análise de variância dos modelos propostos para as emissões de CH4 utilizando diferentes distribuições de probabilidade (Normal e Log-Normal)

Distribuição Normal

Modelo G.L. Desvio G.L.

ResidualDesvio

Residual p-valor

Variância Explicada

(%) Nulo NA NA 551 976.31 NA NA Tratamento 1 21.73 550 954.57 < 0.001 2.23 Tratamento+Coleta 3 151.01 547 803.57 0.000 15.82 Tratamento+Coleta+Tratamento:Cotela 3 13.92 544 789.64 0.003 1.73

Distribuição Log-Normal Nulo NA NA 551 10.71 NA NA Tratamento 1 0.231377 550 10.48 0.63 2.15 Tratamento+Coleta 3 1.297665 547 9.18 0.73 12.4 Tratamento+Coleta+Tratamento:Cotela 3 0.201822 544 8.98 0.98 2.18

Tabela 9 - Valores do critério de informação de Akaike (AIC) e coeficiente de determinação para o ajuste dos modelos normal, log-normal e gama, usando-se os valores medidos em campo da temperatura e umidade como variáveis explicativas do fluxo de CH4. NE = não estimado

Distribuição AIC r2 Normal 1585.95 0,17 Log-Normal -780.01 0,17

61

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5

05

01

00

15

02

00

25

0

LOG-NORMAL

Residuals

-10 -5 0 5

05

01

00

15

02

00

25

0

NORMAL

Residuals

-50

5

LOG-NORMAL NORMAL

Mo

de

l re

sid

ua

ls

Figura 20 - Distribuição dos resíduos dos 2 modelos analisados para o fluxo de CH4, considerando as distribuição de probabilidade normal e log-normal

f. Fluxos de CO2

Os fluxos de CO2 na coleta realizada em setembro de 2009 foram iguais a 6,66 ±

1,72 µmol m-2 s-1 para o tratamento com o sistema de aquecimento, e a 5,66 ± 1,23

µmol m-2 s-1 para o tratamento controle; na coleta realizada em novembro de 2009, os

fluxos foram iguais a 6,54 ± 2,05 µmol m-2 s-1 e a 4,49 ± 1,04 µmol m-2 s-1 para os

sistemas com e sem aquecimento, respectivamente. Na coleta realizada em janeiro de

2010 os fluxos utilizando-se o sistema com aquecimento foram iguais a 7,14 ± 2,51

µmol m-2 s-1 e a 4,62 ± 1,04 µmol m-2 s-1 para o tratamento controle. Na última coleta,

realizada durante o mês de agosto de 2010, os fluxos das câmaras com aquecimento

62

foram iguais a 3,38 ± 1,11 µmol m-2 s-1 e a 1,73 ± 0,45 µmol m-2 s-1 nas câmaras sem

sistema de aquecimento (Figura 21).

Fluxo de CO2

0

1

2

3

4

5

6

7

8


CO

2 (m

ol

m-2

s-1

)

Aquecidas Controles

Figura 21 - Média dos fluxos de CO2 (µmol m-2 s-1) das quatro coletas realizadas. As barras de erro representam o erro padrão de cada média

A distribuição numérica dos fluxos de CO2 é mostrada na Figura 22. Observa-se

uma clara assimetria, com alta freqüência de fluxos pequenos (~ 6 µmol m-2 s-1),

indicando uma não-normalidade dos dados, da mesma forma que o fluxo de N2O,

porém com assimetria mais suave. Como esperado, o modelo normal foi o que

apresentou o pior ajuste (Tabela 4), com alto valor de AIC, baixo r2 e um alto desvio

residual (Tabela 5). O melhor modelo observado a partir dos valores de AIC foi o log-

normal considerando um modelo completo com todos os fatores e interações. Este

modelo apresentou o menor valor de AIC (175,56), comparando-se as outras

distribuições, e um maior r2 (0.73) (Tabela 3). Adicionalmente, pode-se observar no

histograma dos resíduos (Figura 23) que o modelo log-normal apresenta um bom ajuste

final aos dados, pois a distribuição dos erros se mostrou muito próxima a uma

distribuição normal e com uma menor dispersão.

63

Figura 22 - Histograma e Box-plot da distribuição dos valores de fluxo de CO2 (µmol m-2 s-1) das coletas realizadas. Box-plot: a linha branca representa a mediana, com seu intervalo de confiança representado pelos limites da caixa; limites externos representam o intervalo entre o 1º e o 3º quartil; e linhas individuais representam valores além deste intervalo

Tabela 10 - Valores do critério de informação de Akaike (AIC) e coeficiente de determinação

para o ajuste dos modelos normal, log-normal e gama, usando-se os fatores tratamento e coleta como variáveis explicativas do fluxo de CO2

Distribuição AIC r2 Normal 1985,59 0,60 Log-Normal 175,56 0,73 Gamma 220,31 0.67

A análise de desvios, apresentada na tabela 13, mostrou que somente a

interação entre os fatores “tratamento” e “coleta” não foi significativo (P > 0.05), para o

modelo log-normal, considerado o melhor modelo. Observou-se um aumento

significativo do fluxo de CO2 quando o aquecimento do solo é realizado (Figura 24),

tanto para os valores observados, quanto para os preditos pelo modelo final. Como a

interação entre os fatores não foi significativa, conclui-se que o padrão de aumento com

o solo aquecido se mantém para todas as épocas de coleta. No entanto, a quarta coleta

apresentou níveis gerais de fluxo bem abaixo das demais, enquanto que para as três

64

primeiras os níveis de fluxo se mostraram muito próximos (Figura 25). Como para o

N2O, a maior porcentagem de variação do fluxo de CO2 foi explicada pelo fator coleta.

-1.0 -0.5 0.0 0.5

05

01

00

15

0

LOG-NORMAL

Residuals

-4 -2 0 2 4 6

05

01

00

15

02

00

NORMAL

Residuals

-2 -1 0 1 2

05

01

00

15

02

00

GAMA

Residuals

-4-2

02

46


Mod

el r

esid

uals

Figura 23 - Distribuição dos resíduos dos 3 modelos analisados para o fluxo de CO2, considerando as distribuição de probabilidade normal, log-normal e gama

Tabela 11 - Análise de desvios dos modelos propostos para as emissões de CO2 utilizando a distribuição Log-Normal de probabilidade

Distribuição Log-Normal

Nulo NA NA 539 159.97 NA NA Tratamento 1 24.63 538 135.35 < 0.001 15.39 Tratamento+Coleta 3 89.26 535 46.081 <0.000 65.95 Tratamento+Coleta+Tratamento:Cotela 3 3.75 532 42.33 0.289 8.14

65

Aquecido Controle

Tratamento

3.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

4.6

4.8

5.0

5.2

5.4

5.6

5.8

6.0

6.2

CO

2 (µ

mo

l m-2

s-1

)

Observado Predito

Figura 24 - Média observada e estimada pelo modelo final log-normal (± intervalo de confiança 95%) do fluxo de CO2 para os diferentes tratamentos observados

O modelo log-normal se apresentou mais adequado para descrever a variação

do fluxo de CO2, quando considerado os valores absolutos de temperatura e umidade

(Tabela 14; Figura 26), explicando 61% da variabilidade total. As duas covariáveis

analisadas foram significativas (P < 0.05), como também seus parâmetros (P < 0.05)

(Tabela 7). A partir dos parâmetros estimados, podemos concluir que o aumento de 1

grau na temperatura, mantendo-se a umidade constante, ocasionaria um aumento de

aproximadamente 0,08 µmol do fluxo CO2, e o aumento de 1% da umidade, mantendo-

se a temperatura constante, provocaria o aumento de aproximadamente 0,01 µmol do

fluxo CO2. Os valores observados e preditos são apresentados na figura 27. Observa-

se que, quanto maiores a temperatura e umidade, maior é o fluxo de CO2 para esta

análise preditiva.

66

Coleta 1 Coleta 2 Coleta 3 Coleta 4

Coleta

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0C

O2

(µm

ol m

-2 s

-1)

Observado Predito

Figura 25 - Média observada e estimada pelo modelo final gama (± intervalo de confiança 95%) do fluxo de CO2 para as diferentes épocas de coleta

Tabela 12 - Valores do critério de informação de Akaike (AIC) e coeficiente de determinação para o ajuste dos modelos normal, log-normal e gama, usando-se os valores absolutos da temperatura e umidade como variáveis explicativas do fluxo de CO2

Distribuição AIC r2 Normal 2074.28 0.44 Log-Normal 495.79 0,61 Gamma 467.64 0,44

Tabela 13 - Parâmetros estimados para o modelo do fluxo de CO2, admitindo-se a distribuição log-normal

Efeito Parâmetros Erro Padrão t p

Intercepto -0.408 0.0820 -4.982 0.000 Temperatura 0.079 0.000443 17.879 0.000 Umidade 0.00997 0.00198 5.025 <0.001

67

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

02

04

06

08

01

00

LOG-NORMAL

Residuals

-4 -2 0 2 4 6

05

01

00

15

0

NORMAL

Residuals

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

02

04

06

08

01

00

GAMA

Residuals

-4-2

02

46


Mo

de

l re

sid

ua

ls

Figura 26 - Distribuição dos resíduos dos três modelos analisados com distribuição de probabilidade normal, log-normal e gama, considerando as variáveis temperatura e umidade como co-variáveis para o fluxo de CO2

(a) (b)

Figura 27 - Variação do fluxo de CO2 (a) observado e (b) predito pelo modelo gama, a partir dos valores absolutos da temperatura e umidade do solo

69

5 DISCUSSÃO

a. Sistemas de Aquecimento do Solo

Shaver et al. (2000), relata que a maioria dos experimentos de aquecimento de

solo têm sido realizados em ambientes temperados, boreais ou árticos, que comumente

são mais frios e úmidos e onde a quantidade de nutriente, ao invés da disponibilidade

de água, limita a produção primária líquida. O presente estudo abre um precedente ao

ser pioneiro em estudar os possíveis efeitos em florestas tropicais.

Diferentes metodologias podem ser utilizadas para aquecer o solo no intuito de

analisar os efeitos do aquecimento global em ecossistemas terrestres (HART; PERRY,

1999; SHAVER et al., 2000). Esses diferentes métodos podem ser agrupados em

quatro técnicas principais: estudo de emissão de GEE em um mesmo ecossistema ao

longo de diferentes gradientes climáticos (McTIERNAN et al., 2003; KUEPPERS et al.,

2004; SOUSA NETO et al., 2011); alteração da temperatura in situ (PETERJOHN et al.,

1994; CHAPIN et al., 1995; HARTE et al., 1995; MARION et al., 1997; NORBY et al.,

1997); submeter o sistema a uma nova condição climática, tanto em laboratório

(BILLINGS et al., 1983) ou na área de estudo (JONASSON et al., 1993; INESON et al.,

1998; HART; PERRY, 1999); e também utilizar modelos matemáticos ecossistêmicos

(RASTETTER et al., 1991). No entanto, todas essas abordagens apresentam certas

vantagens e limitações.

Estudos de aquecimento de solo em sistemas florestais são relativamente

poucos e limitados. A maioria dos estudos conduzidos em ambientes temperados foi

feita por longos períodos de tempo (anos) e utilizou métodos de aquecimento

destrutivos, como o enterramento de cabos de aquecimento. O sistema de aquecimento

por irradiação utilizado neste estudo apresenta a vantagem de aquecer o solo sem

interferir nas propriedades físicas do solo, o que pode acontecer com a instalação de

cabos subterrâneos como utilizado em outros experimentos. Rustad et al. (2001),

afirmam que estudos que manipulam a temperatura do solo apresentam resultados

variáveis e difíceis de interpretar, pelo fato do sistema sofrer modificações não

previsíveis durante a realização dos mesmos, como o aumento da decomposição da

matéria orgânica lábil. Assim, solos em áreas submetidas ao aquecimento serão

70

diferentes de solos em áreas controle ao longo do estudo, o que torna difícil descrever

qualquer resposta observada, devido às características singulares de cada

ecossistema.

Por outro lado, o sistema aqui utilizado simula um aquecimento momentâneo

durante um curto espaço de tempo, podendo apresentar desvantagens quando

comparado com métodos que acompanham a variação nas emissões durante longos

períodos.

Interessantemente, neste estudo, que aqueceu o solo por breves períodos de

tempo (horas) encontrou aumento de emissões de CO2 e N2O similares àqueles

encontrados por estudo que aqueceram o solo por longos períodos de tempo (anos).

Quais seriam as causas principais que governaram o aumento destes gases? Por que a

resposta nas emissões foi similar independentemente do período de aquecimento do

solo?

b. Fluxos de CO2, CH4 e N2O e Aumento da Temperatura do Solo

O aquecimento artificial da temperatura do solo resultou em um aumento

expressivo das emissões de CO2 e N2O, porém não apresentou diferenças para os

fluxos de CH4, e também não alterou significativamente a umidade relativa do solo para

os diferentes tratamentos.

Observa-se em vários estudos que o aumento da temperatura do solo levou a um

aumento na decomposição da liteira (VAN CLEVE et al., 1990; MELILLO et al., 1993).

Em alguns casos houve também aumento nas taxas de mineralização do nitrogênio

(PASTOR; POST 1988; FOSTER, 1989; BONAN; VAN CLEVE, 1992) e aumento na

emissão de CO2 (EDWARDS, 1975; HANSON et al., 1993; PETERJOHN et al., 1994)

no consumo de CH4 (PETERJOHN et al., 1994) e na emissão de N2O (SITAULA;

BAKKEN, 1993). No entanto, é preciso considerar que a diferença fundamental entre

este estudo e os estudos acima citados é que o aumento da temperatura do solo no

presente estudo teve curta duração, enquanto nos outros estudos o aquecimento teve

longa duração. Portanto, é difícil discernir se as mesmas causas que levaram à

modificações nos processos biogeoquímcos do solo sejam as mesmas para os dois

casos.

71

Parte desta dificuldade advém do fato que fluxos de gases do solo para a

atmosfera são mediados pela flora microbiana do solo (VALPASSOS et al., 2001) e

diversos fatores interferem nessas reações. Dentre os fatores, podem ser citados: a

umidade, que regula a disponibilidade de O2; a temperatura, pois diversos organismos

possuem um intervalo em que a atividade de suas enzimas é maximizada ou

minimizada e as concentrações de nitrogênio inorgânico e carbono orgânico disponível.

Parte desta complexidade pode ser exemplificada pelas bactérias desnitrificantes que

por um lado necessitam de nitrato e carbono disponível, e por outro lado, a respiração

microbiana interfere na disponibilidade de O2 e pH, que também influenciam reações de

oxi-redução que ocorrem no solo intermediadas por outros tipos de microorganismos

(ROBERTSON, 2000).

Experimentos que elevam a temperatura do solo podem favorecer um aumento

na biomassa microbiana e resultar em uma maior imobilização de nutrientes no solo.

Esse aumento na biomassa microbiana resulta em um aumento nos fluxos de emissão

de CO2 levando a uma diminuição no carbono disponível no solo mesmo a curto prazo

(PETERJOHN et al., 1994; MCHALE; MITCHELL, 1996). Assim, com o tempo, pode

haver uma tendência de diminuição desse estoque (substrato), fazendo com que as

taxas de emissão sejam equivalentes aos locais que não foram submetidos à sistemas

de aquecimento.

Alguns estudos demonstram que a elevação da temperatura causa um aumento

exponencial na respiração do solo ao longo de um gradiente de temperatura (Figura

28).

72

Figura 28 - Relação entre a temperatura e a respiração do solo em (A) incubações em laboratório de solos de tundra e (B) mensurações realizadas em campo de 15 estudos diferentes, onde os dados foram ajustados para terem a mesma taxa de respiração a 10ºC (A, adaptado de FLANAGAN; VEUM, 1994. B, adaptado de LLOYD; TAYLOR, 1994)

A temperatura atua de diversas maneiras indiretas na decomposição, sendo que

altas temperaturas podem reduzir a umidade do solo pelo aumento da evaporação e da

transpiração. O secamento provocado pode reduzir as taxas de decomposição em

regiões de clima seco, mas pode também acelerar a decomposição onde os solos são

suficientemente úmidos para restringir a disponibilidade de oxigênio. O estímulo na

atividade microbiana com o aumento da temperatura também inicia uma série de

feedbacks que influenciam a decomposição do material orgânico (Figura 29).

73

Figura 29 - Efeitos diretos e indiretos da temperatura na respiração do solo (adaptado de CHAPIN et al., 2002)

Boone et al. (1998) sugere que variações a curto prazo nas taxas de respiração

do solo são determinadas principalmente pelo aumento da respiração radicular e de

heterótrofos presentes na rizosfera (área do solo ao redor e que sofre influencia pela

presença das raízes das plantas) e não pela decomposição em si. A respiração

microbiana fora da rizosfera, apesar de ter uma participação significativa no total

respirado pelo solo, parece apresentar a curto prazo uma menor resposta à temperatura

do que a respiração radicular e a realizada na rizosfera (TRUMBORE et al., 1996).

Especula-se que o aumento na emissão de CO2 evidenciado no presente estudo possa

ter acontecido devido ao aumento das taxas de respiração radicular, e não pelo

aumento da taxa de decomposição da liteira em si.

O aumento da temperatura do solo parece também ter alterado o ciclo do

nitrogênio, ao alterar taxas de desnitrificação, que por sua vez intensificam os fluxos

N2O do solo para a atmosfera (MOSIER, 1998; FIRESTONE; DAVIDSON 1989). A

temperatura mais elevada pode ter aumentado a disponibilidade de nitrato devido a um

possível aumento da velocidade da decomposição da matéria orgânica do solo, uma

74

vez que a microbiota desnitrificadora deve apresentar metabolismo mais lento em

temperaturas mais baixas. No entanto, esta hipótese contraria nossa hipótese anterior

que o aumento nos fluxos de CO2 seriam causados por um aumento na respiração

radicular e não pela decomposição da matéria orgânica.

Em solos saturados de água, o óxido nitroso é formado principalmente pela

desnitrificação do nitrato. Schindbacher (2004) relata que o aumento da saturação por

água aumenta o número de micro espaços anaeróbios promovendo assim a

desnitrificação, pois a água controla o fluxo de oxigênio para dentro do solo e também o

transporte de gases NO, N2O e N2 para fora do solo. De acordo com Sousa Neto (2008)

em solos secos e bem aerados, principalmente de textura arenosa, o processo

dominante é o de nitrificação e o gás mais emitido é o NO. Em solos úmidos onde a

difusibilidade e a aeração são menores e em solos que apresentam textura mais

argilosa, o gás mais produzido é o N2O.

O presente estudo evidenciou uma relação positiva entre o aumento da

temperatura in situ e o aumento de emissão de óxido nitroso. Outros estudos não

encontraram mudanças significativas nos fluxos de N2O após aquecimento

experimental a longo prazo (PETERJOHN et al., 1994; PRATER et al., 1995, MELILLO

et al., 2004, HART et. al., 2006). Souza Neto et al. (2011) constatou um decréscimo na

emissão de N2O na Floresta Atlântica com o declínio da temperatura, ao comparar

fluxos de gases ao longo de várias altitudes (incluindo a área deste estudo). Este último

resultado reforça que em ambientes tropicais a temperatura parece exercer um controle

importante sobre a emissão de N2O. Por outro lado, em ambientes temperados,

geralmente pobres em nitrogênio, mesmo com o aquecimento não foram encontradas

aumento dessas emissões como exemplificado acima.

Os fluxos de CH4 foram negativos durante todos os períodos amostrados, tanto

para o sistema de aquecimento quando para as câmaras controle, representando um

consumo do gás. Bowden et al. (1998) evidenciaram que a umidade do solo influencia

fortemente o consumo líquido de CH4, sendo a temperatura um fator de menor impacto.

No entanto, para o presente estudo, a umidade e a temperatura não foram fatores

significativos para o consumo de metano, uma vez que não apresentaram diferenças

75

estatísticas entre os diferentes tratamentos, nem uma correlação positiva com o

aumento ou diminuição do consumo nos diferentes períodos amostrados.

Como descrito por Carreiro e Koske 1992, o aumento da temperatura do solo

pode também alterar a composição da comunidade microbiana, podendo modificar

propriedades físicas do solo, incluindo absorção de cátions e mais importante a

disponibilidade de umidade no solo (PETERJOHN et al., 1994; HARTE et al., 1995).

77

6 CONCLUSÕES

O presente estudo sobre a emissão de gases efeito estufa do solo e a alteração

nos ciclos do carbono e do nitrogênio em áreas submetidas ao aquecimento in situ na

Mata Atlântica mostrou claramente que o aumento da temperatura do solo contribui

para um acréscimo significativo de emissões de CO2 e N2O, porém sem alterações

significativas nos fluxos de CH4. Os resultados do experimento devem ser interpretados

com precaução, pois confirmam um aumento significativo no fluxo de dois dos gases

analisados, durante curto espaço de tempo, o que não necessariamente pode ocorrer

frente ao aquecimento global, mas que satisfatoriamente evidenciam as possíveis

mudanças em ambientes não perturbados em resposta ao aumento da temperatura,

especialmente em um ambiente ameaçado como a Mata Atlântica. Ainda é incerto se

essas consequências são transitórias, apresentando respostas momentâneas, o que

releva a importância de experimentos em biomas tropicais, onde a estrutura, o

funcionamento e os processos biogeoquímicos desses ecossistemas podem sofrer

alterações drásticas em resposta às mudanças climáticas.

Nas próximas décadas, as alterações climáticas resultantes do aumento da

concentração de GEE na atmosfera podem influenciar globalmente a temperatura do

solo e a disponibilidade de água, e as alterações nos padrões de precipitação serão

altamente imprevisíveis.

Em um patamar futuro, com uma concentração maior de GEE na atmosfera, os

padrões de precipitação poderão limitar a habilidade dos vegetais em responder a esse

aumento da disponibilidade desse gás, o que poderia por consequência limitar também

o sequestro de C pelo solo.

É esperado que com o aumento da temperatura do solo as taxas de atividades

microbianas aumentem de acordo com a adequada disponibilidade de água. O valor

deste aumento, se baseado na temperatura somente, pode provavelmente ser previsto

com certa confiabilidade, mas a interação da disponibilidade da água e o aumento da

temperatura tornam as predições das influências das mudanças climáticas nas trocas

gasosas entre o sistema solo-atmosfera altamente especulativas.

78

Os impactos a longo prazo do aumento da concentração desses gases e

consequentes alterações climáticas ainda não são claros, devido a falta de

compreensão de como as interações microbianas responderão a essas novas

características climáticas, mas estudos como esse demonstram a importância em tentar

se prever como seus resultados podem interferir em ciclos biogeoquímicos de

elementos que regulam estas atividades.

É preciso, no entanto, melhorar e aprofundar nossos conhecimentos a respeito

da dinâmica desses processos para um melhor entendimento de como a futura

interação do ciclo global do C responderá às mudanças climáticas, e como poderemos

antecipar os riscos e os efeitos negativos dessas interações que ocorrem na natureza,

principalmente entre o C e o N do solo e da atmosfera.

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