Ciclo do carbono. - Portal Embrapa

AS RELAÇÕES ENTRE

A VEGETAÇÃO E O MEIO FÍSICO

NO CERRADO PÉ-DE-GIGANTE

1 4 .

Ciclo do Carbono

H um berto R. da Rocha

Helbcr C. de Freitas

Rafael Rosolem

Rafael N. T annus

Robinson 1. N egró n -Ju árez

M arcos V. Ligo

Osvaldo M. R. Cabral

H um berto N. de M esquita Jr

C id o do C arbono

Interação da superfície

com a biosfera

0 ciclo do carbono é sua circulação fechada nos com ­ partim entos da biosfera, atmosfera, hidrosfera e li­ tosfera. Na atm osfera há, principalm ente, dióxido de carbono (C02), que, mesmo em pequena proporção em relação ao carbono planetário (0,001%), é essencial à vida na Terra ao equilíbrio do clima. Denom ina-se de ciclo lento do carbono à circulação do carbono fixado nas rochas sedim entares e com bustíveis fósseis, que re­ tornam à atm osfera na escala de milênios, por meio de vulcanism o, erosão (fluvial) e extração. As trocas da biosfera e do oceano com a atm osfera form am o que se cham a de ciclo rápido do carbono. A concentração na atm osfera de alguns gases-estufa (que absorvem a radiação infra-verm elho termal), principalm ente o C02 e o m etano (CH4), aum entou de modo considerável, nas últim as décadas, como resultado do desbalanço entre as entradas e as saídas de carbono, devido à queim a de com bustíveis fósseis, ao desm atam ento e às queim a­ das de vegetação (Tabela 14.1), principais responsáveis pela observação do aquecim ento global nos últim os

100 anos (IPCC.2001).

São fortes os vínculos entre a atmosfera e a bios­ fera. 0 clima é um dos principais controladores do fun­ cionam ento e existência dos ecossistemas terrestres. A lguns dos elem entos climáticos, como a tem peratu­ ra e a precipitação, exercem notável controle na sua capacidade de absorver (ou de emitir) carbono da (ou para a) atm osfera. Os possíveis cenários previstos de alterações clim áticas para o próxim o século são mui­ to significativos para m odificar os hábitats de certas form as de vida e, conseqüentem ente, a própria biodi­ versidade. Ao mesmo tempo, as trocas de carbono da biosfera terrestre com a atm osfera mobilizam cerca de 15% do carbono atmosférico anualm ente, o que indica um a alta sensibilidade na modificação da concentração global. Na década de 1990, os ecossistemas terrestres foram responsáveis pelo sum idouro de aproxim ada­ m ente m etade da quantidade de carbono que aum enta a cada ano (Tabela 14.1). Esses argum entos introduzem um a linha de investigação científica conhecida como interação biosfera-atm osfera, que ocorre nas escalas local e regional, e produz efeitos em escala global.

Tabela 14.1. Fontes, sum idouros e ta x a de arm azenam ento de C02 (em PgC .ano'1 = GtC.ano-1). Os fluxos positivos indicam liberação para a atm osfera e os negativos, a rem oção de carbono da atm osfera. Fonte: adaptado de IPCC (2001) e Schimmel et al. (2001).

Fontes

Entradas (fontes) e saídas (sumidouros)

de carbono (para a) e (na) atmosfera.

Taxas de troca ou fluxos

Emissão po r com bustíveis fósseis/produção de cim ento fD esm atam ento, queim adas e m udanças no uso da terra Sum idouros Oceanos

Reflorestam ento, rebrota de florestas e im pactos de m anejo do solo no Hemisfério Norte

Reflorestam ento, rebrota de florestas e m anejo do solo no Hemisfério Sul

Líquido A um ento n a atm osfera

1,7 ± 0,8 -1,7 ± 0 ,5 -1,3 ± 0 ,9 -1,9 ± 1,3 3,2 ± 0,1 ■

CAPÍTULO !•! 191

Ciclo do C arbono j

Estimativa das trocas

Observações no Cerrado

ou fluxos de carbono nos

Pé-de-Gigante

ecossistemas terrestres

Coleta dos dados

Há duas formas principais de estim ar-se o fluxo de car­ bono entre a biosfera terrestre e a atm osfera. A prim ei­ ra baseia-se na biometria, por meio da medição dos estoques de carbono em intervalos espaçados de tem ­ po (de meses a anos). Esse método avalia no cam po a quantidade de biom assa no ecossistema, m onitorando a variação da biom assa epigéia, a hipogéia, e o carbo­ no que existe no solo, em áreas de controle cham adas S de parcelas perm anentes (Adlard, 1990). G eralm ente são feitas algum as parcelas destrutivas, por onde se constroem as curvas de validação e extrapolação (com equações halométricas) particulares das espécies locais. Essas curvas serão aplicadas nas parcelas perm anentes para o m onitoram ento com o tempo. 0 segundo m é­ todo, cham ado microm eteorológico, estim a os fluxos e, portanto, a variação dos estoques, na form a de m o­ nitoram ento autom ático e em tem po quase real. Nesse m étodo, aborda-se a estim ativa dos fluxos de espécies quím icas - como o C02 e a água - , o calor ou ener­ gia térm ica, e outros gases (CH4 e com postos orgânicos voláteis) entre a superfície e a atm osfera. No caso do C 02, determ ina-se a quantidade de carbono assim ilada ou em itida por área unitária e por unidade de tem po. A técnica utilizada é denom inada de eddy correlation, ou correlação dos vórtices turbulentos, que, de form a simples, estima os fluxos médios a cada 30 m inutos, aproxim adam ente.

De forma simples, o método supõe que o ar logo acim a do dossel possa ser enriquecido de C02 origina­ do da emissão da superfície (respiração) ou, altern a ti­ vam ente, empobrecido, como resultado da assim ilação de C02 por fotossíntese. Em outras palavras, a con­ centração atm osférica de C02 acim a do dossel dim inui quando há fotossíntese e aum enta quando há respira­ ção, e o método contabiliza estes transportes de form a rápida. Uma discussão do método e sua utilização são reportados por Baldocchi (2003).

Os dados reportados foram obtidos em um a plataform a instrum ental autom ática no período de Io de novembro de 2000 a 15 de março de 2002, em sensores no solo e em outros fixados num a torre instrum ental de 21 m de altura (Figura 14.1). Os sensores de tem peratura e um idade do ar foram controlados por um datalogger CR10X (Campbell Systems), com aquisição a cada 15 segundos e gravação das médias de 10 minutos. Os flu­ xos atm osféricos de C02 foram estim ados com um sis­ tem a de eddy correlation, utilizando um anem óm etro sônico (Gill Solent R2A) e um analisador de H 20/C02 (freqüência de aquisição de 5 Hz) LiCor-6262 (Figura 14.1). Outros detalhes de posição da plataform a instru­ m ental e da im plantação de sensores são descritos no Capítulo 4.

F igura 14.1. Esquema da estrutura e com ponentes de um sistem a de eddy correlation para medição autom á­ tica dos fluxos de C02, água e calor na interface dos- sel-atm osfera.

Ciclo d o C arbono

A respiração edáfica foi medida utilizando-se um a câm ara de solo com analisador EGM-2 (PP-Sys- tems, UK) sobre 17 colares de PVC (diâmetro de 10 cm), instalados perm anentem ente próxim oS à torre e m onitorados com freqüência sem anal. Em cada colar am ostrou-se a tem peratura a 1 cm do solo ju n to com a m edida de respiração.

Respiração edáfica

As tax as de respiração edáfica médias em cada evento variaram entre, aproxim adam ente, 1,5 e 8,5 pm ol C02. m '2.s-1, com um padrão que acom panhou a sazonali- dade, conform e sugere a Figura 14.2. D urante a estação seca, as emissões são consideravelm ente m enores que n a estação chuvosa. Nota-se que, a partir do início de setem bro até o início de janeiro, há tendência crescente de aum ento, quando, então, a série se to rn a estacioná­ ria. Outras duas particularidades diferenciam a estação seca da chuvosa: a variabilidade intra-sazonal, mais reduzida, e a própria variação entre as m edidas durante um dia de coletas (representada pelo desvio-padrão), tam bém m aior na estação chuvosa. A m édia ao longo de todo o período foi de 4,8 ± 2,2 pm ol.m 2.s_1. Uma síntese com parando emissões similares em outros ecos­ sistem as tropicais é m ostrada na Tabela 14.2.

Verifica-se que, no Cerrado Pé-de-G igante, a respiração edáfica está acim a das m édias em pastagens bem m anejadas e abaixo das florestas tropicais úmidas. Esses dados são discutidos em Rocha et al. (2002).

F igura 14.2. Variação no tempo das medidas de respi­ ração edáfica no Cerrado Pé-de-G igante entre fevereiro de 2001 e abril de 2002. Os valores são médias diárias por evento de coleta (dia) (com o respectivo desvio-pa­ drão entre as m edidas espaciais nos colares) em pmol C0,.m"2.s ']. 12 11 - 1 0- 9

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Tabela 14.2. Observações de respiração edáfica média utilizando-se câm ara de solo em vários ecossistemas no Brasil. Fontes: (1) Fan et al. (1990); (2) Trum bore et al. (1995); (3) Meir et al. (1996); (4) Davidson et al. (2000; (5) Rocha et al. (2002).

CAPÍTULO 14 193

Ciclo do C arbono |

O padrão de respiração m ostrou-se m uito associa­ do à variação da tem peratura e à um idade do solo. Na transição da estação seca para a chuvosa, o padrão de respiração sugere estar em fase com a elevação da tem ­ p eratura e da umidade. Associado ao aum ento de tem ­ peratura do solo, que variou sazonalm ente entre 15° e 25° C, observou-se um crescim ento, na m esm a fase, das tax as de respiração (Figura 14.3a), ocorrendo o mesmo com a um idade do solo (Figura 14.3b). A sensibilidade à um idade do solo, entretanto, parece tornar-se menos evidente a partir de janeiro. Essa noção de correlação

da respiração com uma variável física é m elhor visu­ alizada nas Figuras 14.4a-b: o padrão com a tem pera­ tura aparece na forma de um ajuste exponencial; com a um idade sugere apenas um a proporcionalidade di­ reta. 0 tipo de solo na Gleba Pé-de-G igante, bastante arenoso, aparenta ser tam bém um condicionante desse padrão. Nos solos arenosos a drenagem é muito rápida, e pouca vezes perm anecem saturados durante longo tempo. A lim itação da aeração e, em conseqüência, da respiração, não ocorreria durante as condições de alta umidade.

F ig u ra 14.3. Medidas de (a) respiração edáfica média (linha verm elha, em pm ol CO ^m ^.s'1) e tem peratura do solo a 1 cm (linha preta, em °C) no Cerrado P é-de-G igante entre fevereiro de 2001 e março de 2002; (b) idem, para a um idade volum étrica do solo a 20 cm (linha preta, em m3.m"3).

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F igura 14.4. Relação entre os valores médios de respiração edáfica média (em pmol C02.m"2.s_1) e (a) tem peratura do solo a 1 cm (em °C), (b) um idade volum étrica do solo a 20 cm (em m3.m~3), no Cerrado Pé-de-G igante entre fevereiro de 2001 e março de 2002.

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194 C APITULO 14 I Ciclo d o C arbono

Fluxo totol

de

C02 no ecossistema

As estações seca e chuvosa durante o ano de 2001 na Gleba Pé-de-G igante foram bem definidas quanto à distribuição de precipitação, tem peratura do ar e um i­ dade do solo (vide Capítulo 4). Esse padrão é fu n d a­ m ental para se entender a variabilidade dos fluxos de carbono no cerrado, tanto na escala do ciclo diurno, como sua variação em alguns períodos específicos do ano. Entre m eados da estação chuvosa até o seu final (Io de fevereiro a 10 de abril), observa-se no ciclo diur­ no um forte contraste da assim ilação durante o dia e da em issão durante a noite (Figura 14.5a). F uncionalm en­ te, esse padrão correlaciona-se com a oferta de energia solar, tem peratura e um idade do ar (Rocha et a l, 2002). Nesse segm ento de dados, observam -se os m áxim os de fixação total entre -10 e -3 0 pm ol C02.m~2.s '1. Por ou­ tro lado, os valores noturnos, ao redor de 5 e 7 pmol. C 02.m"2.s"1, exem plificam tipicam ente como as taxas positivas de emissão ocorrem à noite.

Na transição da estação chuvosa para a seca (abril-junho) (Figura 14.5b), a fixação diurna é redu­ zida (em valores absolutos) substancialm ente, ficando entre « -5 e -1 8 pm ol C 02.m '2.s~1, assim como os v a ­ lores noturnos, abaixo de 5 pm ol C 02. n r 2.s"1. Essa v a ­ riação sazonal vai de encontro ao início da perda das folhas p o r várias espécies da vegetação do cerrado, à redução da tem peratura do ar média diária, à redução das chuvas e, em conseqüência, ao deplecionam ento da um idade do solo. Com o avanço da estação seca (Figura 14.5c), observou-se que o ecossistema ainda fixa um a pequena quantidade de C02 durante o dia, o que seria a resposta de algum as árvores que continuam a fazer fotossíntese, ou seja, folhas verdes ativas em parte das espécies. Observou-se que a evapotranspiração, nessa ocasião, foi de ~ 1 m m .dia"1 (vide Capítulo 4), o que reforça o indício de abertura estom ática em parte das folhas do ecossistema. 0 que se observa no início da es­ tação chuvosa (Figura 14.5d) é um padrão que começa a recuperar aqueles do início do ano (Figura 14.5a).

0 balanço total diário é calculado como a som a dos valores de 30 m inutos para cada dia. Nesse p a­ drão, distingue-se com mais clareza a funcionalidade do ecossistem a como fonte (ou sum idouro) de carbono

para a (ou da) atm osfera na escala anual (Figura 14.6). No período diurno (de 6h às 18h no local), o ecossiste­ m a assim ila durante o dia de forma variável, entre zero (alta estação seca) até 60 kg C.ha"1.dia"1, ao longo de todo o ano. Por outro lado, durante a noite, a emissão varia entre 5 e 20 kg C .h a ^ .d ia '1 na escala anual. Nos balanços diários, que são a som a dos valores noturno e diurno, pode-se, finalm ente, ter um a perspectiva in ­ tegral da sazonalidade dos fluxos. A metodologia de eddy correlation m ostra, em algum as ocasiões, tendên­ cias de superestim ar-se a assimilação total diária por subestim ar os fluxos noturnos, o que requer a aplicação de filtros (Rocha et a l, 2002). Os picos de assimilação diurna da ordem de 60 kg C .h a'1.d ia '1 (Figura 14.6) es­ tão provavelm ente superestim ados em até 20°/o. Rocha

et a l (2002) discutem essa correção e apontam para v a ­

lores mais realistas. Os valores predom inantes durante a estação chuvosa aparecem com m aior freqüência de ocorrência na faixa de 30 kg C.ha"1.d ia '1, que refletem, com m aior realidade, essa com ponente (Figura 14.6). 0 fluxo total, ou troca líquida do ecossistema, dim i­ nui, de form a progressiva, ao longo da estação seca até to rn ar-se sistem aticam ente positivo durante os meses de ju lh o a outubro. Nessa ocasião, as taxas de emissão tam bém são relativam ente variáveis, abaixo de 30 kg C.ha"1.d ia '1.

Conclusões

0 fluxo de carbono no ecossistema é conseqüência do tipo de vegetação e das propriedades fisiológicas em seu próprio mecanism o de fotossíntese (como se dife­ renciam , por exemplo, as plantas C3, C4 e MAC), além da condição em que se encontra o ecossistema (em su­ cessão secundária ou clímax, por exemplo), da v aria­ bilidade clim ática interanual (um ano mais quente ou mais frio do que a média, mais chuvoso ou mais seco - incluindo-se aqui a própria distribuição da chuva ao longo da estação), dos eventos extremos de geada e estiagem, entre outros.

Os dados aqui reportados sugerem alguns aspec­ tos de sazonalidade e funcionalidade do ecossistema, úteis para o entendim ento da funcionalidade ecológica

CAPÍTU1.0 14 195

Ciclo do C arbono

w-Esssfw&i&sissig

F igura 14.5. Medidas de fluxos de C02 (em pm ol C02.m‘2.s''), calculadas como médias de 30 m inutos no sítio expe­ rim ental do Cerrado Pé-de-G igante durante o ano de 2001, nos períodos de (a) 01/02 a 10/04, (b) 11/04 a 15/06, (c)

16/06 a 10/10 e (d) 11/10 a 03/12.

01 Fev-1 0 Abr 11 A br-15 Jun 16Jun~ 10 0 u t 11 0 u t-0 3 Dez

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Figura 14.6. Medidas diárias de fluxos de C02 (em kg C .h a^.d ia'1), calculadas como a som a das médias de 30 m i­ nutos no sítio experim ental do Cerrado P é-de-G igante no período diurno e noturno (gráfico superior) e como totais diários (gráfico inferior) durante o ano de 2001.

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I Ciclo do Carbono

do cerrado no Brasil, particularm ente na Região Su­ deste, onde até então se desconheciam quantificações dessa natureza (Rocha et ah, 2002). Em outras regiões, como no Centro-Oeste, há medidas que indicam um p a­ drão sem elhante de fixação e emissão ao longo do ano (Miranda et a i, 1997, Vourlitis et a l, 2001).

Conhecer o ciclo do carbono no biom a do cer­ rado de forma quantitativa e em com binação com o clima é parte de um a com plexa estratégia de investi­ gação científica. Irá revelar como o cerrado, em suas diversas formas fisionômicas, com porta-se do ponto de vista evolutivo. Em outras palavras, como esse biom a poderia potencialm ente m igrar para outras regiões, em casos de m udanças clim áticas, ou ser substituído por outras formas de vegetação, o que significaria, em ú lti­ m a instância, a questão de sua adaptação e vulnerabili­ dade diante de tantas am eaças trazidas pelo hom em na forma de desm atam ento, além das próprias oscilações naturais do clima.

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