Processos hidrológicos e biogeoquímicos em bacias hidrográficas de floresta estacional semidecidual em Campinas, SP

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS

ÂNGELA CRUZ GUIRAO

PROCESSOS HIDROLÓGICOS E BIOGEOQUÍMICOS EM BACIAS HIDROGRÁFICAS DE FLORESTA ESTACIONAL SEMIDECIDUAL

EM CAMPINAS, SP.

CAMPINAS 2015

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NÚMERO: 264/2015 UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS

ÂNGELA CRUZ GUIRAO

“PROCESSOS HIDROLÓGICOS E BIOGEOQUÍMICOS EM BACIAS HIDROGRÁFICAS DE FLORESTA ESTACIONAL SEMIDECIDUAL

EM CAMPINAS, SP.”

ORIENTADOR: PROF. DR. JOSÉ TEIXEIRA FILHO

TESE DE DOUTORADO APRESENTADA AO INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS DA UNICAMP PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE DOUTORA EM CIÊNCIAS NA ÁREA DE ANÁLISE AMBIENTAL E DINÂMICA TERRITORIAL.

ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELA ALUNA ÂNGELA CRUZ GUIRAO E ORIENTADA PELO PROF. DR. JOSÉ TEIXEIRA FILHO

CAMPINAS 2015

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Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas Biblioteca do Instituto de Geociências Cássia Raquel da Silva - CRB 8/5752

Guirao, Ângela Cruz,

1985-G948p GuiProcessos hidrológicos e biogeoquímicos em bacias hidrográficas de floresta estacional semidecidual em Campinas, SP. / Ângela Cruz Guirao. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.

GuiOrientador: José Teixeira Filho.

GuiTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Geociências.

Gui1. Balanço de nutrientes. 2. Fragmentação florestal. 3. Nitrogênio. 4. Fósforo. 5. Serapilheira. I. Teixeira Filho, José,1955-. II. Universidade Estadual de

Campinas. Instituto de Geociências. III. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Hydrological and biogeochemical process in watersheds a semideciduous mesophytic forest in Campinas, SP.

Palavras-chave em inglês: Nutrients balance Forest fragmentation Nitrogen Phosphorus Litterfall

Área de concentração: Análise Ambiental e Dinâmica Territorial Titulação: Doutora em Ciências

Banca examinadora:

José Teixeira Filho [Orientador] Denis Miguel Roston

Jurandir Zullo Junior André Luiz Lopes da Silva Celso Luiz Borges de Oliveira Data de defesa: 27-02-2015

Programa de Pós-Graduação: Geografia

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Dedico este trabalho ao meu avô Emílio Cruz, pelo privilégio de ser neta e afilhada de um homem educado, paciente, bondoso, gentil, alegre e trabalhador, pelo amor mútuo e incondicional, pela convivência e pelos melhores ensinamentos deixados. Ao meu querido avô, toda minha GRATIDÃO!

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AGRADECIMENTOS

Esta tese é resultado de uma caminhada que iniciou-se há alguns anos, quando compreendi que a floresta deveria ser meu objeto de estudo. Nesta trajetória, tive a honra de ter por perto pessoas especiais que, de formas diferentes, colaboraram para a elaboração deste estudo, com orientações, reflexões, incentivo e convivência.

Sou grata a todos que dispuseram de seu tempo, com bom humor e prazer, para me acompanhar em campo, ouvir meus “dilemas”, por acreditaram em mim e torceram, espontânea e carinhosamente, com palavras de determinação, otimismo e amizade, fortalecendo muito meu caminhar...

Assim, agradeço de antemão a todos que de alguma forma passaram pela minha vida e contribuíram para a construção, não só deste trabalho, mas de quem me tornei.

...em especial....

Ao meu querido orientador Prof. Dr. José Teixeira Filho, por ter me conduzido desde o mestrado, com a calma, firmeza, sutileza, paciência, sabedoria, confiança, sensibilidade e otimismo necessários para a elaboração desta pesquisa.

Ao Sérgio Lopes e Antonio (Pequeno), que com as geniosas invenções tornaram os equipamentos utilizados mais baratos e adequados, estando sempre disponíveis (com excelente humor!) para me auxiliar nas instalações, coletas e armazenamento dos materiais. À Kelly Tonello e Henrique Polly pela disponibilidade e auxílio na manipulação do sensor LAI-2000 e ao Gustavo Barboza, pelo árduo processo de coleta do Índice de Área Foliar.

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Aos funcionários da Fundação José Pedro de Oliveira, que desde o mestrado me ajudaram nos trabalhos de campo, dando o suporte necessário e exercendo um papel fundamental neste trabalho, especialmente: Sabrina, Patrik, Victor, Lais, Cristiano e Cynira.

Aos funcionários da Secretaria de Pós Graduação do IG, presentes em cada etapa, conquista e dificuldades, especialmente Val e Gorete, que realizam suas funções com eficiência e carinho incomum.

Aos professores Antonio Carlos Zuffo e Denis Miguel Roston que participaram da banca de qualificação.

Ao pessoal que realizou as análises laboratoriais de nitrogênio e fósforo fornecendo o suporte necessário: Talita Castanho, Vinícius Gustavo de Jesus, Julyenne Meneghetti Campos, Ana Cristina Zoratto, Gabriela dos Reis.

Ao Técnico Giovani Brota, responsável pelo Laboratório de Saneamento da Faculdade de Engenharia Agrícola, por permitir a realização das análises de nitrogênio e ao Laboratório de Análises de Alimentos da Faculdade de Engenharia de Alimentos, sob a responsabilidade da Profª Dra. Helena Teixeira Godoy, pelas análises do fósforo.

Aos colegas da Secretaria Municipal do Verde, Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável, Vitor Ribeiro, Paulo Ricardo Egidio e Andréa Struchel pela ajuda em determinados assuntos e aos Secretários Valéria Murad Birolli, Hildebrando Herrmann e Rogério Menezes, pela compreensão deles em relação à minha necessidade de dedicação à tese, em suas diversas etapas.

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Quem tem amigos, tem tudo! E de fato aprendi o significado dessa expressão durante esses anos de estudo. Agradeço a cada amigo, que dentro de suas habilidades me ajudaram tanto na elaboração da tese quanto nas angústias do dia-a-dia: Rebeca Barbosa, Fernando Gozzo, Mariana Cisotto, Hélio Almeida, Cezar Capacle, Gabriela Milani, Heloísa Fagundes, Jana Rafaella e Veronilda Ribeiro e Alethea Borsari.

Ao meu amado Léo, sempre companheiro, que realizou as atividades de campo comigo, sempre com observações, ponderações importantes e troca de impressões, pelo apoio e maturidade. Por compreender a importância deste trabalho em si, por compreender a importância deste trabalho em mim.

À minha mãe, pela forma presente e incondicional com que se sempre me acompanhou, tornando possível a concretização deste trabalho. Às minhas avós, Janete e Lúcia, que não viam o momento de eu terminar a tese, para enfim, poder providenciar um bisneto à elas!!

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O que estamos fazendo para as florestas do mundo é

apenas um reflexo do que estamos

fazendo a nós mesmos e uns aos outros.

Mahatma Gandhi

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS

PROCESSOS HIDROLÓGICOS E BIOGEOQUÍMICOS EM BACIAS HIDROGRÁFICAS DE FLORESTA ESTACIONAL SEMIDECIDUAL

EM CAMPINAS, SP.

RESUMO

Tese de Doutorado

Ângela Cruz Guirao

Sob a perspectiva do reflexo das atividades antrópicas na ciclagem de nutrientes em fragmentos florestais, este estudo tem como objetivo analisar os processos hidrológicos e biogeoquímicos nas interfaces atmosfera-planta-solo em duas bacias hidrográficas (B1 e B2) com predominância de cobertura florestal na Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, em Campinas–SP, mas em um contexto urbano-agrícola. Para atingir esse objetivo calculou-se o balanço hídrico das referidas bacias, pelo monitoramento da chuva incidente, chuva interna, interceptação pela serrapilheira e escoamento superficial. Em todas estas parcelas, analisou-se a transferência de N e P. Também foram consideradas as seguintes variáveis: características da vegetação, produção, taxa de decomposição e nutrientes da serrapilheira e o Índice de Área Foliar (IAF). O IAF medido em campo e expandido para as áreas de estudo, foi relacionado às variáveis monitoradas, com uso de ferramenta de geoprocessamento para mudança de escala para as bacias. Os balanços foram determinados nas bacias para o ano de 2013, totalizando 1143 mm de chuva incidente (PI), sendo que a chuva interna da cobertura vegetal (PC) correspondeu em B1 a 77% e a interceptação (IC) a 23% e em B2 a 76% e 24% respectivamente. A chuva interna da serrapilheira (PS) representou 86,8% de PC e a parcela interceptada (IS) pelas folhas mortas a 13,2% em B1. Em B2, a relação entre PS e PC foi de 86,3% e IS correspondeu a 13,7%. O escoamento superficial representou 18% e 15% e as perdas 48,5 e 50% de PI, em B1 e B2 respectivamente. A produção média de serrapilheira foi de 7,93 ton.ha–1.ano–1, tendo seu maior pico em setembro de 2013. A taxa de decomposição (K) obtida para o material foliar foi de 0,7, com o tempo para decomposição de 50% do material estimado em 339 dias e o tempo de renovação em 2,3 anos. A ciclagem de nutrientes pela serrapilheira foi analisada por meio da concentração, transferência anual e Eficiência no Uso do Nutriente. A concentração dos elementos na serrapilheira total anual produzida correspondeu à seguinte ordem decrescente: N>Ca>K>Mg>S>P. A transferência anual dos nutrientes via serrapilheira ao solo foi de 341,2 kg.ha-1ano-1 e o EUN apresentou a sequência P>S>Mg>Ca>K>N. O fluxo de N e P aumentou em relação à chuva incidente, ao passar pelo dossel sendo estimados em 10,2 e 10,3 kg.ha-1.ano-1, respectivamente nas bacias B1 e B2, e N total foi de 37,8 e 38,7 kg.ha-1.ano-1. Na chuva interna da serrapilheira, a contribuição de P em B1

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foi de 14,3 e, em B2,14,4 kg.ha-1.ano-1. Para o N, os valores foram menores que ao passar por PC, 32,5 (B1) e 33 kg.ha-1.ano-1 (B2). A modelagem hidrológica, em função do Índice de Área Foliar mostrou-se uma ferramenta adequada para mudança de escala dos dados obtidos pelos coletores para as bacias hidrográficas, permitindo uma análise e entendimento dos processos biogeoquímico e hidrológico na escala temporal e espacial.

Palavras chaves: Ciclagem de nutrientes, Fragmentação Florestal, Nitrogênio, Fósforo e

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UNIVERSITY OF CAMPINAS INSTITUTE OF GEOSCIENCE

HYDROLOGICAL AND BIOGEOCHEMICAL PROCESS IN WATERSHEDS A SEMIDECIDUOUS MESOPHYTIC FOREST IN CAMPINAS, SP.

ABSTRACT

PhD Thesis

Ângela Cruz Guirao

From the perspective of reflection of human activities on nutrient cycling in forest fragments, this study aims to analyze the hydrological and biogeochemical process in the atmosphere-plant-soil interfaces in two watersheds (B1 and B2), with predominance of forest cover in the Area of Relevant Ecological Interest Mata de Santa Genebra (ARIE MSG), in Campinas (SP, Brazil), focused on an urban-rural context. To achieve the stabilished goal, the water balance of these watersheds was calculated, by monitoring the incident rain, throughfall, interception by litterfall, and runoff. With an analytical aproach, the transfer of N and P was analyzed. The following variables were considered as well: vegetation characteristics, production, decomposition rate and nutrients from the litterfall and the Leaf Area Index (LAI). The LAI, measured in the field and scientifically expanded to the areas of study, was related to the monitored variables, using geoprocessing tools to change the scale for the basis. The balances were determined for the watersheds in 2013, totalizing 1143 mm of rainfall (PI), within the vegetation cover throughfall (PC) corresponding to 77% and the interception (CI) to 23% in B1, and to 76% and 24% respectively in B2. The litterfall throughfall (PS) represented 86,8% of PC and the intercepted portion (IS) by dead leafs, 13.2% in B1. On the other hand, the ratio of PS and PC was of 86.3% and the IS corresponded to 13.7% in B2. The runoff performed 18 and 15% and the losses, 48.5 e 50%, in B1 and B2, respectively. The average production of litterfall was 7.93 ton.ha-1.year-1 and the peak production was observed in September 2013. The decomposition rate (K) obtained for the leaf material was 0.7, with time for decomposing 50% of the material estimated in 339 days and renewal time of leaf material in 2.3 years. The cycling of nutrients by the litterfall was analyzed in terms of concentration, annual transfer and Efficient Use of Nutrient (EUN). The elements concentration in the total annual litterfall produced were concluded to follow a descending order: N>Ca>K>Mg>S>P. The nutrients annual transfer to the ground through litterfall was of 341.2 kg.ha-1.year-1 and the EUN presented the sequence: P>S>Mg>Ca>K>N. The N and P flow increased relatively to incident rain while passing through the canopy, being estimated at 10.2 and 10.3 kg.ha-1.year-1, respectively in the watersheds B1 and B2, and the total N was 37.8 and 38.7 kg.ha-1.year-1. In litterfall throughfall, it was 14.3 in B1 14.4 kg.ha-1.year-1 in B2. To N, the values was minor: 32.5 (B1) e 33 kg.ha-1.year-1 (B2). The

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hydrological modelling based on the Leaf Area Index was proved to be a suitable tool for scaling the data obtained by the watersheds collectors, allowing the assertive analysis and full understanding of biogeochemical and hydrological processes in both time and spatial scales.

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ... 1

2. OBJETIVO ... 7

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 9

3.1. Fluxo hidrológico em florestas ... 9

3.1.1. Chuva incidente ... 11

3.1.2. Chuva interna ... 12

3.1.3. Escoamento pelo tronco ... 14

3.1.4. Interceptação pelo dossel e pela serrapilheira ... 17

3.2. Índices de vegetação ... 22

3.3 Ciclagem de Nutrientes em Florestas ... 27

3.3.1. Ciclagem do Fósforo ... 27

3.3.2. Ciclagem do Nitrogênio ... 43

3.3.3. Interações entre Fósforo e Nitrogênio ... 66

4. ÁREA DE ESTUDO ... 69

5. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 83

5.1. Caracterização da vegetação ... 86

5.1.1. Levantamento bibliográfico ... 86

5.1.2. Índice de Área Foliar ... 86

5.1.3. Produção de serrapilheira ... 89

5.1.4. Decomposição da serrapilheira ... 91

5.2. Monitoramento hidrológico ... 93

5.2.1. Chuva incidente (PI) ... 93

5.2.2. Chuva interna (PC) e interceptação da cobertura vegetal (IC) ... 94

5.2.3. Chuva interna (PS) e Interceptação de chuva da serrapilheira (IS) ... 98

5.2.4. Vazão nas bacias hidrográficas (Q) ... 101

5.2.5. Determinação do balanço hídrico ... 102

5.3. Monitoramento biogeoquímico ... 103

6. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 107

6.1. Caracterização da vegetação ... 107

6.1.1. Levantamento bibliográfico ... 107

6.1.2. Índice de Área Foliar ... 112

6.1.3. Produção de serrapilheira ... 118

6.1.4. Decomposição da serrapilheira ... 134

6.2. Monitoramento hidrológico ... 136

6.2.1. Chuva incidente (PI) ... 136

6.2.2. Chuva interna (PC) e interceptação da cobertura vegetal (IC) ... 141

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6.2.4. Vazão nas bacias hidrográficas (Q) ... 188

6.2.5. Determinação do balanço hídrico ... 188

6.3. Monitoramento biogeoquímico ... 189

6.3.1. Nutrientes na produção de serrapilheira ... 189

6.3.2. Aporte de nutrientes pelo fluxo hídrico ... 216

6.4. Determinação do balanço biogeoquímico (N e P) ... 220

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 227

8. REFERÊNCIAS ... 231

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LISTA DE FIGURAS

1. Distribuição da água da chuva em bacias hidrográficas com cobertura florestal: chuva incidente (PI), chuva interna da cobertura vegetal (PC), interceptação da cobertura vegetal (IC), chuva interna da serrapilheira (PS), interceptação da serrapilheira (IS), escoamento pelo tronco (ET) e escoamento superficial (PE), Vazão (Q). Ilustração: Cezar Capacle.

9

2 Esquema dos complexos eventos que ocorre quando as entradas de N aumentam em uma região com baixa deposição inicialmente de N: processos ecológicos interagem em diferentes escalas temporais e espaciais (DISE, 2011).

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3. Localização: (a) Brasil; (b) Estado de São Paulo; (c) Campinas (d) Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra. Fonte: Própria autora.

69

4. Determinação dos limites das bacias hidrográficas B1 e B2, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Guirao e Teixeira Filho (2011).

72

5. Localização da bacia hidrográfica B1, curso d’água C1, imagens da vegetação da área da nascente, tubulação, aceiro e residências, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Guirao (2010).

73

6. Localização da bacia hidrográfica B2, curso d’água C2, imagens da vegetação, tubulação, aceiro e culturas agrícolas, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Guirao (2010).

74

7. Plano de Informação pedológico, bacias hidrográficas B1 e B2, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Guirao (2010) e Guirao e Teixeira Filho (2011).

77

8. Modelo Digital de Terreno, bacias hidrográficas B1 e B2, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Guirao (2010) e Guirao e Teixeira Filho (2011).

78

9. Plano de Informação clinográfico, bacias hidrográficas B1 e B2, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Guirao (2010) e Guirao e Teixeira Filho (2011).

79

10. Plano de Informação geomorfológico, bacias hidrográficas B1 e B2, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Guirao (2010) e Guirao e Teixeira Filho (2011).

80

11. Plano de Informação do uso e ocupação das bacias hidrográficas B1 e B2, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Guirao (2010) e Guirao e Teixeira Filho (2011).

81

12. Plano de Informação da fragilidade potencial nas bacias hidrográficas B1 e B2, em relação à manutenção da qualidade da água, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas

(22)

(SP). Fonte: Guirao e Teixeira Filho (2011).

13. Equipamentos instalados para análise da qualidade e quantidade da água de chuva em cada etapa do ciclo hidrológico: chuva incidente (PI), chuva interna da cobertura vegetal (PC), chuva interna da serrapilheira (PS), escoamento pelo tronco (ET) e escoamento superficial (PE, Q). Ilustração: Cezar Capacle.

84

14. Monitoramento hidrológico – pontos de coleta: (a) Vista geral da Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP); (b) Curso d’água C2, escoamento superficial; (c) Curso d’água C1, escoamento superficial; (d) Coletores para chuva interna da cobertura vegetal e chuva da serrapilheira. Ponto 1 (Pluviômetro – chuva incidente); Ponto 2 (Reservatórios tipo funil 1 e 2, Reservatórios tipo calha 1, 2 e 3); Ponto 3 (Reservatórios tipo funil 3 e 4, Reservatórios tipo calha 4, 5 e 6); Ponto 4 (Reservatório tipo funil 5 e 6, Reservatórios tipo calha 7 e 8, Redes 5 e 6); Ponto 5 (Reservatórios tipo balde 1 a 5, Litterbags e Redes 3 e 4); Ponto 6 (Reservatórios tipo balde 6 a 10, Litterbags e Redes 1 e 2).Fonte: Própria autora.

85

15. Localização dos pontos para obtenção do Índice de Área Foliar, por meio do sensor LAI-2000, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Própria autora.

87

16. Fluxograma com as etapas para obtenção do Índice de Área Foliar. Fonte: Própria autora.

88 17. Coletores para acúmulo da podução de serrapilheira instalados na

Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Própria autora.

90

18. Litterbags instaladas no solo da Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP), para análise do tempo de decomposição da serrapilheira. Fonte: Própria autora.

91

19. Pluviômetro instalado na Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genera, Campinas (SP). Fonte: Própria autora.

94 20. Reservatório tipo funil: fabricado com galão e funil plástico para

medição da chuva interna da cobertura vegetal, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Própria autora.

95

21. Reservatório tipo calha: fabricado com calha e galão plástico para medição da chuva interna da cobertura vegetal, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Própria autora.

96

22. Interceptores instalados no subsolo da Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP), para coleta de água da chuva que atravessa a serrapilheira. Fonte: Própria autora.

99

23. Régua instalada para monitoramento da altura da cota dos cursos d’água C1 e C2 na, Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Própria autora.

102

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Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Própria autora.

25. Fotografias aéreas da Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP), de 08 de maio de 2009. Fonte: Secretaria Municipal do Verde, Meio Ambiente e Desenvolvimento Sustentável (2010).

107

26. Relação entre o Índice de Área Foliar e o Índice de Vegetação da Diferença Normalizada para 135 pontos de controle da Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra.

112

27. Índice de Área Foliar na Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Própria autora.

113 28. Exemplo de fotografias adquiridas nos pontos para obtenção do

Índice de Área Foliar em campo, no dia 06 de agosto de 2014 na Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP). Fonte: Própria autora.

114

29. Gráficos com a produção de serrapilheira (g/m²) e o Índice de Área Foliar sobre cada coletor instalado na Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra, Campinas (SP).

119

30. Gráfico da relação entre o Índice de Area Foliar e a Produção de Serrapilheira (g/m²) de cada coletor.

120 31. Produção média mensal de serrapilheira nos períodos monitorados

(barras) e chuva incidente (linha) registradas no município de Campinas, em cada período de monitoramento da produção de serrapilheira.

122

32. Produção média mensal de serrapilheira nos períodos monitorados (linha) e média das temperaturas máximas e mínimas registradas no município de Campinas, em cada período de monitoramento.

124

33. Gráfico da relação entre o Índice de Área Foliar e a produção de serrapilheira (g/0,25m²) para o período de 30/10/2013 a 29/11/2013

125 34. Produção de serrapilheira (g) na Bacia Hidrográfica B1 para os

períodos monitorados. Fonte: Própria autora.

127 35. Produção de serrapilheira (g) na Bacia Hidrográfica B2 para os

períodos monitorados. Fonte: Própria autora.

128 36. Período de menor produção de serrapilheira (g): 06/03/14 a 26/03/13

na bacia hidrográfica B1.

129 37. Período de maior produção de serrapilheira (g): 27/08/13 a 03/10/13

130 38. Período de menor produção de serrapilheira (g): 06/03/14 a 26/03/13

131 39. Período de maior produção de serrapilheira (g): 27/08/13 a 03/10/13

132 40. Precipitação incidente (mm) mensal, para o período de estudo:

10/07/12 a 14/01/14, em Campinas (SP). Fonte: Estação Meteorológica do Instituto Agronômico de Campinas.

135

41. Chuva incidente total (mm) anual para o período de 2003 a 2013 no município de Campinas (SP). Fonte: CIIAGRO.

(24)

42. Chuva incidente média (mm) mensal para o período de janeiro a dezembro de 2013 no município de Campinas (barras). Os círculos pretos representam as médias mensais históricas e as linhas representam os respectivos desvios-padrão no período de janeiro a dezembro de 2003 a 2013. Fonte: CIIAGRO.

137

43. Chuva incidente (mm) distribuída nos intervalos entre cada coleta de chuva interna da cobertura vegetal e da serrapilheira.

138 44. Histograma da chuva interna da cobertura vegetal expressa em altura

(mm).

142 45. Relação entre a altura da chuva incidente (PI) e da interna (PC) (mm) 143 46. Modelo individual gerado para a relação entre a chuva incidente e a

chuva interna do Reservatório Tipo Funil 6 (F6).

143 47. Gráfico da chuva interna média da cobertura vegetal (mm) obtida

pelos reservatórios tipos funil e calha (barras) com o respectivo valor do Índice de Área Foliar (linha).

144

48. Gráfico da relação entre o coeficiente angular dos modelos individuais e o respectivo Índice de Área Foliar – modelo geral. 145 49. Gráfico da relação entre a chuva interna observada e a chuva interna

simulada: modelo geral. A linha tracejada refere-se ao ajuste ideal.

145 50. Gráfico da relação entre a chuva incidente do período de

monitoramento, chuva interna total observada nas coletas, e as chuvas obtidas em cada reservatório pela aplicação dos modelos individuais e geral.

146

51. Gráficos da distribuição da chuva em cada período de monitoramento (Tabela 9): chuva incidente (PI), chuva interna (PC) e interceptação (IC) da cobertura vegetal.

148

52. Chuva interna da cobertura vegetal (PC) e interceptação da cobertura vegetal (IC) deste estudo (barras). Os círculos pretos representam as médias obtidas de estudos realizados em florestas brasileiras (Florestas Estacionais Semideciduais, Florestas Deciduais, Florestas Ombrófilas Densas, Florestas Ombrofilas Mistas e Floresta Amazônica). As linhas representam desvios-padrão obtidos nos demais estudos.

149

53. Chuva interna da cobertura vegetal na Bacia Hidrográfica B1 para 10 períodos entre 10/07/2012 e 11/11/2012. Fonte: Própria autora.

152 54. Chuva interna da cobertura vegetal na Bacia Hidrográfica B1 para 10

períodos entre 11/11/2012 e 27/01/2013. Fonte: Própria autora.

períodos entre 01/06/2013 a 14/01/2014. Fonte: Própria autora.

157 59. Chuva interna da cobertura vegetal na Bacia Hidrográfica B2 para 10 158

(25)

60. Chuva interna da cobertura vegetal na Bacia Hidrográfica B2 para 10 períodos entre 01/06/2013 a 14/01/2014. Fonte: Própria autora.

159 61. Interceptação da chuva interna da cobertura vegetal na Bacia

Hidrográfica B1 para 10 períodos entre 10/07/2012 e 11/11/2012. Fonte: Própria autora.

160

62. Interceptação da chuva interna da cobertura vegetal na Bacia Hidrográfica B1 para 10 períodos entre 11/11/2012 e 27/01/2013. Fonte: Própria autora.

161

162

64. Interceptação da chuva interna da cobertura vegetal na Bacia Hidrográfica B1 para 10 períodos entre 01/06/2013 a 14/01/2014. Fonte: Própria autora.

163

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167

69. Histograma da chuva interna da serrapilheira expressa em altura (mm).

168 70. Relação entre a altura da chuva incidente e da interna da serrapilheira

(mm).

169 71. Relação entre a altura das chuvas interna da cobertura vegetal e da

serrapilheira (mm).

169 72. Modelo individual gerado para a relação entre a chuva incidente e a

chuva interna do Reservatório Tipo Balde 5 (B5).

170 73. Gráfico da chuva interna média da serrapilheira (mm) obtida nos

reservatórios tipo balde (barras) com o respectivo valor do Índice de Área Foliar (linha).

171

74. Gráfico da relação entre o Coeficiente Angular dos Modelos Individuais e o respectivo Índice de Área Foliar – Modelo Geral. 171 75. Gráfico da relação entre a chuva incidente do período de

monitoramento, chuva interna média da cobertura vegetal, chuva interna total da serrapilheira observada nas coletas, e as chuvas obtidas em cada reservatório pela aplicação dos Modelos Individuais e Geral.

172

(26)

77. Chuva interna da serrapilheira na Bacia Hidrográfica B1 para 10 períodos entre 27/01/2013 e 01/06/2013. Fonte: Própria autora.

176 78. Chuva interna da serrapilheira na Bacia Hidrográfica B1 para 10

180 82. Interceptação da serrapilheira na Bacia Hidrográfica B1 para 10

186 88. Valores das parcelas referentes ao balanço hídrico das bacias

hidrográficas B1 e B2: chuva incidente (PI); perdas por transpiração e ou por outros fatores (ΔP + TR); interceptação da cobertura vegetal (IC) e da serrapilheira (IS); escoamento superficial (ES).

188

89. Gráfico com os teores totais de cada nutriente por coletor de acúmulo de serrapilhera.

189 90. Porcentagem de nutrientes na serrapilheira por coletor (rede). 190 91. Gráficos da distribuição (g/kg) de cada nutriente nos coletores (rede).

A linha contínua representa os valores médios.

191 92. Gráfico da concentração de nutriente (g/kg) por mês (período entre as

coletas) relacionado à precipitação incidente (mm).

192 93. Gráfico da concentração de nutriente (g/kg) por mês (período entre as

coletas) relacionado à temperatura média (ºC).

194 94. Transferência anual (%) dos nutrientes N, Ca, K, Mg, S e P via

serrapilheira ao solo.

195 95. Transferência de nutrientes (kg.ha-1.ano-1) deste estudo (barras). Os

círculos pretos representam as médias obtidas de estudos realizados em florestas brasileiras (Florestas Estacionais Semideciduais, Florestas Deciduais, Florestas Ombrófilas Densas, Florestas Ombrofilas Mistras e Floresta Amazônica). As linhas representam desvios-padrão das concentrações obtidas nos demais estudos.

196

96. Gráfico da concentração de nutriente (kg/ha) por mês (período entre as coletas) relacionado à precipitação incidente (mm).

(27)

97. Gráfico da Eficiência no Uso de Nutrientes (EUN) de N, K e P deste estudo (barras). Os círculos pretos representam as médias obtidas de estudos realizados em Florestas Estacionais Semideciduais. As linhas representam desvios-padrão das concentrações obtidas nos demais estudos.

200

98. Quantidade de cálcio (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B1 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

203

99. Quantidade de cálcio (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B2 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

204

100. Quantidade de enxofre (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B1 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

205

101. Quantidade de enxofre (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B2 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

206

102. Quantidade de fósforo (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B1 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

207

103. Quantidade de fósforo (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B2 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

208

104. Quantidade de magnésio (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B1 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

209

105. Quantidade de magnésio (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B2 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

210

106. Quantidade de nitrogênio (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B1 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

211

107. Quantidade de nitrogênio (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B1 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

212

108. Quantidade de potássio (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B1 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

213

109. Quantidade de potássio (mg) na serrapilheira na Bacia Hidrográfica B2 para os períodos entre 25/03/2013 a 27/01/2014. Fonte: Própria autora.

214

110. Diagrama de caixas da concentração de P total (mg/l) na chuva interna da cobertura vegetal (PI) e na chuva interna da cobertura vegetal (PS) nas bacias hidrográficas B1 e B2. A linha horizontal dentro das caixas representa a mediana, as linhas horizontais das caixas representam o primeiro e terceiro quartil, e as barras verticais

(28)

os valores máximos e mínimos.

111. Diagrama de caixas da concentração de NO2- (mg/l) na chuva interna

da cobertura vegetal (PI) e na chuva interna da cobertura vegetal (PS) nas bacias hidrográficas B1 e B2. A linha horizontal dentro das caixas representa a mediana, as linhas horizontais das caixas representam o primeiro e terceiro quartil, e as barras verticais os valores máximos e mínimos.

216

112. Diagrama de caixas da concentração de NO3- (mg/l) na chuva interna

217

113. Diagrama de caixas da concentração de NH4+ (mg/l) na chuva interna

(29)

LISTA DE TABELAS

1. Estudos sobre interceptação em florestas brasileiras por diferentes fitofisionomias.

20 2. Tipos de solos, classes geomorfológicas, uso e ocupação do solo e

classes de fragilidade potencial, em relação à manutenção da qualidade da água identificadas nas bacias hidrográficas B1 e B2, com as respectiva porcentagem em relação a área total de cada bacia.

76

3. Área (m²) dos coletores para acúmulo da produção de serrapilheira. 89 4. Exemplo da relação entre o valor do Índice de Área Foliar obtido em

campo para determinados pontos e o Índice de Vegetação da Diferença Normalizada calculado por geoprocessamento para cada pixel da imagem do satélite do respectivo ponto.

112

5. Dados do Índice de Área Foliar obtidos para diferentes fragmentos florestais.

116 6. Período entre as coletas e peso seco (g/m²) obtido em cada coletor

(dp = desvio padrão; cv = coeficiente de variação).

118 7. Produção de serrapilheira (ton.ha-1.ano-1) em florestas estacionais

semideciduais brasileiras.

121 8. Coeficiente de correlação de Pearson, para as variáveis comparadas

(chuva incidente, média das temperaturas máximas e mínimas) com a produção de serrapilheira.

123

9. Percentuais médios de decomposição da serrapilheira em diferentes períodos.

133 10. Características referentes ao número de dias do período de estudo,

número de dias com e sem chuva, volume acumulado de chuva no período (PI), volume máximo por período (Pmax - 20 minutos).

139

11. Percentuais de chuva interna observada nos reservatórios tipo funil e tipo calha, em relação à chuva incidente do período correspondente (Tabela 9).

141

12. Valores (mm e porcentagem) da chuva interna e interceptação pela cobertura vegetal no período de 10/07/2012 a 14/01/2014.

147 13. Valores (mm e porcentagem) da chuva interna e interceptação pela

cobertura vegetal no período de 10/07/2012 a 14/01/2014 para as bacias hidrográficas B1 e B2.

151

14. Valores (mm e porcentagem) da Chuva interna e interceptação pela serrapilheira no período de 10/07/2012 a 14/01/2014 para as bacias hidrográficas B1 e B2.

173

15. Valores (mm e porcentagem) da Chuva interna e interceptação pela cobertura vegetal no período de 11/11/2012 a 14/01/2014.

174 16. Concentração dos nutrientes (g/kg) a cada período de

monitoramento. Valores destacados referem-se às concentrações máximas de cada elemento.

193

17. Eficiência no Uso de Nutrientes (EUN) obtidos na ARIE Mata de Santa Genebra, Campinas-SP.

(30)

18. Quantidade mínimas e máximas de transferência de nutrientes via serrapilheira ao solo (mg) obtidos nas bacias hidrográficas B1 e B2 na ARIE Mata de Santa Genebra, Campinas-SP.

201

19. Transferência de nutrientes via serrapilheira ao solo (kg.ha-1.ano-1) obtidos na ARIE Mata de Santa Genebra, Campinas-SP.

202 20. Concentrações médias de NO2-, NO3- e NH4+ (mg/l) na chuva interna

da cobertura vegetal e da serrapilheira.

218 21. Fluxos médios (kg.ha-1.ano-1) de P, NO2-, NO3- e NH4+ (mg/l) na chuva

interna da cobertura vegetal e da serrapilheira

218 22. Fluxo de N e P (kg.ha-1.ano-1) na serrapilheira, chuva interna da

cobertura vegetal e da serrapilheira.

(31)

LISTA DE ABREVIATURAS

AC Área de captação do pluviômetro

ARIE Área de Relevante Interesse Ecológico ARN Atividade de redutase de nitrito foliar

C Carbono

Ca Cálcio

CEPAGRI Centro de Pesquisas Meteorológicas e Climáticas Aplicadas à Agricultura

CIIAGRO Centro Integrado de Informações Agrometeorológicas

CONDEPACC Conselho de Defesa do Patrimônio Artístico Cultural de Campinas

CONDEPHAAT Conselho de Defesa do Patrimônio Histórico, Artístico, Arqueológico e Turístico do Estado de São Paulo

EUN Eficiência no Uso de Nutrientes

FJPO Fundação José Pedro de Oliveira

IAC Instituto Agronômico de Campinas

IAF Índice de Área Foliar

IC Interceptação da cobertura vegetal

INI Iniciativa Internacional sobre o Nitrogênio

IS Interceptação da serrapilheira

K Potássio

K(t) Porcentagem do material da litter bag remanescente do processo de decomposição entre o período determinado Mlb (t) Material da litterbag coletado em determinada data Mlb (t0) Material da litterbag no tempo inicial

Mg Magnésio

N Nitrogênio

NDVI Índice de Vegetação da Diferença Normalizada

NPP Produtividade Primária Líquida

P Fósforo

PE Escoamento superficial – altura

PI Chuva incidente

(32)

PMC Prefeitura Municipal de Campinas

PQ Lâmina de água da vazão das bacias hidrográficas

PT Perdas por transpiração

PS Chuva interna da serrapilheria

PSp Percentual de interceptação da serrapilheria em relação a chuva interna

Q Vazão das bacias hidrográficas

S Enxofre

VC Volume medido coletado nos reservatórios da chuva interna da cobertura vegetal

VL Volume de água drenada

VS Volume de água armazenado drenado da serrapilheira

TR Lâmina de perda por transpiração

ΔMlb (t) Variação da massa seca da litterbag no intervalo de t a t0

(33)

1. INTRODUÇÃO

Os ecossistemas florestais possuem estreita relação com os processos hidrológicos, uma vez que influenciam o balanço hídrico e os ciclos biogeoquímicos das bacias hidrográficas (LIMA, 1986; TUCCI, 2004; BRUIJNZEEL, 1991).

O balanço hídrico pode ser contabilizado por meio de cada etapa do ciclo hidrológico, permitindo o entendimento da dinâmica de uma dada bacia hidrográfica e dos fatores que o influenciam. O balanço hídrico envolve basicamente as entradas e saídas da água no sistema e permite avaliar a variação no tempo da quantidade de água armazenada (superficial e subterrânea) e dos respectivos fluxos (HEWLETT, 1982). As possíveis entradas de água no sistema incluem precipitação, orvalho e ascensão capilar; enquanto as possíveis saídas incluem evapotranspiração, escoamento superficial, escoamento subsuperficial e escoamento de base (CARDOSO et al., 2006).

A vegetação interfere na dinâmica do balanço hídrico, por meio dos processos de interceptação, precipitação interna, escoamento pelo tronco e fluxos de água no solo. A floresta não afeta necessariamente a precipitação sobre a área, mas a precipitação oculta (orvalho, condensação e neblina) que respinga das folhas e contribuem para a redistribuição da precipitação sobre a floresta (BALBINOT et al., 2008). O dossel, a vegetação herbácea e a serrapilheira formam uma barreira entre a atmosfera e o solo, interceptando a água da chuva, diminuindo seu impacto no solo e regulando a quantidade de água e o tempo de infiltração no solo (ARCOVA e CICCO, 1997; OLIVEIRA JÚNIOR e DIAS, 2005).

A parcela da chuva retida temporariamente no dossel e evaporada posteriormente para atmosfera caracteriza-se como interceptação e constitui um dos fatores de maior importância no estabelecimento do balanço hídrico. A parcela da chuva que atravessa o dossel e atinge o solo, passando ainda pelos troncos das árvores e serrapilheira, é denominada chuva interna, e a diferença entre estas etapas é, portanto, a chuva efetiva (ARCOVA et al., 2003).

(34)

Os ciclos biogeoquímicos de elementos ecologicamente importantes, como o carbono (C), nitrogênio (N), fósforo (P) e enxofre (S), por sua vez, também são influenciados pelas interações entre as florestas e os processos hidrológicos que ocorrem na bacia hidrográfica (VINK et al., 2007; HARRIS, 2001), enfatizando a presença de uma relação interdependente dos processos hidrológicos e biogeoquímicos (DEPETRIS et al., 2005; KENNEN et al., 2008; OCAMPO et al., 2006).

A ciclagem biogeoquímica é responsável por parte do capital de nutrientes em um ecossistema florestal, envolvendo um processo dinâmico de armazenamento e liberação contínua, absorção de nutrientes entre o solo e a planta e acumulação dos nutrientes na biomassa em regiões distintas das plantas, onde as perdas excessivas de nutrientes por lixiviação e por erosão podem influenciar não apenas a produtividade da área, como também a qualidade da água produzida pela bacia hidrográfica (LIMA, 2008; BOEGER et al., 2005).

As florestas tropicais, caracterizadas pelo alto número de espécies arbóreas, são importantes para a regulação dos ciclos biogeoquímicos, principalmente por serem reservatórios de C, N, P e água (CLEVELAND et al., 1999; BONAN, 2008). A variedade de espécies implica em uma alta heterogeneidade biogeoquímica, com variações acentuadas nas razões C:N:P (TOWNSEND et al., 2007), que envolve grandes quantidades de N estocadas no solo e na vegetação e trocas intensas deste nutriente com a atmosfera (DAVIDSON et al., 2007; HEDIN et al., 2003; HOULTON et al., 2006; MARTINELLI et al., 1999).

Neste sentido, pesquisas vêm sendo desenvolvidas nas regiões tropicais, objetivando aprimorar os conhecimentos sobre a dinâmica dos nutrientes nesses ambientes, bem como buscar informações que auxiliem o estabelecimento de práticas de manejo florestal (SOUZA e DAVIDE, 2001), uma vez que ainda não há conhecimento suficiente sobre o funcionamento da floresta, no que se refere aos ciclos hidrológicos e biogeoquímicos (VILLELA et al., 2012).

A chuva e as deposições atmosféricas secas, como partículas transportadas pelo ar e vapor contribuem de maneira significativa às necessidades

(35)

nutricionais destas florestas, estuários e águas costeiras (OKIN et al., 2004; ARTAXO et al., 2005; ARTAXO et al., 2002; HE et al., 2011). Intemperismo geológico, fixação biológica do N e fertilização também são importantes fontes de entrada de nutrientes. Já as saídas incluem lixiviação, erosão hídrica e eólica, volatilização pelas queimadas ou pela desnitrificação, além de eliminação pelas colheitas (VITAL et al., 1999). Nas florestas tropicais úmidas, por exemplo, os ciclos biogeoquímicos estão fortemente relacionados às chuvas, influenciando a entrada de nutrientes na serrapilheira e as taxas de decomposição e liberação (BRANDO et al., 2008).

Fatores como as propriedades do solo, geologia, geomorfologia, condições climáticas, tipo de vegetação e localização do ecossistema em relação ao mar e regiões industriais, quantidade e frequência das chuvas influenciam as quantidades de entrada e saída de nutrientes anualmente por um ecossistema (TOBÓN MARIN et al., 2000; CALDATO, 2011; TOBÓN et al., 2004; PEREZ-MARIN e MENEZES, 2008; NAIR, 2006; VINK et al., 2007). A temperatura e altitude também têm forte influência sobre os ciclos biogeoquímicos. Estudos mostram que as florestas tropicais apresentam diminuição na estatura, na biomassa e produtividade primária líquida acima do solo, no aporte de nutrientes da serrapilheira, na taxa de decomposição e na concentração de nitrogênio do solo com o aumento da altitude e diminuição da temperatura (SAITER et al., 2009).

Nos ecossistemas florestais, o fluxo de nutrientes depende da quantidade e distribuição do conteúdo químico pelas diferentes formas de chuva e drenagem e também dos processos de interceptação, chuva interna, escoamento pelo tronco, lixiviação, decomposição, exportação e mineralização (GERRITS et al., 2007; PARRON et al., 2011; GERMER et al., 2007; PALLARDY, 2008).

De modo geral, a concentração de nutrientes da água que chega ao solo, após a chuva interna, é maior do que a concentração de nutrientes da chuva antes de passar pelas partes aéreas da vegetação, quando ocorre a lixiviação de metabólitos dos tecidos das folhas, troncos e ramos e também da lavagem de partículas provenientes da deposição atmosférica (PALLARDY, 2008; OZIEGBE et

(36)

al., 2011). Ou seja, o dossel possui um papel relevante na ciclagem de nutrientes (PRESCOTT, 2002; CHIWA et al.; 2004, TOBÓN et al., 2004), bem como contribui com a entrada de material senescente (folhas, galhos e raízes), via serrapilheira, que após o processo de decomposição, disponibiliza matéria orgânica dissolvida e minerais ao solo e consequentemente disponibilização para as plantas. Pesquisas têm dado atenção à função da serrapilheira, dentre eles, destacam-se: Aidar e Joly, 2003; Pagano e Durigan, 2004; Don e Kalbitz, 2005; Vitalet al., 2004; Selle, 2007; Alves et al., 2006; Arato et al., 2003; Pinto e Marques, 2003; Chagas e Rezende, 2006; Domingos et al., 1997; Paula et al., 2009; Lin et al., 2011; Scheer, 2008, que serão discutidos ao longo da tese.

Os principais nutrientes para o crescimento e manutenção dos ecossistemas florestais são o N e P (CHEN et al., 2007; SCHLESINGER, 1997; CUNHA et al., 2009), por serem limitantes da produção primária (ZHU e CARREIRO, 2004; REN et al., 2011; VITOUSEK e FARRINGTON, 1997).

Nas bacias com cobertura florestal, devido à maior infiltração da água, ao reduzido impacto da água no solo e ao menor escoamento superficial, as transferências de sedimentos durante as chuvas aos cursos d’água são mínimas e a condução de P, por exemplo, ocorre em sincronia às necessidades das populações de macro e microrganismos aquáticos, além da contribuição da floresta na diluição das concentrações de sedimento e P no deflúvio superficial (REYNOLDS e DAVIES, 2001). Geralmente, a ocupação por matas e florestas representa uma baixa carga de P, baixa concentração de algas e pouco assoreamento em lagos ou reservatórios (OLIVEIRA et al., 2007).

No entanto, em florestas tropicais maduras, comumente encontradas em solos altamente intemperizados com esgotamento de P mineral, a carência na disponibilização de P para as plantas leva à limitação deste nutriente em muitas florestas, especialmente nas regiões neotropicais. Nestas situações a floresta se sustenta a longo prazo com o P oriundo das entradas atmosféricas (úmida e seca), que contribuem para a suplementação da disponibilização do nutriente às plantas (DeLONGE et al., 2008; CHADWICK et al., 1999; OKIN et al., 2004; ARTAXO et al., 2005).

(37)

Assim como o P, o N está intimamente relacionado à disponibilidade de água no ecossistema. No entanto, a entrada deste nutriente nos ecossistemas terrestres ocorre também pela fixação biológica por microrganismos do solo (VITOUSEK et al., 2002). Estes mecanismos podem ocorrer livres, apresentando fixação variando de 3 a 6 kg.ha-1.ano-1 ou em associação com as raízes de algumas plantas superiores, cujo processo de fixação pode resultar em até 350 kg. ha-1.ano-1 (RAVEN et al., 1996).

O N é encontrado na matéria orgânica do solo em forma de proteínas, aminoácidos, ácidos nucléicos e nucleotídeos, e são transformados em compostos simples pelas bactérias saprófitas e fungos, sendo o excesso liberado em forma de íons amônio, processo denominado amonificação. Na nitrificação, os íons amônio ou a amônia podem ser adsorvidos nos minerais de argila do solo ou serem oxidados a nitrito, que por meio de bactérias quimiossintetizantes, são novamente oxidados a nitrato. Em relação à saída de N do ecossistema, a principal fonte é a remoção de plantas ou da camada superior do solo, a volatização do amônio do solo, a lixiviação do nitrito e do nitrato, a redução do nitrato por organismos do solo e a desnitrificação (RAVEN et al., 1996).

Contudo, práticas agrícolas, urbanização e industrialização modificam os ciclos biogeoquímicos de N e P em nível regional e global (DOWNINGet al., 1999; FILOSO et al., 2006; MOSIER et al., 2002; SOLOMON et al., 2007; VINK et al., 2007; QUEVEDO e PAGANINI, 2011; SMILL, 2000; BIGGSet al., 2004), levando a diversos impactos nos ecossistemas naturais, que envolvem desde a eutrofização, saturação do solo, aumento de espécies exóticas e invasoras, desequilíbrios nutricionais das plantas, alteração da fenologia de algumas espécies, impacto em outros ciclos biogeoquímicos, principalmente no do C, até a perda da biodiversidade e decadência da floresta (REED et al., 2011; BENNETT et al., 2001; ABER et al., 1998, 2003; FENN et al., 1998).

Neste sentido, parte-se da hipótese de que o reflexo das atividades antrópicas nos ciclos biogeoquímicos altera a ciclagem de nutrientes como o P e o N nos ecossistemas florestais, levando a impactos nas vias hidrológicas e na

(38)

qualidade da água e também na biodiversidade e mudanças na fisionomia destas paisagens.

Para isso, foram analisados os processos biogeoquímicos do N e P em bacias hidrográficas florestadas, identificando as transferências destes nutrientes em cada etapa do ciclo hidrológico na floresta, por meio de análises qualitativas e quantitativas da água da chuva e monitoramento hidrológico da serrapilheira.

Como área de estudo optou-se pela Área de Relevante Interesse Ecológico Mata de Santa Genebra por ser o maior fragmento de Mata Atlântica do município de Campinas, protegido na forma de Unidade de Conservação, inserido em um contexto predominantemente urbano, mas com cultivos agrícolas em seu entorno, e por ter sido objeto de pesquisa anterior, permitindo avanços no entendimento sobre a dinâmica hidrológica e de nutrientes desta floresta.

(39)

2. OBJETIVO

Analisar os processos hidrológicos e biogeoquímicos nas interfaces atmosfera-planta-solo presentes na água da chuva e serrapilheira em duas bacias hidrográficas de floresta estacional semidecidual influenciada por atividades antrópicas urbano-rural. Para tanto, consistem em objetivos específicos:

 Caracterizar a vegetação da área de estudo a partir de levantamento bibliográfico, do Índice de Área Foliar, da produção e decomposição de serrapilheira;

 Calcular o balanço hídrico a partir do monitoramento da chuva incidente, da chuva interna da cobertura vegetal, da interceptação da chuva pela cobertura vegetal, da chuva interna da serrapilheira, da interceptação da chuva pela serrapilheira e da vazão;

 Quantificar os fluxos de nutrientes nos principais fluxos hidrológicos (N e P) na floresta e serrapilheira (N, P, K, Na, S e Mg);

 Mudar a escala dos pontos de monitoramento hidrológico e biogeoquímico para as bacias hidrográficas, a partir dos dados coletados e simulações baseadas no Índice de Área Foliar, por meio de técnicas de geoprocessamento.

(40)

(41)

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1. Fluxo hidrológico em florestas

Os processos físicos que controlam a distribuição e o movimento de água no sistema atmosfera-planta-solo são melhores compreendidos se descritos pelo ciclo hidrológico (TUCCI, 2004). O ciclo hidrológico consiste de um fenômeno global de circulação fechada da água em seus estados sólido, líquido e gasoso, entre a superfície terrestre e a atmosfera, que envolve diversos processos físicos, como a condensação, precipitação, evapotranspiração, infiltração, percolação e escoamentos superficial e subterrâneo, impulsionado fundamentalmente pela energia solar associada à gravidade e à rotação terrestre (SILVEIRA, 1997; KOBIYAMA, 1999).

No contexto do ciclo hidrológico, as florestas possuem um papel importante na partição das chuvas, que afeta o equilíbrio da água em escala local devido ao controle que os dosséis exercem, modificando a evaporação e a redistribuição da chuva incidente (LLORENS e DOMINGO, 2007). A cobertura vegetal redistribui a água da chuva, formando um sistema de amortecimento, direcionamento e retenção das gotas que chegam ao solo, afetando a dinâmica do escoamento superficial e os processos de infiltração, percolação e armazenamento de água (OLIVEIRA JÚNIOR e DIAS, 2005).

Essa importante relação entre o ciclo hidrológico e as florestas pode ser reconhecida pelo desempenho que a cobertura vegetal possui na formação de novas massas atmosféricas úmidas por meio das perdas por interceptação pelo dossel. Essa retenção contribui para a precipitação, infiltração, percolação e armazenamento da água e participação da vegetação herbácea e da matéria orgânica sobre o solo, atuando na dissipação da energia cinética das gotas das chuvas, reduzindo a erosão e atenuando as vazões máximas (PINTO, 2011).

A Figura 1 ilustra cada etapa do balanço hídrico em uma bacia hidrográfica com floresta.

(42)

Figura 1. Distribuição da água da chuva em bacias hidrográficas com cobertura florestal: chuva incidente (PI), chuva interna da cobertura vegetal (PC), interceptação da cobertura vegetal (IC), chuva interna da serrapilheira (PS), interceptação da serrapilheira (IS), escoamento pelo tronco (ET), escoamento superficial (PE), vazão (Q). Ilustração: Cezar Capacle.

As bacias hidrográficas constituídas por florestas apresentam maior taxa de infiltração em comparação com aquelas que sofreram alteração no uso da terra, devido à melhor estrutura e porosidade, em função da penetração das raízes, da presença de maior número de microrganismos e da presença da serrapilheira que forma uma manta estabilizadora e absorve mais rapidamente a precipitação (BITTENCOURT, 2000).

O conhecimento do comportamento e a contabilização de cada processo físico do ciclo hidrológico se dá pelo balanço hídrico, possibilitando identificar a dinâmica da bacia hidrográfica e seus fatores de influência. Em bacias hidrográficas com cobertura florestal, o balanço hídrico é influenciado pela estrutura das árvores, formato e densidade do dossel, área foliar, estrutura da casca dos troncos e pela fisionomia das plantas, cujos fatores são considerados

(43)

chaves na determinação da capacidade de armazenamento da água no dossel, afetando a interceptação das chuvas e os demais componentes do balanço hídrico (FERREIRA et al., 2005; MOURA et al., 2009).

3.1.1. Chuva incidente

A chuva incidente é a parcela da chuva que cai sobre a bacia hidrográfica, e geralmente é medida por meio de pluviômetros instalados em uma área aberta ou nas proximidades da área de estudo, utilizando-se da equação 1.

P = (V/A) * 10

Equação 1

Onde: P - precipitação em aberto (mm); V - volume do pluviômetro (ml); A - área de captação do pluviômetro (cm²).

Tonello et al. (2014), para obter maior precisão no monitoramento da chuva em aberto, instalou um pluviômetro próximo de cada formação florestal que estava sendo estudada, a 1,5 m da superfície do terreno, eliminando qualquer barreira que influenciasse a captação de água da chuva. Shinzato et al. (2011), utilizou três pluviômetros instalados próximos às áreas de estudos em local aberto, com leitura a partir das oito horas da manhã após cada evento de chuva.

Os dados de chuva incidente foram obtidos por Carvalho et al. (2013) com a instalação de um pluviômetro acima da copa das árvores. Estes pluviômetros de formato cilíndrico com área de captação de 162 cm² foram instalados com barras de cano de ferro galvanizado, que fixados no tronco das árvores, mantinham o pluviômetro acima das copas das árvores. Este pluviômetro conectava-se a uma mangueira para transporte da água captada a um reservatório na superfície, para armazenamento e leitura. Acima do dossel, Alves et al. (2007) e Izidio et al., (2013) também instalaram pluviômetros para medição da chuva incidente fabricados com um cano de PVC com área de captação de 167cm². Ferreira et al. (2005) utilizou dois pluviômetros, constituídos de um funil

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captador com 245 mm de diâmetro de boca e de um reservatório de água de 20 litros de capacidade. Utilizando um pluviômetro automatizado com registro de chuvas a cada cinco minutos, Park e Cameron (2008) mediram em aberto a chuva incidente.

De acordo com o levantamento de Llorens e Domingo (2007) sobre estudos de interceptação no Mediterrâneo europeu, a chuva incidente normalmente é medida por funis esvaziados manualmente (52%), por pluviômetros com gravação automática (9%), ou uma combinação de ambos (28%). A área do coletor varia entre 80 e 880 cm², e são utilizados entre um e 50 pluviômetros por área de estudo, instalados acima do solo, em clareiras. Apenas 8% dos estudos instalaram os equipamentos acima do dossel.

3.1.2. Chuva interna

Quando a chuva incidente atinge o dossel da floresta, parte dela é interceptada e armazenada pela vegetação e evaporada durante ou após o evento de chuva; outra parte cai livremente sobre o solo, sem interferência da vegetação, ou depois de ser interceptada e gotejar; e a terceira parte alcança o solo escoando pelos troncos e pela serrapilheira, após ser interceptada (GIGLIO e KOBYAMA, 2013). A parcela não evaporada que passa pelo dossel da floresta é considerada chuva interna.

A chuva interna alcança maiores médias e com menor desvio padrão sob aberturas na copa, sendo que pontos com alto índice de abertura da copa originam altos valores de chuva interna, mas pontos com baixo índice de abertura da copa têm distribuição dos valores de chuva interna bastante esparsa, indicando que a abertura da copa não é o único fator que influência esse processo. A distribuição espacial da chuva interna é regulada por mecanismos em diferentes escalas, que variam do tamanho de copas individuais até o tamanho de clareiras presentes na vegetação (KONISHI et al., 2006).

Horton (1919) desenvolveu o primeiro trabalho de monitoramento da chuva interna, utilizando recipientes de aço galvanizado com 43 cm de diâmetro e 12,7 cm de profundidades, com uma mangueira saindo de seu fundo e inserida em

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uma garrafa de vidro para armazenamento da água coletada. Instalou um coletor embaixo de cada árvore estudada, posicionados no ponto médio entre tronco e periferia da copa; em algumas árvores instalou também um coletor adicional, idêntico ao anterior, mas posicionado na periferia da copa, para comparar o efeito do posicionamento dos coletores.

A revisão de Llorens e Domingo (2007) nos estudos realizado no Mediterrêneo europeu, indicou que 82% das pesquisas utilizaram funis esvaziados manualmente, cujo número de funis variou entre 3 e 163 e a área total das coletas variaram entre 0,03 m² e 14,5 m².

Em relação aos valores de chuva interna, Peláez et al. (2010), obtiveram nas montanhas dos Andes colombianos, 85% para uma floresta de carvalho, 81% em plantações de pinus e 90% em ciprestes. Em uma floresta secundária brasileira com predomínio de Araucaria angustifolia, os valores obtidos por Thomaz (2005) para a chuva interna, corresponderam a 77% da chuva incidente.

A biomassa epífita, matéria orgânica e mineral associados, abundantes em florestas tropicais montanhosas, influenciam os padrões espaciais da chuva interna, devido à alta capacidade de armazenamento da água (VENEKLAAS e VAN EK, 1990; KOHLER et al., 2007; CAVELIER e VARGAS,2002) e a distribuição desigual dentro do dossel (NADKARNI et al., 2004). Esta distribuição da água da chuva particularmente heterogênea, com alta variabilidade espacial da chuva interna nessas florestas (FLEISCHBEIN et al, 2005; HOLWERDA et al, 2006) é atribuída a uma estrutura complexa da floresta e às chuvas regionais características (SCATENA, 1990).

A chuva interna representa também uma via importante de nutrientes para o solo da floresta, com o incremento de nutrientes como P, N, K, Ca, Mg, conforme apresentado por Liu et al., 2012; Xu et al., 2005; Scheer, 2008; Lima, 1985;Perez-Marin e Menezes, 2008; Markewitz et al., 2004; Germer et al., 2007; Tobón et al., 2004; Filoso et al., 1999; Leite 2011; Chuyong et al., 2004; Britez,1994; Souza et al., 2007; Arcova e Cicco, 1987;Franken et al., 1985;Cornu