N - Fapesp

Ciclagem de nitrogênio em
ecossistemas tropicais:
Amazônia e Cerrado
Profa. Dra. Gabriela Bielefeld Nardoto
Universidade de Brasília
25 de junho 2014
BIOTA EDUCAÇÃO - FAPESP
Estabilidade do Holoceno (últimos 10.000 anos):
agricultura e sociedades complexas
Vulnerabilidade dos solos
Fonte: UNEP
Nos últimos 150 anos:
Aumento da expansão e
produtividade agrícola e
industrial
Mais da metade da área da
maioria dos ecossistemas
terrestres foi convertida
Fonte: MEA (2005)
Impactos diretos e indiretos das atividades humanas sobre os ecossistemas
Vitousek et al. (1997)
Ecologia de Ecossistemas

Estudo das interações entre organismos e seu ambiente físico como um
sistema integrado
Fonte: Chapin III et al (2011)
Serviços do Ecossistema

Base Ecológica:

Desenvolvimento do solo

Ciclagem de nutrientes

Produção primária

Decomposição MO
Fonte: MEA (2005)

Proporciona:
 Alimento
 Água
 Madeira e fibra
 Combustível
• Regulação:
▫ Climática
▫ Alimentar
▫ Doenças
▫ Água
• Cultural:
▫ Estética
▫ Educacional
▫ Recreativa
Processos que controlam o fluxo de energia e
matéria nos ecossistemas
Fotossíntese:
CO2 + H2O + energia  CH2O + O2
Respiração:
CH2O + O2  CO2 + H2O + energia
Associação solo-vegetação
Fonte: Brady & Well (2010)
Como as plantas adquirem nutrientes minerais?

Absorção através das folhas
 Deposição úmida (epífitas)

Associações micorrízicas
 Fungos auxiliam na absorção radicular

Absorção pelas raízes
Bonato et al (1998)
Transporte na planta
Os nutrientes
atuam nos
processos
bioquímicos e
fisiológicos da
planta como
ativadores
enzimáticos
Tipos de ciclos de nutrientes

Ciclo Geoquímico
entradas e saídas de
nutrientes do ecossistema

Ciclo Biogeoquímico
circulação de nutrientes
dentro do ecossistema

Ciclo Interno
conservação de nutrientes
nas plantas
Entradas e saídas de nutrientes dos ecossistemas

Entradas de
nutrientes:




Intemperismo de rochas
Atmosfera (ex. CO2, N2)
Deposição úmida e seca
(importante em áreas com
longa estação seca)
Cursos de água

Saídas de
nutrientes:






Erosão
Retirada de biomassa
Fogo
Perdas gasosas
Lixiviação
Cursos de água
Na maioria dos ecossistemas as entradas e saídas de nutrientes
são menores quando comparadas com a ciclagem
biogeoquímica e interna
Fonte do nutriente para a planta (% total)
Nutriente
Deposição/f intemperismo
ixação
Reciclagem
Floresta
temperada
N
7
0
93
P
1
< 10
>89
K
2
10
88
Ca
4
30
65
N
4
0
96
P
4
1
96
Tundra
Chapin et al (2011)
Ciclo global do nitrogênio
(1 teragram = 1012 g)
(Chapin et al. 2002)
1.
Fator limitante da produção primária na maioria dos ecossistemas
Limita a aquisição de carbono e assim regula a estrutura e dinâmica
da maioria dos ecossistemas
2. É extremamente móvel na natureza (estado de oxidação varia de -5 a +3) com
importante fase gasosa
3. Como fator limitante na agricultura, o N passa a ter um valor de mercado
4. O homem, na busca de alimento, tem exercido enorme influência na sua
N reativo)
Nitrogen
nitrogênio
%
dinâmica (N inerte
%
99.635
100
80
60
40
20
0
0.365
14
Mass
massa
15
N2
NH3
N N
N2 + 3H2 + Energia
2NH3
Disponibilidade de nitrogênio
(Davidson et al. 2000)
Principais alterações no ciclo do N causadas pelo Homem
(1) Produção de fertilizantes nitrogenados (Haber-Bosch)
(2) Cultivo de leguminosas
(3) Produção de energia (combustíveis fósseis)
6.5
População (bilhões de hab.)
6.0
5.5
5.0
4.5
N-fert.
escala industrial
4.0
3.5
3.0
Haber-Bosch
2.5
2.0
1.5
0
10
20
30
40
50
60
Décadas
70
80
90 100
Destino do N originado do processo de Haber-Bosch
Fertilizante nitrogenado
produzido
N consumido
100
14
14% do N produzido por Haber-Bosch entra no corpo humano…
Galloway & Cowling (2002)
N2
N2
N2
N2
N2
N2
N2
Floresta terra-firme
3 a 7 kg N ha-1 ano-1
Soja
70 a 250 kg N ha-1 ano-1
N2
N2
1º INVENTÁRIO NACIONAL
DE EMISSÕES ATMOSFÉRICAS
POR VEÍCULOS AUTOMOTORES
RODOVIÁRIOS (MMA, 2011)
Balanço global de nitrogênio em 1860 e em 2000 ( Tg N ano-1)
NOy
5
N2
1860
8
6
7
6
0.3
6
NHx
12
0
9
11 8
15
27
2000
NOy
5
N2
33
16
21
110
25
25
6
NHx
23 26
18
39
100
N2 +
3H2
2NH3
48
Galloway et al (2003)
“Limites planetários”
Rockstrom et al. (2009) - Nature
Ciclo do
nitrogênio
Perda de
Biodiversidade
Nitrogênio na América Latina
Aumento na emissão de N2O para a atmosfera
Tg N
 Crescimento do cultivo de soja, queima de
vegetação natural e
sistemas inadequados de tratamento de esgoto
 Desde a década de 1990, o plantio de soja se
expande na AL: 40% da produção mundial
 150 mil km2 de áreas nativas são queimados
anualmente transferindo grande quantidade de N
reativo para a atmosfera
Austin et al (2013)
Floresta Amazônica
Dinâmica de nitrogênio na Amazônia
Dep. Atm. = 3-4 kg N ha-1 ano-1 (Lara et al 2001)
N2O = 6-7 kg N ha-1 ano-1 (Keller et al 2005)
Serapilheira produzida = 12 Mg ha-1 ano-1 (Rice et al 2004)
Fluxo N via serapilheira = 176 kg ha-1 ano-1
Modelo conceitual para disponibilidade de nitrogênio
no sistema solo-planta
Maior δ15N
Menor δ15N
Planta
Planta
14N
2
14N O
2
14NO
15N
14N
Serapilheira
Serapilheira
Solo
N orgânico
14N
2
14N O
2
14NO
Solo
15NH +
3
15NH +
4
15NO 2
15NO 3
Maior disponibilidade de N
N orgânico
A
15NH +
3
15NH +
4
15NO 2
15NO 3
Menor disponibilidade de N
B
Fonte: Reis & Nardoto (2013)
Florestas Tropicais e savanas
14
Florestas
10
6
2
(
‰)N 15
-2
-6
-10
Savanas
(n = 3420)
-14
0
1
2
3
4
5
6
N (%)
Nardoto et al. (não publicados)
Floresta Amazônica x Mata Atlântica
14
Floresta Amazônica
12
10
8
(
‰)N 15
6
4
2
Mata Atlântica
0
-2
0
1
2
3
4
5
6
N (%)
Nardoto et al. (não publicados)
Nitrogênio na Amazônia
Padrões de ciclagem de nitrogênio ao longo da Bacia Amazônica:

como a disponibilidade de N
varia em diferentes escalas
espaciais:

Regional (precipitação)

Local (tipo de solo)
como essas variações na
disponibilidade de N estão
integradas com as variações
encontradas para diferentes
grupos funcionais de plantas:



Leguminosas
Não-leguminosas
Diferentes regimes de precipitação na Amazônia
São Gabriel
Manaus
Santarém
Porto Velho
Ji-Paraná
Fonte: Sombrek (2001)
Diferentes regimes de precipitação:
florestas de terra-firme sobre Latossolo
 15N (‰ )
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Rico em N
profundidade (cm)
0
Santarém
Porto Velho
10
20
30
40
Ji-Paraná
● Santarém
■ Manaus
◆ São Gabriel
São Gabriel
50
Manaus
São Gabriel
Pobre em N
Menos úmido
Mais úmido
Nardoto et al. (2008)
Toposequência na Amazônia Central (tipos de solo)
Ribeiro et al. (1999)
Tipo de solo influencia a disponibilidade de N em escala local
(toposequência em Manaus):
plateau
5
Manaus-plateau
campinarana
Manaus-campinarana
4
 15N (‰)
baixio
Manaus-baixio
platô
3
2
1
0
campinarana
baixio
Manaus - toposequence
Nardoto et al (2008)
Relação solo-vegetação na Amazônia (Rainfor)
Quesada et al (2010)
Nardoto et al (2014)
Padrões de disponibilidade de N na Amazônia
Os padrões encontrados de disponibilidade de nitrogênio em florestas
de terra-firme amazônica indicam que:
as maiores restrições na disponibilidade de N está diretamente
relacionada com:

quantidade de fósforo disponível no solo

duração da estação seca ao longo da Bacia Amazônica

FBN na Amazônia
Florestas de terra-firme amazônica em Rondônia:
4 – 7 kg N ha-1 ano-1 (Cleveland et al. 2010)
Florestas de terra-firme amazônica - 65 plots (RAINFOR):
3 kg N ha-1 ano-1 (Nardoto et al. 2014)
FBN = 3 a 7 kg N ha-1 ano-1
maioria das leguminosas não fixam N na Amazônia
alta disponibilidade de N no solo
baixas taxas de nodulação
Dinâmica de nitrogênio na Amazônia
Dep. Atm. = 3-4 kg N ha-1 ano-1
N2O = 6-7 kg N ha-1 ano-1
FBN = 3-7 kg N ha-1 ano-1
Fluxo N via serapilheira = 100-176 kg ha-1 ano-1
Mineralização de N no solo = 50-90 kg ha-1 ano-1
A disponibilidade de N nos ecossistemas terrestres é efêmera e pode
ser modificada tanto por perturbações naturais como antrópica nas
diferentes escalas temporais
Fogo
Desmatamento
Pastagens
Como o fogo influencia a ciclagem de nitrogênio no Cerrado?
IMAGEM DE
SATÉLITE
mostra queima
de biomassa
South American and
the two largest
Brazilian biomes
Caatinga
Cerrado
Pantanal
Mata Atlantica
Pampas
Cerrado
 savana sazonal úmida
 2 milhões de km² no Brasil
Central (24% do território
nacional)
 Segundo maior bioma da
América do Sul
 Distribuição central –
transições com outros 4
biomas brasileiros
Dinâmica de nitrogênio no Cerrado
Dep. Atm. = 4-7 kg N ha-1 ano-1 (Parron 2004; Resende 2001)
FBN = ~20 kg N
ha-1
ano-1 (Cleveland et al 1999)
N2O = 0-1 kg N ha-1 ano-1 (Pinto et al 2002)
Fluxo N via serapilheira = 12,7 kg ha-1 ano-1 (Nardoto et al 2006)
Mineralização de N no solo = 14 kg ha-1 ano-1 (Nardoto & Bustamante 2003)
Comparação entre a biomassa aérea e principais fluxos de nutrientes entre Cerrado e Amazônia
Floresta de terra-firme amazônica
Cerrado sentido restrito
Produção anual de serapilheira em cerrado sentido restrito
Cerrado s.s. sem queima
o fluxo de nutrientes na
serapilheira fica entre
60–80% menor na área
queimada
Cerrado s.s. queimada
Nardoto et al (2006)
Nitrogênio (mg kg-1)
Cerrado s.s. sem queima
N-NH4
N-NO3
Nitrogênio (mg kg-1)
Cerrado s.s. queimada
FOGO
N inorgânico anualmente
“mineralizado” (kg ha-1 ano-1):
• área sem queima: 14,7
• área queimada: 3,8
Mês
Nardoto et al. (2003)
Modificações no uso da terra:
Alteração na dinâmica de N no sistema
solo-vegetação-atmosfera
manutenção dos ecossistemas
(serviços ecossistêmicos)
Interação entre a população humana e os ecossistemas:
Aspecto básico da sobrevivência humana
Influência das C4 na alimentação
Relação entre os
fatores ambientais e
aqueles que
direcionam a
mobilidade humana:
Diferenças geográficas
possíveis relações com
as diferenças no acesso
aos alimentos e nos
hábitos alimentares
afeta diretamente os
ciclos do nitrogênio e
do carbono
Nardoto et al (2006); Martinelli et al. (2010); Nardoto et al. (2011)
Centros urbanos x meio rural
Fatores de Pressão
Fatores de Estado (diagnóstico)
Pressão humana sobre os ecossistemas
Mudanças na estrutura e funcionamento
dos ecossistemas
Poluição
Alteração de habitat
Mudanças regime de distúrbio
Herbivoria
Invasões biológicas
Redução da biodiversidade
Estágios sucessionais iniciais
Eutrofização
Redução serviços ecossistêmicos
Maiores riscos para saúde humana
Fatores de Resposta (sociedade)
Manejo dos ecossistemas
Objetivos para reduzir os fatores de pressão
Indicadores da saúde dos ecossistemas
Monitoramento ambiental
Begon (2010)
Com isso...

Desenvolver uma linguagem comum:
 Saber reconhecer a importância de se aplicar os conhecimentos
sobre o funcionamento dos ecossistemas na manutenção e
minimização dos impactos das mudanças ambientais com
consequências para os ecossistemas
 Reconhecer as ferramentas necessárias para o diagnóstico do
ecossistema
 Reconhecer e desenvolver estratégias de modo a permitir tanto
a preservação como o manejo ambiental integrado
“Educar é crescer. E crescer é viver.
Educação é, assim, vida no sentido
mais autêntico da palavra”
(Prof. Anísio Teixeira)