XIII SBSR. Mudanças ambientais globais e o ciclo do nitrogênio. Luiz Antonio Martinelli CENA-USP

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XIII SBSR

Florianópolis - SC

Mudanças ambientais globais e o ciclo

do nitrogênio

Luiz Antonio Martinelli

CENA-USP

(2)

Qual a importância do N?

1) O N limita a produção primária na maioria dos ecossistemas.

2) Portanto, limita a aquisição de carbono e regula o ciclo deste elemento. 3) Conseqüentemente regula a dinâmica e a composição da maioria dos ecos-sistemas.

4) É extremamente móvel na natureza, seu estado de oxidação varia de -5 a +3, tendo inclusive uma importante fase gasosa.

5) Sendo um fator limitante na agricultura, o N passa a ter um valor econômico, além de ecológico.

6) O homem, na busca de alimento, tem exercido enorme influencia na sua dinâmica 7) Eu gosto do N!!!

(3)

Tô indo no supermercado. Você quer alguma

coisa?

(4)

Milhi 3.500 a.C. Mandioca 3.500 a.C. Cofé ? Soja 3.000 a.C. Banana 7.500 a.C. Trigo 8. 500 a.C. Fonte: museum.agropolis.fr/english/pages/expos/fresque/carte_agriculture.htm

(5)

Marcus Aurelius 161-180

Trajano

98-117 102 a.C. – 44 a.CJulius Caesar

Augustus 63a.C. – 14 d.C.

(6)

Meio Aquático Atmosfera

N

₂ Plantas

NH

₃

NH

₄

NO

₃ MIN. NITRIF.

N

₂

O

Solo FOTOSÍNTESE

N

₂ LIXIVIAÇÃO

N

₂

N

₂

O

DEPOSIÇÃO FBN DENITRIFICAÇÃO FBN Raios DENITRIFICAÇÃO

(7)

N N

N

₂

+ 3H

₂

+ Energia 2NH

₃

N

₂

(8)

1 10 100 1000 10000 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 Anos (x1000) Po pu la çã o m un dia l ( m ilh õe s de h abs. ) 1900 2000 FBN

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Fritz Haber (1864-1934)

•Prêmio Nobel em 1918 •Síntese da amônia

•Primeiro teste em escala comercial: 1909

Carl Bosch (1874-1940)

•Prêmio Nobel em 1931 •BASF – síntese da amônia em escala industrial • Catalisador – Fe x Ur N_2(g) + 3H_2(g) <--> 2NH_3(g) CH_4(g) + H₂O_(g) → CO_(g) + 3H_2(g) T – 450o_{C P – 200atm} O processo Haber-Bosch

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(1) Produção de Fertilizantes Nitrogenados 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Décadas Po pu la çã o ( b ilh õe s de ha b .) N-fert. escala industrial Haber-Bosch

(11)

(1) (2) (3) (4) 0 50 100 150 200 250 300 350 Hol

China USA BR _África Haiti

0 50 100 150 200 Hol

Co nsumo anua l de N-f ert (kg/habit ante) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Hol

Disp on ib ilidade p er c ap ita de cereais (g/hab.dia) 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Hol

Energia disponível (kca

l/ hab.di a) 0 50 100 150 200 250 300 350 Hol

Con sumo de N fe rt (kg/ha) 0 50 100 150 200 Hol

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Hol

Disp on ib ilidade p er c ap ita de cereais (g/hab.dia) 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Hol

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(1) Produção de Fertilizantes Nitrogenados

Resumo: Consumo de N-fertilizantes

•2002: 85 milhões de toneladas de N

(maior consumidor – CHINA – 25 milhões de toneladas) •50% do N necessário para a produção de alimentos vêm dos

fertilizantes. Seria difícil viver sem eles. •65% utilizado na produção de cereais

•Distribuição não uniforme

1 hectare na HOLANDA recebe 300 toneladas de N por ano 1 hectare no HAITI recebe anualmente 9 toneladas de N por ano

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Floresta terra-firme 25 kg N/ha.ano Soja 70 a 250 kg N/ha.ano

N

₂

N

₂

N

₂

N

₂

N

₂

N

₂

N

₂

N

₂

N

₂

(14)

Resumo: cultivo de leguminosas e outras plantas fixadoras

(Fixação não induzida produz cerca de 110 milhões de toneladas de N) •Detalhe importante: fixação de N na soja ocorre principalmente no Brasil,

através de seleção de variedades fixadoras. Estima-se que no Brasil a soja fixe cerca de 70 a 80% do N que necessita durante seu ciclo.

(15)

(2)Produção de energia

Produção termal

N

₂

+ O

₂

= 2NO

N-orgânico pirólise

X-CH

₂

NH

₂

+ 3O

₂

= CO

₂

+ 2 H

₂

0 + NO

₂

+ X

NO_x = NO + NO₂

(16)

(2)Produção de energia 0 5 10 15 20 25

18

90

19

10

19

30

19

50

19

70

19

90 Décadas

Em

is

sã

o de

N

O

x (

m

ilh

õe

s de

to

ne

la

da

s de

N

)

Van Aardenne, J.A., Dentener, F.J., Olivier, J.G.J., Klein Goldewijk, C.G.M. and J. Lelieveld (2001) A 1 x 1 degree resolution dataset of historical anthropogenic trace gas emissions for the period 1890-1990.

Global Biogeochemical Cycles,15(4), 909-928.

(17)

(2)Produção de energia

Resumo: Produção de Energia

(emissão de NO_x durante queima de com. fósseis)

•Detalhe importante: tempo de residência na atmosfera de 5 dias. Portanto, maioria do N é depositado onde foi produzido.

•Observação: N₂O que é um gás importante no aumento do efeito estufa é

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Contabilidade sobre o N convertido** pelo Homem em 2002

(milhões de toneladas por ano)

**convertido: N-atmosférico não reativo N reativo

•Produção de N-Fertilizantes: 85

•Processos industriais: 15 (não mostrados)

• Produção de Energia: 30

•Cultivo de Fixadoras: 30

TOTAL Nr: 160

Fixação Biológica Natural: 110

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(1) Produção de Fertilizantes Nitrogenados

A pergunta que não quer calar…

•2002: 6.2 bilhões de habitantes •Ser humano: 2 kg N/ano

•Humanidade: 12 milhões de toneladas de N por ano

•Nr – criado pelo Homem:

160 milhões de toneladas de N por ano

• 160 – 12 : 148 milhões de toneladas de N por ano

(20)

Atmosphere

Terrestrial Ecosystems

Aquatic Ecosystems

Human Activities

Groundwater

Effects

Surface water

Effects Coastal_Effects PM & Visibility Effects Agroecosystem Effects Food Production Crop Animal

People

(Food; Fiber)

Soil

NO₃ NH₃ Forests & Grassland Soil Ocean Effects NO₃ N-dep N-dep Stratospheric Effects N₂O N₂O Energy Production Ozone Effects N N_org

The Nitrogen

Cascade

Denitrificação

(21)

(22)

(23)

(24)

Deposição úmida de nitrogênio

(kg N/ha.ano)

5.6 Ji-Paraná – RO

2.9 Balbina – AM

3.2 Parque Intervales – SP

4.8 S.Maria da Serra – SP

5.5 Piracicaba – SP

5.6 Bragança – SP

6.3 Campinas - SP

(25)

Chuva

ácida

na

bacia

do

rio

Piracicaba

4.7

4.4

4.8 pH= 4.9

4.7

Lara et al. (2003)

(26)

Foto cedida por Paulo Artaxo

Amazônia – desmatamento

2003: 23.000 km2

2004: 24.000 km2

(27)

(28)

Human Activities

Food Production

People

(Food; Fiber)

Atmosphere

Terrestrial Ecosystems Aquatic Ecosystems Agroecosystem Effects Crop Animal Soil Forests & Grassland Soil N N_org

The Nitrogen

Cascade

(29)

Human Activities

People

(Food; Fiber)

Atmosphere

Terrestrial Ecosystems Agroecosystem Effects Crop Animal Soil Urban centers N Aquatic Ecosystems N_org

The Nitrogen

Cascade

(30)

Human Activities

People

(Food; Fiber)

Atmosphere

N₂, N₂O Terrestrial Ecosystems Agroecosystem Effects Crop Animal Soil Urban centers N Aquatic Ecosystems NO₃, NH₄, Norg N_org

The Nitrogen

Cascade

(31)

Human Activities

People

(Food; Fiber)

Atmosphere

N₂, N₂O Terrestrial Ecosystems Aquatic Ecosystems Agroecosystem Effects Crop Animal Soil Urban centers NO₃, NH₄, Norg N N_org

The Nitrogen

Cascade

(32)

Run off (m m .yr-1) DI N ex por t ( kg. ha -1 .y r -1 ) 50 _{60 70 80 90 10}0 ₂₀₀ ₃₀₀ ₄₀₀ ₅₀₀ ₆₀0 _{700 80}0 ₉₀₀ 1000 2000 3000 400 0 5000 6000 7000 8000 0,05 0,50 5,00 50,00 São Paulo Am azon

(33)

•MUNDO

•852 milhões de pessoas mal nutridas no mundo

•815 milhões em países em desenvolvimento

•15% do mundo passa fome!!!

• 1.2 bilhões de pessoas vivem com menos de

US$ 1/dia

•17% da população do mundo não tem acesso a

água potável

• 40% não tem acesso a serviços de saneamento

• BRASIL

•15.6 milhões de pessoas mal nutridas no país

• 9% da população passa fome!!!

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Summary

Knowledge gaps at the national level

-• Improve measurements on nitrogen biological fixation in natural systems • Keep an eye in the four Cs (citrus – cellulose – coffee - cane)

• Monitoring network on nitrogen wet and dry deposition

• Monitoring network on euthrophication of reservoirs and estuaries •Proposition of public policies