Caracterização da variabilidade espacial do carbono em uma microbacia de floresta primária na Amazônia Central

INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS DA AMAZÔNIA- INPA

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS- UEA

POSGRADUAÇÃO EM CLIMA E AMBIENTE

CARACTERIZAÇÃO DA VARIABILIDADE ESPACIAL DO CARBONO EM

UMA MICROBACIA DE FLORESTA PRIMÁRIA NA AMAZÔNIA

CENTRAL

ELAINE PIRES DE FREITAS

ELAINE PIRES DE FREITAS

CARACTERIZAÇÃO DA VARIABILIDADE ESPACIAL DO CARBONO EM

UMA MICROBACIA DE FLORESTA PRIMÁRIA NA AMAZÔNIA

CENTRAL

Dissertação apresentada como requisito para obtenção do título de Mestre em Clima e Ambiente no Programa de Pós-graduação em Clima e Ambiente, Universidade do Estado do Amazonas e Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia – UEA /INPA.

Área de concentração: Clima e funcionamento dos ecossistemas amazônicos

CARACTERIZAÇÃO DA VARIABILIDADE ESPACIAL DO CARBONO

EM UMA MICROBACIA DE FLORESTA PRIMÁRIA NA AMAZÔNIA

CENTRAL

Dissertação apresentada como requisito para obtenção do título de Mestre em Clima e Ambiente no Programa de Pós-graduação em Clima e Ambiente, Universidade do Estado do Amazonas e Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia – UEA /INPA.

Área de concentração: Clima e

funcionamento dos ecossistemas amazônicos

Data da Aprovação: 27/02/ 2019 Banca Examinadora

Dra. Maria Terezinha Ferreira Monteiro (Presidente)

Banca: Dr. Sérgio Duvoisin Júnior (UEA)

Banca: Dra. Maria do Socorro Rocha (INPA)

“Resiliência é a arma secreta dos fortes e o escudo dos sábios.” Não desista jamais!

AGRADECIMENTOS A Deus pela permissão de estar no mundo material.

A minha mãe Maria Elielza Pires de Araújo por me ensinar que a humildade deve ser plantada e regada em cada um e ao meu pai Francisco Alves de Freitas “in memoriam”, por ter me ensinado a ser essa pessoa trabalhadora. Ao meu filho William Melo da Silva Júnior por me dá força e palavras de incentivo para não desistir. Aos meus irmãos queridos aos quais eu dedico um amor incondicional.

Ao meu noivo Thiago Correa dos Santos, por toda compreensão e paciência nos momentos que tive que ficar ausente estudando.

A Prof.ª Dra. Maria Terezinha F. Monteiro pela orientação, muito obrigada pela oportunidade. Ao Dr. Sávio Ferreira pela coorientação e apoio na montagem do experimento, muito obrigado. Aos professores do curso de pós-graduação em Clima e Ambiente: Rodrigo Augusto Ferreira de Souza, Jaidete Monteiro de Souza, Luiz Antonio Cândido, Carlos Alberto Nobre Quesada, José Augusto Paixão Veiga e ao professor Dr. Antonio Ocimar Manzi.

Ao Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA) e à Universidade do Estado do Amazonas (UEA), pela oportunidade em cursar o Mestrado em Clima e Ambiente.

A CAPES pela concessão da bolsa de estudo.

Ao Laboratório Química Ambiental/INPA por toda infraestrutura e aos técnicos por disponibilizar o laboratório e apoio.

Ao LBA pela infra-estrutura cedida, a base do LBA na ZF2, aos técnicos e a logística.

Aos Doutores: Hillandia Brandão, Maria do Socorro Rocha, Sebastião Átila, Ana Rosa Tudniz, Luiz Cândido.... pelas contribuições e apoio durante todo o período do Mestrado.

Aos amigos: Claudenilson (Apoio técnico CPH/LBA), Thale André, Alexandre, Regison Oliveira pela ajuda com os mapas no Qjis,

E a tantos outros colaboradores que direta ou indiretamente ajudaram com a realização desse trabalho, meu sincero obrigado.

7

Sumário

1.2.1 Carbono Orgânico dissolvido na precipitação ... 19

1.2.2 Carbono Orgânico dissolvido na zona saturada ... 20

1.2.3 Carbono Orgânico dissolvido no Igarapé ... 24

1.2.4 Carbono Inorgânico dissolvido ... 24

1.2.5 Dióxido de carbono (CO2) ... 25

3. Justificativa ... 29

CAPÍTULO I - VARIABILIDADE ESPACIAL DO CARBONO EM UMA MICROBACIA DE FLORESTA PRIMÁRIA NA AMAZÔNIA CENTRAL ... 30

5 Objetivo Geral ... 30

5.1 Objetivos específicos ... 30

INTRODUÇÃO ... 33

6. MATERIAL E MÉTODOS ... 35

6.1 Área de estudo ... 35

6.1.1 Caracterização da área de estudo... 35

6.2 Metodologia de coelta ... 36

6.3 Coletas no solo ... 37

6.4 Coletas da precipitação... 38

6.5 Análises do COD e das variaveis ph e condutividade eletrica ... 38

7. Resultados e discussão ... 39

8.1 Variáveis ph e condutividade na água da chuva e subterranea ... 41

8.2 COD e CID água subterrânea (extratores e igarapé) ... 45

8.2.1 Correlação do COD nas águas subterrâneas ... 49

8.3 COD na precipitação ... 51

8.4 Relação do COD (água subterrânea x água da chuva) ... 52

8.5 Relação do COD com o pH ... 53

CONCLUSÃO ... 57

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 58

CAPÍTULO II – DINAMICA DO CARBONO NO TRANSPORTE VIA FLUVIAL EM UMA MICROBACIA DE FLORESTA NATURAL NA AMAZÔNIA CENTRAL ... 63

10.Objetivo Geral ... 63

10.1 Objetivos específicos ... 63

11. INTRODUÇÃO ... 66

12 MATERIAL E MÉTODOS ... 67

12.1 Área de estudo ... 67

12.2 Análises do COD, CID e das variaveis de pH e condutividade eletrica ... 68

8

13. Resultados e discussão ... 72

13.1 Fluxo de COD e CID no igarapé com pluviometria ... 74

13.2 Fluxo de CO2 no igarapé ... 75

CONCLUSÃO GERAL ... 88

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ... 89

ANEXO 1 ... 98

9 LISTA DE FIGURA

Figura 1: Representação esquemática de um divisor de água, canais de fluxo de vias hidrológicas. (Fonte: Mendiondo, 2004)... 20 Figura 2: Compartimentação hidrológica do perfil do solo, em função da zona saturada e insaturada (aeração) ... 21 Figura 3: Representação dos processos físico-químico na Amazônia... 22 Figura 4: Esquema do ciclo do carbono orgânico indicando a importância das substâncias húmicas. Fonte Aiken et al., (1985) ... 23 Figura 5: Comportamento do CO2 na camada subsuperficial. Fonte: IPCC 2005. ... 26

Figura 6: Comportamento do CO2 com a profundidade vs volume na camada subsuperficial.

Fonte: Gaus et al., (2005) ... 27 Figura 1a: Mapa de localização da área de estudo e pontos de amostragem dos extratores, dos pluviômetros e piezômetros. ... 35 Figura 2a: Fluxograma das variáveis analisadas ... 36 Figura 3a: Desenho esquemático da disposição dos extratores instalados que foram utilizados para coleta da água subterrânea no baixio e vertente. ... 37 Figura 4a: Gráfico da precipitação total no período de setembro de 2017 a junho 2018, e valores máxima e mínima mensal dos pluviômetros estudados. ... 39 Figura 5a: Gráfico da relação do nível do lençol freático (m) para o baixio (PR09) e vertente (PR07) com a precipitação (mm) dos pluviômetros: T8, T7 e S2, correspondente ao período de setembro de 2017 a junho 2018. ... 40 Figura 6a: Gráfico da média mensal do comportamento da condutividade elétrica para a precipitação no período de estudo e para o período sazonal (seco e chuvoso). ... 41 Figura 7a: Gráfico da média mensal do comportamento da condutividade elétrica da água subterrânea e do igarapé para o período de setembro de 2017 a junho 2018 de acordo com a sazonalidade da precipitação. (BIG = igarapé do baixio; BE = baixio extrator 1, 2, 3, 4 para diferentes profundidades; VE = vertente, extrator 5 e 6 para diferentes profundidades; PP = platô, poço profundo para a profundidade de 40 m.) ... 42 Figura 8a: Gráfico da relação da média mensal da condutividade da água subterrânea ao longo do gradiente topográfico e da precipitação com a precipitação (mm) mensal, correspondente a um ano hidrológico. (BIG = igarapé do baixio; BE = baixio extrator 1, 2, 3, 4 para diferentes profundidades; VE = vertente, extrator 5 e 6 para diferentes profundidades; PP = platô, poço profundo para a profundidade de 40 m.) ... 43 Figura 9a: Gráfico da média mensal do comportamento do pH na água da chuva para os componentes estudados e para os diferentes períodos sazonais. ... 44 Figura 10a: Gráfico da média mensal do comportamento do pH da água subterrânea em relação aos componentes estudados e aos períodos sazonais. (BIG = igarapé do baixio; BE = baixio extrator 1, 2, 3, 4 para diferentes profundidades; VE = vertente, extrator 5 e 6 para diferentes profundidades; PP = platô, poço profundo para a profundidade de 40 m.) ... 45

10 Figura 11a: Gráfico da média mensal do comportamento do carbono orgânico dissolvido (COD – mg/L) para as áreas de platô, vertente e baixio correspondente aos períodos sazonais (seco e chuvoso) (n=38) (BIG = igarapé do baixio; BE = baixio extrator 1, 2, 3, 4 para diferentes profundidades; VE = vertente, extrator 5 e 6 para diferentes profundidades; PP = platô, poço profundo na profundidade de 40 m.). ... 47 Figura 12a: Gráfico da média mensal do comportamento do carbono inorgânico dissolvido (CID – mg/L) no gradiente topográfico, para o período seco e chuvoso (n=38). (BIG = igarapé do baixio; BE = baixio extrator 1, 2, 3, 4 para diferentes profundidades; VE = vertente, extrator 5 e 6 para diferentes profundidades; PP = platô, poço profundo na profundidade de 40 m.) ... 48 Figura 13a: Gráfico da média mensal da relação do carbono orgânico dissolvido (COD – mg/L) e carbono inorgânico dissolvido (CID – mg/L) da água subterrânea no gradiente topográfico com a precipitação (mm). (BIG = igarapé do baixio; BE = baixio extrator 1, 2, 3, 4 para diferentes profundidades; VE = vertente, extrator 5 e 6 para diferentes profundidades; PP = platô, poço profundo para a profundidade de 40 m.) ... 49 Figura 14a: Gráfico da relação do carbono orgânico dissolvido (COD – mg/L) e carbono inorgânico dissolvido (CID – mg/L) semanal da água subterrânea (E1 – extrator 1 e PR09 – piezômetro; E4 – extrator 4 e PR07 – piezômetro) no gradiente topográfico com nível lençol (m) diário, correspondente do período de estudo. ... 50 Figura 15a: Gráfico da correlação do carbono orgânico dissolvido (COD – mg/L) entre as amostras de água subterrânea dos extratores (E1, E4) e piezômetros (PR09, PR07). ... 51 Figura 16a: Gráfico da média mensal do comportamento do carbono orgânico dissolvido (COD – mg/L) na água da precipitação para os diferentes compartimentos (PT, PIP e PIB) no período seco e chuvoso (n=18). ... 52 Figura 17a: Gráfico da média mensal da comparação do carbono orgânico dissolvido da água subterrânea no gradiente topográfico com o carbono orgânico dissolvido (COD – mg/L) da precipitação. (BIG = igarapé do baixio; BE = baixio extrator 1, 2, 3, 4 para diferentes profundidades; VE = vertente, extrator 5 e 6 para diferentes profundidades; PP = platô, poço profundo na profundidade de 40 m.) ... 53 Figura 18a: Gráfico da média mensal da relação do carbono orgânico dissolvido (COD – mg/L) e carbono inorgânico dissolvido (CID – mg/L) com pH da água subterrânea no gradiente topográfico, correspondente ao período seco e chuvoso (IG = igarapé do baixio; E = baixio/vertente-extrator 1, 2, 3, 4, 5 e 6 para diferentes profundidades; PP1 = platô, poço profundo na profundidade de 40 m.). ... 55 Figura 1b: Mapa de localização da área de estudo e pontos de amostragem dos coletores, dos pluviômetros e do ponto de medição do Fluxo. ... 67 Figura 2b: Sistema de funcionamento do equilibrador ... 70 Figura 3b: Sistema de funcionamento da câmara flutuante... 71 Figura 4b: Gráfico da precipitação total no período de abril de 2018 a setembro 2018, e valores máxima e mínima mensal dos pluviômetros estudados ... 72 Figura 5b: Gráficos da relação do fluxo do COD e CID com a pluviometria (T7, T8, pluv igarapé, correspondente ao período abril/18 a setembro/18. ... 74 Figura 6b: Gráfico da taxa respiratória (OD) com os fluxos de COD e CID no igarapé Asú. ... 75

11 Figura 7b:Gráfico da relação do fluxo do CO2 com a pluviometria correspondente ao período

abril/18 a setembro/18. ... 76 Figura 8b:Gráfico da relação do CO2 dissolvido com a pressão parcial CO2, correspondente ao período abril/18 a setembro/18. ... 77 Figura 9b:Gráficos da relação do CO2 dissolvido e fluxo do CO2 com a vazão, correspondente ao

período abril/18 a setembro/18. ... 78 Figura 10b:Fluxograma das médias COD, CID e fluxos de CO2 durante ano hidrológico (set.17 a

12 LISTA DE SIGLA

C- Carbono

COD – Carbono Orgânico Dissolvido

CID – Carbono Inorgânico

COP - Carbono Orgânico Particulado

pCO2 – Pressão Parcial dióxido de carbono

CO2 - dióxido de carbono

MO – Matéria orgânica

MOS – Matéria orgânica do solo

IPCC - Painel Intergovernamental de Mudanças Climáticas / Intergovernmental Panel on Climate Change

SH – Substâncias Húmicas

BIG – Baixio Igarapé

BE – Baixio Extrator (1,2,3,4)

VE – Vertente Extrator (5 e 6)

13 RESUMO

O ecossistema amazônico é fundamental para o clima global, por ser considerado o maior reservatório de carbono entre os ecossistemas. Portanto, entendermos o comportamento do carbono no ciclo biogeoquímico em escala de microbacia pode contribuir para estudos em maior escala e também fortalecer medidas mitigadoras para preservação da Amazônia. O objetivo principal deste estudo foi quantificar e compreender os mecanismos de exportação do carbono pelo ciclo hidrológico. A área de estudo foi na seção 2 (dois) da microbacia do Igarapé Asú, e o período de amostragem foi entre setembro/2017 a setembro/18. Para esse estudo foram abordados dois questionamentos: 1) Qual a contribuição/relação da precipitação-infiltração para o carbono que é exportado para atmosfera?; 2) Em que proporção o carbono é liberado por via fluvial para atmosfera em uma escala de microbacia?. Para responder a esses questionamentos o estudo foi dividido em duas partes (capítulos): I) Variabilidade espacial do carbono em zona saturada de uma microbacia de floresta primária na Amazônia central. Nesse estudo o objetivo foi avaliar e quantificar as concentrações de carbono orgânico dissolvido, carbono inorgânico dissolvido na zona saturada e carbono orgânico dissolvido na precipitação, nível do lençol freático e os parâmetros físico-químicos de pH e condutividade ao longo gradiente topográfico (platô, vertente e baixio) em solo terra firme. II) Dinâmica do carbono no transporte via fluvial em uma microbacia de floresta natural na Amazônia central, com o objetivo de compreender o mecanismo de fluxo e armazenamento de carbono que é exportado via fluvial na escala de microbacia, através da quantificação dos fluxos de carbono orgânico dissolvido, carbono inorgânico dissolvido no igarapé, o carbono orgânico dissolvido da precipitação e o fluxo de CO2. Para obtenção dessa variável foi utilizado a metodologia da câmara flutuante e o equilibrador, vazão, taxa respiratória (oxigênio dissolvido), e os parâmetros físico-químicos (pH e condutividade). As concentrações de carbono inorgânico dissolvido e os valores de temperatura e pH foram utilizadas para calcular a pressão parcial de CO2 da água, baseado nas equações de equilíbrio termodinâmico. Os resultados da precipitação total da área de estudo durante o período de 1 (um) ano foi de 2,136 mm, e lençol freático variou de 0,95 m (acima da superfície) e a mínima registrada foi -1,23 m (abaixo da superfície). As concentrações médias de carbono orgânico dissolvido (18,19 mg/L) e carbono inorgânico dissolvido (5,28 mg/L) na água subterrânea demonstraram diferenças significativas (p<0,05) entre o período seco e chuvoso. As concentrações de carbono orgânico dissolvido na água da chuva apresentaram variações entre a precipitação interna (platô e baixio) e precipitação total. E os resultados das correlações do carbono orgânico dissolvido com pluviometria e com nível da água na zona saturada, demonstraram ter uma influência direta na disponibilidade de carbono ao longo gradiente topográfico, ou seja a medida que havia variação pluviométrica, o nível do lençol freático e as concentrações também sofriam variações. O estudo demonstrou que existe uma relação direta entre as concentrações de carbono orgânico dissolvido e carbono inorgânico dissolvido obtidas sob os diferentes compartimentos nos ambientes estudados com os processos que englobam o ciclo hidrológico. Os valores médios das concentrações de carbono orgânico dissolvido na precipitação foi de 4,60 ± 0,69 mg/L, e para a zona saturada os valores médios de carbono orgânico dissolvido e carbono inorgânico dissolvido foram de 18,19 ± 11,66 mg/L e 5,28 ± 2,22 mg/L respectivamente, e essa disparidade de desvio padrão corresponde ao conjunto de dados de diferente profundidades e ambientes. Em relação aos fluxos de carbono orgânico dissolvido e carbono inorgânico dissolvido no igarapé os valores médios obtidos foram

14 respectivamente de 2,20 ± 2,34 mg/s e 0,55 ± 0,53 mg/s, com taxa de respiração média de 0,52 ± 1,08 µM/hora, e a vazão média 0,25 ± 0,23 m³/s, com os valores médios de fluxo de CO2 de9,85 ± 3,11 µmol CO2 m-2 s-1. Mediante aos valores, pode-se quantificar a entrada de carbono pela precipitação interna equivalente 5,07 mg/L e a precipitação externa de 3,66 mg/L, e com a saída pelo igarapé aproximadamente de 3.101,04 T CO2/ha/a. Contudo o estudo apresentou relações importantes nas concentrações e transporte/armazenamento de carbono no meio aquático em diferentes compartimentos (precipitação, solo, água subterrânea e superficial) de uma microbacia de floresta primária.

15 ABSRACT

The Amazonian ecosystem is basic for the global climate, because of being considered the biggest carbon reservoir between the ecosystems. So, we understand the behavior of the carbon in the cycle biogeochemical in microbasin scale can contribute to studies in bigger scale and also strengthen mitigative measures for preservation of the Amazon region. The main objective of this study quantified and he understood the mechanisms of export of the carbon for the hydrological cycle. The study area was in the section 2 (two) of the microbasin of the narrow stream Asú, and the sampling period was between setember/2017 to setember/18. For this study two were approached questions: 1) Which the contribution / relation of the haste-infiltration for the carbon that is exported to atmosphere?; 2) In what proportion is the carbon released by river road for atmosphere in a microbasin scale?. To answer to these questions the study it was divided in two parts (chapters): I) Space variability of the carbon in full zone of a microbasin of primary forest in the central Amazon region. In this study the objective valued and he quantified the concentrations of dissolved organic carbon, inorganic carbon dissolved in the full zone and organic carbon dissolved in the haste, level of the groundwater and the parameters physicist chemists of pH and conductivity to the long topographical gradient (plateau, slope and sandbar) in ground dry land. II) Dynamic of the carbon in the transport river road in a microbasin of natural forest in the central Amazon region, with the objective to understand the mechanism of flow and storage of carbon that is exported river road in the microbasin scale, through the quantification of the flows of dissolved organic carbon, inorganic carbon dissolved in the narrow stream, the dissolved organic carbon of the haste and the flow of CO2. For getting this variable there was used the methodology of the floating camera and the equilibration, flow, respiratory tax (dissolved oxygen), and the parameters chemical-physically (pH and conductivity). The concentrations of dissolved inorganic carbon and the values of temperature and pH were used by them to calculate the partial pressure of CO2 of the water, when it was based on the balance equations thermodynamic. The results of the total haste of the area of study during the period of 1 a year was of 2,136 mm, and groundwater varied of 0,95 m (above the surface) and the least registered one was -1,23 m (below the surface). The middle concentrations of dissolved organic carbon (18,19 mg/L) and dissolved inorganic carbon (5,28 mg/L) in the underground water demonstrated significant differences (p <0,05) between the dry and rainy period. The concentrations of organic carbon dissolved in the water of the rain presented variations between the internal haste (plateau and sandbar) and total haste. And the results of the correlations of the organic carbon dissolved with rainfall and with level of the water in the full zone, demonstrated to have a straight influence in the carbon availability to the long topographical gradient, in other words the measure what there was variation rainfall, the level of the groundwater and the concentrations also were suffering variations. The study demonstrated that there is a straight relation between the concentrations of dissolved organic carbon and dissolved inorganic carbon obtained under the different compartments in the environments studied with the processes that include the hydrological cycle. The middle values of the concentrations of organic carbon dissolved in the haste it was of 4,60 ± 0,69 mg/L, and for the full zone the middle values of dissolved organic carbon and dissolved inorganic carbon were of 18,19 ± 11,66 mg/L and 5,28 ± 2,22 mg/L respectively, and this disparity of detour standard corresponds to the set of data of different depths and surrounding.

16 Regarding the flows of dissolved organic carbon and inorganic carbon dissolved in the narrow stream the obtained middle values were respectively of 2,20 ± 2,34 mg/s and 0,55 ± 0,53 mg/s, with tax of middle breathing of 0,52 ± 1,08 µM/hora, and the middle flow 0,25 ± 0,23 m/s, with the middle values of flow of CO2 of 9,85 ± 3,11 µmol CO2 m-2 s-1. Interim to the values, can quantify the carbon entry for the equivalent internal haste 5,07 mg/L and the extern haste of 3,66 mg/L, and with the exit for the narrow stream approximately of 3.101,04 T CO2 /hac/y. There is study presented important relations in the concentrations and transport / storage of carbon in the aquatic environment in different compartments (haste, ground, underground and superficial water) of a microbasin of primary forest.

17 INTRODUÇÃO GERAL

O carbono (C) atua nos principais processos biológicos (fotossíntese e respiração) dos biomas terrestres, e estudar sua dinâmica em ambientes preservados contribui para maiores informações sobre o papel das florestas e dos sistemas fluviais em sua ciclagem. Em vista disso, realizar estudos na Amazônia é de fundamental importância, primeiro porque ela é considerada o maior reservatório de carbono entre os ecossistemas terrestres; segundo por ter uma grande extensão de floresta tropical úmida, rica em biodiversidade (KRUSCHE et al., 2005), e terceiro por ser grande acumuladora de biomassa contribuindo de forma expressiva para o ciclo de carbono global. Por isso tem um papel fundamental na mitigação das mudanças climáticas em curso (ARTAXO et al., 2014).

Estudos atuais relatam a importância de estudar os ecossistemas amazônicos para avaliar de que forma as características desses ambientes influenciam na dinâmica do carbono, bem como conhecer os potenciais de seu armazenamento (NEU et al., 2016; ARTAXO et al., 2014; JASECHKO et al., 2013). Levando em conta o seu tamanho e suas características, a floresta amazônica pode modificar significativamente os fluxos de carbono e água entre a biosfera e atmosfera (DAVIDSON & ARTAXO, 2004; SCHAPHOFF et al., 2006). Além das florestas, os rios que estão nessa região possuem um o papel importante na ciclagem de carbono, no transporte de C terra-água (NEILL et al., 2006) nas redes de drenagem.

O ciclo hidrológico nessa região tem um papel importantíssimo em relação ao transporte de carbono, por ser forte indicador nos processos de superfície e do clima. Esses processos contribuem também no controle do mecanismo da ciclagem de carbono na floresta da amazônica em escala sazonal. Dessa forma o regime de chuva pode ser responsável por transportes massivos de COD variando não só de acordo com a intensidade da chuva mas também a partir da sazonalidade do clima.

Trabalhos já realizados há décadas na região indicam que no ciclo do carbono o CO2 atmosférico é fixado pelas plantas através da fotossíntese e lentamente é retornado à atmosfera mediante os processos de decomposição da matéria orgânica do solo. Todavia, parte do C é estabilizado e armazenado no solo, contribuindo para o estoque de C e o

18 ciclo biogeoquímico global (ROSA et al., 2014). Nesse contexto é importante ressaltar que mais de 80% dos estoques de carbono orgânico do sistema terrestre estão contidos no solo (FISHER et al., 1998; QUESADA et al., 2010). No entanto, o tempo de permanência do C nestes reservatórios terrestres varia entre dias a alguns poucos milhares de anos (SIEFERT, 2016). Na Amazônia, foram observadas correlações entre a concentração de material orgânico dissolvido nos rios e o tipo de solo da bacia (KRUSCHE, 2005). Portanto, a textura do solo é um dos parâmetros chave na biogeoquímica terrestre, a qual geralmente mostra o aumento da matéria orgânica do solo com aumento do conteúdo de argila em escala regional e global (LAL et al., 2007). Em ambientes aquáticos, o COD tem sua contribuição também a partir dos processos geoquímicos onde são produzidos material autóctones. Dessa forma, a entrada do COD nesses ecossistemas se dá a partir de fontes externas, como por exemplo, através do processo de lixiviação e erosão de solos denominado material alóctone (LENNON & PFAFF, 2005; PAULA & VALLE 2007), e que têm um papel fundamental no transporte de carbono para os igarapés de águas pretas (WATERLOO et al., 2006).

Estudos na região buscam compreender o comportamento da dinâmica do carbono nas bacias hidrográficas, por ser um elemento chave para compreensão nos processos que englobam o ciclo hidrológico (SCHULZ et al., 2006), uma vez que a relação entre ambos se dá desde a atmosfera. No entanto, ainda há muitas incertezas em relação a dinâmica do carbono nessas bacias. Por isso, o presente estudo visa ampliar o entendimento da dinâmica do carbono e suas relações em diferentes compartimentos hidrogeoquímicos em uma microbacia de terra firme. E para responder aos questionamentos propostos neste estudo, esta dissertação foi dividida em 2 capítulos em formato de artigo:

 Capitulo I – Variabilidade espacial do carbono em um microbacia de floresta primária na Amazônia central

 Capitulo II - Dinâmica do carbono no transporte via fluvial em uma microbacia de floresta natural na Amazônia central

19

1.2 Revisão Bibliográfica

1.2.1 Carbono Orgânico dissolvido na precipitação

A floresta Amazônica é um importante irrigador da atmosfera por meio do processo de transpiração (CHAMBERS & ARTAXO, 2017; JASECHKO et al., 2013). A umidade gerada no processo de transpiração contribui para a formação de nuvens carregadas que liberam posteriormente a água de volta para a floresta, formando assim parte do ciclo da água na bacia Amazônica (JASECHKO et al., 2013). A Amazônia apresenta um clima sazonal, distribuído em duas estações distintas, sendo uma de maior precipitação (estação úmida), entre dezembro e junho, e outra de menor precipitação (estação seca), que ocorre entre julho e novembro (TOMASELLA et al., 2007). Tendo uma precipitação média anual de 2.300 mm (MARENGO & NOBRE, 2009) e temperatura mínima de 25°C e máxima de 38°C (CARLINI, 2001). Nesse contexto estudos recentes relatam que a precipitação é forte indicador da importância dos processos de superfície e do clima no ciclo hidrológico regional (ROCHA et al., 2017), e segundo Suhett et al., (2004) o regime de chuva pode ser responsável por transportes massivos de carbono orgânico dissolvido variando também com a sazonalidade do clima.

Os canais de fluxo de água estão ligados com o ciclo hidrológico e com movimento dos insumos diretos de queda MO e detritos terrestres que afetam a dinâmica de C na interface aquática terrestre (Figura 1). Essas taxas determinam também as principais fontes de C e as magnitudes das transferências de C-terra-água em pequenas bacias hidrográficas (NEILl et al., 2006), onde esse processo controla o mecanismo da ciclagem de carbono na floresta da Amazônia (SALESKA et al., 2009) em escala sazonal.

20 Figura 1: Representação esquemática de um divisor de água, canais de fluxo de vias hidrológicas. (Fonte: Mendiondo, 2004).

Os padrões climáticos influenciam as concentrações de COD. E que em área de floresta primária no período seco ocorre menor perda de COD do que no período chuvoso (COSTA et al., 2014). Nesse estudo estimou que em área com atividade humana as perdas de COD são mais expressivas. E outro estudo também observou a influência do padrão climático (DALMAGRO et al., 2017). Estes fatos observados da variação climática no comportamento do COD, podem alterar as concentrações na água do lençol freático, como consequência se assemelhando com a água do curso d’água (NEU et al., 2016).

Estudos recentes também demonstram que o carbono orgânico da atmosfera é transportado para a superfície terrestre através da precipitação (LAVORIVSKA et al., 2016), que através da infiltração enriquece o solo. E de forma inversa, a solução do solo representa um fluxo importante de C e nutrientes do meio terrestre para os sistemas aquáticos (WILSON & XENOPOULOS, 2009). De modo geral, a descarga subterrânea é a via hidrológica predominante no aporte do fluxo de carbono orgânico (RICHEY et al., 2009).

1.2.2 Carbono Orgânico dissolvido na zona saturada

A água dentro do solo ou rocha, ocupa espaços vazios (poros, carstes ou fissuras), os quais podem ser intercomunicáveis entre si, permitindo dessa forma o fluxo da água através dos mesmos, ou totalmente separados, situação em que não permite a movimentação desse fluido no interior do maciço (CARVALHO, 2012). A relação entre o volume de espaços vazios (ocos) e o volume total da mesma porção do solo/rocha é denominada de porosidade. No processo interno que ocorre comunicação entre os poros (ou fissuras) e a água flui livremente, é denominada de rocha ou solo permeável. Ao contrário, quando não permite o fluxo de fluidos, é dito impermeável. A contínua infiltração de água no solo ou rocha tende a produzir uma ocupação sistemática dos vazios (poros), podendo levar, ainda que temporariamente, a uma saturação parcial ou total deste (CARVALHO, 2012). Assim em um determinado instante desse processo hidrológico, podem-se distinguir duas zonas individualizadas do perfil do solo/rocha:

21 zonas saturada e insaturada (Figura 2). Na zona insaturada é onde ocorre o deslocamento vertical da água, que denominamos de percolação.

Figura 2: Compartimentação hidrológica do perfil do solo, em função da zona saturada e insaturada (aeração)

O estudo foi realizado em solos de terra firme, são bem velhos, formados a partir de sedimentos mais antigos ou de rochas cristalinas mais antigas. Os solos bem drenados de terra firme da bacia sedimentar do Amazonas são formados a partir de sedimentos terciários da formação Alter do Chão/Barreiras (MAFRA et al., 2002; CARVALHO, 2012), constituído por argilitos, siltiltos e arenitos, localmente conglomeráticos, cuja espessura pode chegar a mais de 1.250 metros na porção central da bacia (CUNHA et al., 1994; CUNHA et al., 2007). Devido a essa elevação, a energia dos fluxos fluviais na porção ocidental da bacia, ocasionou a deposição de grande volume de sedimentos arenosos nessa unidade estratigráfica, o que propiciou a formação de grande espessura de rochas detríticas, porosas, consequentemente possuindo uma grande capacidade armazenadora de água (CARVALHO, 2012).

De acordo com Quesada (2010) o solo é um importante deposito de carbono orgânico, captando aproximadamente 2/3 do carbono estocado no ambiente terrestre. Segundo Nepstad et al. (1994); os inventários de carbono no solo têm sido cada vez mais escassos, nas análises abaixo de 1 m de profundidade, e o carbono presente em solos profundos é, muitas vezes, ignorado (TRUMBORE & CAMARGO, 2009). A primeira fase da perda de carbono orgânico do solo para águas superficiais é o movimento de

22 matéria orgânica, e consequentemente de COD pela água retida no perfil do solo (QUESADA et al., 2011).

E outro estudo conduzido por Quesada et al., (2009), adições de carbono ao solo, estão divididas em duas áreas: A e B, sendo que A é formado pela biomassa vegetal viva e B pelos resíduos vegetais e raízes. A textura do solo, ou conteúdo de argila, pode variar em escala local ao longo de uma determinada topografia, isto pode ser o elemento chave no armazenamento de carbono do solo (MARQUES et al., 2012). O esquema apresentado na figura 3 ilustra os principais processos que interligam os sistemas terrestres e aquáticos.

Figura 3: Representação dos processos físico-químico na Amazônia.

Na região Amazônica, nas proximidades da cidade Manaus, a fração de SH (substâncias húmicas) presente nas águas pretas é derivada primariamente da água do solo que drena Espodossols rasos (OLIVEIRA, 2007). A baixa adsorção da matéria orgânica (MO) por este tipo de solo, devido ao baixo teor de argila, taxas de decomposição mais lentas, e acúmulo de serapilheira na superfície, são uma fonte contínua de substâncias húmicas solúveis para a solução do solo, como mostra a figura 4 (MARQUES et al., 2010). Portanto, a MO está intimamente ligada ao teor de carbono

23 orgânico, sendo indicativo de qualidade física do solo (CARDOSO et al., 2010; CRUZ et al., 2011), favorecendo a melhoria da infiltração e armazenamento de água no solo, porosidade e aeração (CASTRO FILHO et al., 2002), e contribuindo para geração de COD.

Figura 4: Esquema do ciclo do carbono orgânico indicando a importância das substâncias húmicas. Fonte Aiken et al., (1985)

Assim, os solos argilosos podem facilmente formar depósitos de carbono passivo, com ciclagem mais lenta. Na região da Amazônia são observados dois pólos principais de diferenciação pedológica: (a) um pólo argiloso, que corresponde aos Latossolos, que dominam os elementos da paisagem na Amazônia central e; (b) um pólo arenoso, sob o qual se encontram os Espodossolos formados por espessas camadas de areia branca e profunda, de textura mais grosseira (MAFRA et al., 2002). Ligando estes dois polos), também identificaram superfícies intermediárias formadas por Argissolos. Nessa região, a transição desses solos ocorre de forma gradual ao longo das toposequências como é o caso da área de estudo (BOULET et al., 1984).

Estudos realizados recentemente por Zanchi et al., (2015) indicam que são necessários mais trabalhos para entender quais os processos que levam a formação do COD, especialmente nos solos do baixio. O estudo sugere ainda que seria importante incluir a medida de CID (carbono inorgânico dissolvido) para calcular a exportação total de carbono dessas áreas. Outra questão é que o nível do lençol freático está muito

24 próximo da superfície do solo nessa área de floresta (ZANCHI et al., 2011) e a desgaseificação das águas subterrâneas com alto pCO2 também pode contribuir para a respiração do solo antes que tal água subterrânea chegue ao canal de transmissão.

1.2.3 Carbono Orgânico dissolvido no Igarapé

A hidrografia dos igarapés é formada por pequenos trechos de cursos de água que contrastam com uma grande quantidade de pluviosidade característica da região, resultando numa microdrenagem dentrítica, com capacidade de receber e escoar água (MELLO & MOURA, 1990), e também possuem uma heterogeneidade de partículas orgânicas e inorgânicas, determinada por uma ampla variedade de processos que indicam os diferentes usos da bacia de drenagem (BOUILLON et al., 2008). Dessa forma, existem diferenças nas características físicas e químicas dos tipos de água na Amazônia que afetam a dinâmica da ciclagem do carbono. O carbono pode estar presente nos sistemas fluviais através do carbono inorgânico particulado (CIP), associado a processos erosivos mecânicos de carbonatos e, carbono orgânico dissolvido (COD) e particulado (COP), principalmente relacionados com os processos de lixiviação do solo e as interações da fase de mistura dos solos/sedimentos (MORTATTI et al., 2006). Os teores de carbono orgânico dissolvido vão depender da geologia da bacia e das concentrações de sedimentos em suspensão, devido à dinâmica de sorção entre os minerais em suspensão e a matéria orgânica dissolvida (MAYORGA & AUFDENKAMP, 2001).

1.2.4 Carbono Inorgânico dissolvido

As formas de carbono inorgânico dissolvido (CID) presentes no ambiente aquático são: dióxido de carbono dissolvido (CO2(aq) + H2CO3 (as duas formas neutras de CID)), íon bicarbonato (HCO3-) e o íon carbonato (CO32-). Essas três formas encontram-se em equilíbrio na água, conforme a equação (1):

25 CO2(aq) + H2O(aq)⇌ H2CO3 (aq) ⇌ HCO3- (aq) + H+(aq) ⇌ CO32- (aq) + 2H+(aq) (1)

Pode-se simplificar esse equilíbrio daseguinte forma (Eq. 02):

CO2(aq) + H2O(aq)⇌ HCO3-(aq) + H+(aq)⇌ CO32-(aq) + 2H+(aq) (2)

As constantes de equilíbrio (K1 e K2) vão variar de acordo com: salinidade, temperatura e pressão. E as alterações na concentração acontecem de três formas de CID: a) provocando mudanças no pH; b) na alcalinidade da água (ZEEBE & WOLF-GLADROW, 2001); c) através da precipitação de carbonato, onde ambos os processos, possibilitam a formação de CO2 dissolvido e reduzem o pH e a alcalinidade (BERNER & BERNER, 1987). O carbono inorgânico presente nesses ambientes pode ser transportado de várias maneiras: uma parte é exportada para o mar adjacente, outra parte é transferida para a atmosfera na forma de CO2, e o restante, permanece na coluna d’água e no sedimento, sendo que o fluxo e o tempo de residência do carbono inorgânico em cada uma dessas divisões vão depender das características de cada ambiente (GATTUSO et al., 1998).

A retirada do carbono inorgânico dissolvido pode ser resultado de vários processos tais como: aumento da atividade fitoplanctônica, fluxo de CO2 para atmosfera, precipitação de carbonato de cálcio e dissolução, devido a entrada de água contendo uma menor concentração de carbono inorgânico dissolvido (HELLINGS et al., 2001).

1.2.5 Dióxido de carbono (CO

)

O deposito geológico do CO2 é uma combinação de mecanismos de aprisionamento físicos e químicos. O aprisionamento físico ocorre quando o CO2 é estabilizado como gás livre ou fluido supercrítico. Há dois tipos de aprisionamento físico: aprisionamento estático (estrutural e estratigráfico) e aprisionamento do gás residual no espaço poroso do gás de saturação (Figura 5). O aprisionamento químico ocorre quando o CO2 se dissolve na camada subsuperficial do fluido (aprisionamento iônico e solubilidade) ou em reações químicas fazendo assim com que o CO2 seja adsorvido dentro da superfície mineral (aprisionamento pela adsorção).

26 Figura 5: Comportamento do CO2 na camada subsuperficial. Fonte: IPCC 2005.

O aprisionamento químico aparece também quando o CO2 reage com o fluido formando espécies carbonatadas. Sob circunstâncias favoráveis, o CO2 injetado pode migrar da subsuperfície voltando para a atmosfera antes de ser aprisionado pela combinação de mecanismos físicos e químicos (BACHU et al., 2007). Esta velocidade é extremamente baixa, podendo ser considerado como tempo geológico (milhares de milhares de anos). A densidade do CO2 aumenta com a profundidade e torna-se um fluido supercrítico abaixo de 0,8 km. A figura 6 demonstra que o volume ocupado de CO2(g) vai se modificando de acordo com profundidade, e após a profundidade 1,5 km, CO2 passar ser constante.

27 Figura 6: Comportamento do CO2 com a profundidade vs volume na camada subsuperficial. Fonte: Gaus et

al., (2005)

O processo de dissolução do CO2 em água depende da temperatura, pressão e salinidade do meio reacional; devido as reações e equilíbrios químicos entre o estado líquido e gasoso representado pelas equações abaixo:

As equações 3.2a e 3.2b representam a formação do ácido carbônico (H2CO3), no qual reduz o pH do sistema e a dissociação do ácido carbônico para formar bicarbonato (HCO3−), respectivamente. O íon bicarbonato pode então dissociar-se (reação 3.4) para formar íons carbonatos (CO32−). Os íons metálicos reagem com o íon carbonato para formar carbonatos minerais (reações 3.5a, 3.5b e 3.5c) obtendo-se assim a calcita (CaCO3), magnesita (MgCO3) e dolomita (CaMg(CO3)2), consequentemente. As espécies iônicas do CO2 estão representadas na figura 3.3. O pH determina quais etapas são

28 principais na reação e a proporção das espécies carbônicas. Em pH baixo, (aproximadamente 4) a produção de H2CO3 predomina no sistema. Em pH médio (aproximadamente 6) o HCO3- está em maior quantidade e em pH alto (aproximadamente 9) o CO32- é a espécie predominante. Em pH básicos a precipitação de carbonatos minerais é favorecida porque existe uma disponibilidade predominante de íons carbonatos. A dissolução dos carbonatos aumenta à medida que a solução se torna cada vez mais ácida (GERVEN et al., 2004).

A concentração do CO2 dissolvido nos corpos hídricos encontra-se em desequilíbrio com o valor esperado para um equilíbrio com a atmosfera, pois o CO2 produzido ou consumido pelos processos biológicos e químicos (respiração, fotossíntese, precipitação, reações de dissolução de minerais) na fase aquosa entra rapidamente em equilíbrio no sistema de carbonatos (RICHEY et al., 2009). O dióxido de carbono uma vez dissolvido na água pode tanto ser reutilizado pelos produtores primários aquáticos como emitido para a atmosfera. Em especial nos corpos aquáticos de águas escuras, onde as concentrações de COD são altas e os produtores primários menos abundantes devido à limitação pela luz, começou-se a especular que este processo fosse bastante importante e com potencial para emitir quantidades expressivas de CO2 para a atmosfera (KRUSCHE et al., 2009). Por isso, desde a década de 1990, vários autores investigam as taxas de COD em diversos ecossistemas aquáticos, com um claro enfoque em ecossistemas húmicos (SUHETT et al., 2004).

Estudos realizados por Rasera (2005) confirmam a importância dos fluxos evasivos no ciclo biogeoquímico do carbono nos sistemas fluviais da Amazônia, uma vez que a evasão de CO2 a partir dos sistemas aquáticos é uma fonte significativa de C para atmosfera nos ambientes tropicais. E para entender a dinâmica e o comportamento do carbono é importante avaliar os mecanismos de transporte do carbono, e de que forma e exportado para atmosfera, e para isso este estudo visa quantificar e compreender as proporções de carbono na precipitação, solo e igarapé.

29

3. Justificativa

Estudos sobre o carbono em escala regional têm mostrado que o armazenamento deste pode estar relacionado com a precipitação, textura do solo, tipo de vegetação (ASSAD et al., 2013), geologia e uso do solo (NELSON, 1996). E um dos fatores não mais importante citado pelos autores é o clima, e nesse, o ciclo hidrológico tem um papel fundamental, pois é através dele que os nutrientes são lixiviados para dentro dos depósitos terrestres e/ou aquáticos contribuindo para o aumento das concentrações a partir da matéria orgânica carreada. Esse processo pode variar sazonalmente principalmente em florestas tropicais (RICHEY et al., 2009) e espacialmente ao longo de um gradiente topográfico (LUIZÃO et al., 2004)

Considerado os processos que englobam a dinâmica do C nesses ambientes, se faz necessário compreender os mecanismos de transporte e como ocorre o seu retorno para atmosfera ao longo de um ecossistema e quais os fatores que contribuem para o armazenamento/exportação do carbono nos compartimentos atmosfera-precipitação, água subterrânea-infiltração e água superficial-fluxo em uma microbacia na Amazônia central.

30

CAPÍTULO I - VARIABILIDADE ESPACIAL DO CARBONO EM

UM MICROBACIA DE FLORESTA PRIMÁRIA NA AMAZÔNIA

CENTRAL

As concentrações e fluxos de carbono em bacias hidrográficas apresentam variações espaciais e temporais que dependendo do compartimento estudado, apresenta concentrações elevadas que podem contribuir não só para o suprimento da própria floresta como também para alimentar os corpos d’água e atmosfera. E para se obter a resposta do capitulo I, o questionamento deste estudo foi, qual a contribuição/relação da precipitação-infiltração do carbono que é exportado para atmosfera?

5 Objetivo Geral

• Avaliar os mecanismos de fluxo e armazenamento de carbono orgânico dissolvido a partir de diferentes compartimentos hidrogeoquímicos na escala de micro bacia.

5.1 Objetivos específicos

• Estimar o fluxo médio de carbono, ou taxa de exportação de carbono via Precipitação externa e interna;

• Analisar as variações do C orgânico e inorgânico do solo;

31 ___________________________________________________________________

CAPITULO I

Elaine Pires de FREITAS1, Maria Terezinha F. MONTEIRO2, Sávio J. Filgueiras FERREIRA2, Eduardo A. Rios VILLAMIZAR2, Claudenilson Nogueira de ALMEIDA3, Regison de Costa OLIVEIRA3, Alexandre Souza BASTOS3.2019. Variabilidade espacial do carbono em zona saturada de uma microbacia de floresta primária na Amazônia central. Manuscrito formatado em modelo de artigo.

32 VARIABILIDADE ESPACIAL DO CARBONO EM ZONA SATURADA DE UMA MICROBACIA DE FLORESTA PRIMÁRIA NA AMAZÔNIA CENTRAL

Elaine Pires de FREITAS1, Maria Terezinha F. MONTEIRO2, Sávio J. Filgueiras FERREIRA2, Eduardo A. Rios VILLAMIZAR2, Claudenilson Nogueira de ALMEIDA3, Regison de Costa OLIVEIRA3, Alexandre Souza BASTOS3.

Resumo

O presente estudo teve como objetivo avaliar, os processos de fluxos e a variabilidade do Carbono Orgânico Dissolvido (COD) e do Carbono Inorgânico Dissolvido (CID) da zona saturada do solo em floresta de terra firme, ao longo de um gradiente topográfico em áreas de platô (P), vertente (V) e baixio (B). Foram instalados 6 extratores nas profundidades de 1; 1,20; 1,40; 1,60; 1,80 e 2,00 m, na zona saturada. Paralelamente foram instalados 34 coletores para medidas de precipitação interna (PI) e precipitação total (PT), sendo 30 distribuídos na floresta e 4 em área aberta com período de estudo durante um ciclo hidrológico. Também foram obtidos valores do nível do lençol freático para as áreas de estudo. Quantificaram-se as concentrações de COD e CID para as amostras dos extratores e da precipitação. A precipitação total da área de estudo durante o período estudado foi de 2,072 mm, e lençol freático variou de 0,95 m (acima da superfície) e a mínima registrada foi -1,23 m (abaixo da superfície). As concentrações médias de COD e CID na água subterrânea mostraram diferenças significativas entre o período seco e chuvoso. As concentrações de COD na água da chuva apresentaram variações entre a precipitação interna (P e B) e precipitação total. Os resultados das correlações do COD entre a pluviometria e a água na zona saturada, mostraram ter uma influência direta na disponibilidade de carbono ao longo do gradiente topográfico, ou seja, a medida que tinha mudança na pluviometria, o nível do lençol freático e as concentrações de COD também modificava. O estudo demonstrou que existe uma relação direta entre as concentrações de COD e CID obtidas sob os diferentes ambientes estudados com os processos (atmosfera-precipitação, água subterrânea-infiltração e água superficial) que englobam o ciclo hidrológico.

Palavra chave: Dinâmica do carbono, precipitação, solo

Absract

The objective of this study was to evaluate the variability of Dissolved Organic Carbon (COD) and Dissolved Inorganic Carbon (DIC) of the soil saturated zone in the terra firme forest, along a topographic gradient in areas of plateau (P), slope (V) and low (B). Six extractors were installed in the depths of 1; 1.20; 1.40; 1.60; 1.80 and 2.00 m in the saturated zone. At the same time, 34 collectors were installed for internal precipitation (IP) and total precipitation (PT) measurements, 30 of which were distributed in the forest and 4 in an open area with a study period during a hydrological cycle. Water table level values were also obtained for the study areas. The concentrations of COD and CID were quantified for extractor samples and precipitation. The total precipitation of the study area during the study period was 2,072 mm, and the water table varied from 0.95 m (above the surface) and the minimum recorded was -1.23 m (below the surface). The mean concentrations of COD and CID in groundwater showed significant differences between dry and rainy periods. COD concentrations in rainwater showed variations between the internal precipitation (P and B) and total precipitation. The results of COD correlations between rainfall and water in the saturated zone were shown to have a direct influence on the carbon availability along the topographic gradient, that is, the change in rainfall, groundwater level and concentrations of COD also modified. The study demonstrated that there is a direct relationship between the COD and CID concentrations obtained under the different environments studied with the processes (atmosphere-precipitation, groundwater-infiltration and surface water) that encompass the hydrological cycle.

Keywords: Carbon dynamics, precipitation, soil

(1) Parte da Dissertação de Mestrado do primeiro autor, apresentada ao Curso de Pós Graduação em Clima e Ambiente, Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia – INPA. Bolsista CAPES. E-mail: ela.piresquimica@gmail.com

(2) Pesquisadores do Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia – INPA. Avenida André Araújo, s/n, Aleixo, CEP 69060-020 Manaus (AM). E-mails: mtmont.10@gmail.com com ; savio@inpa.gov.br

33 INTRODUÇÃO

O ecossistema amazônico possui características ambientais importantes que influenciam na dinâmica do carbono (C), por ter uma floresta tropical que pode modificar significativamente os fluxos de carbono e água entre a biosfera e atmosfera (DAVIDSON & ARTAXO, 2004; SCHAPHOFF et al., 2006). Esse ecossistema possui um dos maiores reservatórios de carbono terrestre (ARTAXO et al. 2014). A dinâmica do C ocorre quando o CO2 atmosférico é fixado pelas plantas através da fotossíntese e lentamente é retornado à atmosfera mediante os processos de decomposição da matéria orgânica, onde parte do C é estabilizado e armazenado no solo, contribuindo para o ciclo biogeoquímico global (ROSA et al., 2014).

Nesse contexto é importante ressaltar que mais de 80% dos estoques de carbono orgânico do sistema terrestre estão contidos no solo (FISHER et al., 1998; QUESADA et al., 2010). E os solos argilosos, podem facilmente formar depósitos de carbono passivo, com ciclagem mais lenta (TRUMBORE et al. 2009). Estudos mostraram correlações entre a concentração de material orgânico dissolvido nos rios e o tipo de solo da bacia Amazônica (KRUSCHE et al., 2005). Portanto, a textura do solo é um dos parâmetros chave na biogeoquímica terrestre (LAL et al., 2007), onde em ambientes aquáticos, o carbono orgânico dissolvido (COD) tem sua contribuição a partir dos processos geoquímicos através da produção do material autóctones. Mas sua entrada nesses ecossistemas se dá a partir de fontes externas, como processo de lixiviação e erosão dos solos denominado material alóctone (LENNON & PFAFF, 2005; PAULA & VALLE 2007). Por isso, esses processos têm um papel fundamental no transporte de carbono para os igarapés de águas pretas (WATERLOO et al., 2006).

Estudos recentes relatam que a precipitação é forte indicador dos processos de superfície e do clima no ciclo hidrológico regional (ROCHA et al., 2017), e segundo SUHETT et al., (2004) o regime de chuva pode ser responsável por transportes massivos de carbono orgânico dissolvido variando não só de acordo com o tamanho da tempestade, mas também a partir da sazonalidade do clima. Além disso, os canais de fluxo de água estão ligados por cursos de águas subterrâneas, escoamento superficial, infiltração e por insumos diretos de queda e detritos terrestres que afetam a dinâmica de C na interface aquática terrestre (FERREIRA et al, 2004; NEILL et al., 2006). O mecanismo da ciclagem de carbono na floresta Amazônica pode ser controlado por esses fatores

34 (SALESKA et al., 2009) em escala sazonal e o carbono presente na atmosfera pode ser transportado para a superfície terrestre através da precipitação e por deposição seca (LAVORIVSKA et al., 2016), enriquecendo o solo. Neste caso, a solução do solo representa um fluxo importante de carbono e nutrientes do meio terrestre para os sistemas aquáticos (WILSON & XENOPOULOS, 2009). Da mesma forma que a descarga subterrânea é a via hidrológica no aporte do fluxo de carbono orgânico para os corpos d´água (RICHEY et al., 2009).

O estudo foi realizado em solos de terra firme, são antigos, formados a partir de sedimentos terciários da formação Alter do Chão/Barreiras (MAFRA et al., 2002; CARVALHO, 2012), cuja espessura pode chegar a mais de 1.250 metros na porção central da bacia (CUNHA et al., 1994; CUNHA et al., 2007). Devido a essa elevação, a energia dos fluxos fluviais na porção ocidental da bacia, propiciou a formação de grande espessura de rochas detríticas, porosas, consequentemente possuindo uma grande capacidade armazenadora de água (CARVALHO, 2012). Em virtude dessa capacidade, o solo é um importante deposito de carbono orgânico, captando aproximadamente 2/3 do carbono estocado no ambiente terrestre (TRUMBORE et al. 2009). A primeira fase da perda de carbono orgânico do solo para águas superficiais se dá pelo movimento de matéria orgânica, e consequentemente pela água retida no perfil do solo (QUESADA, 2010; QUESADA et al., 2011). A textura do solo, ou conteúdo de argila, pode variar em escala local ao longo de uma mesma topografia e isto pode ser o elemento chave no armazenamento de carbono do solo (MARQUES et al., 2012) em florestas tropicais.

As concentrações e fluxos de carbono em bacias hidrográficas apresentam variações espaciais e temporais que dependendo do compartimento estudado, apresenta concentrações elevadas que podem contribuir não só para o suprimento da própria floresta como também para alimentar os corpos d’água e atmosfera (LUIZÃO et al., 2004) (ASSAD et al., 2013). Diante deste contexto, qual a contribuição/relação da precipitação-infiltração do carbono que é exportado para atmosfera? Desse modo, o presente estudo propõe quantificar o carbono dissolvido e total na zona saturada no gradiente topográfico, na água superficial e na precipitação em um ecossistema de floresta natural.

35 6. MATERIAL E MÉTODOS

6.1 Área de estudo

O estudo foi realizado ao longo de um gradiente topográfico na seção 2 (dois) da microbacia do Igarapé Asú, localizada na Reserva Biológica do Cuieiras, do Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia - INPA, que abrange uma área de aproximadamente 22.700 Km2, localizada a 50 km ao Norte de Manaus, do km 34 da entrada vicinal ZF-2 (coordenadas geográficas: 2o35’21,08’’ S e 60o06’53,63’’W) (Figura 1a) (ANEXO 1) (HIGUCHI et al., 1998; MONTEIRO et al., 2015).

Figura 1a: Mapa de localização da área de estudo e pontos de amostragem dos extratores, dos pluviômetros e piezômetros.

6.1.1 CARACTERIZAÇÕES DA ÁREA DE ESTUDO  Vegetação e solo

Os solos são muito argilosos (Latossolos Amarelos) no platô; argilo arenosa na vertente (Argissolos) e arenosos na área do baixio (Espodossolos) (FERRAZ et al., 1998; MARQUES, 2012). A vegetação no gradiente topográfico , abrange uma área de platô que possui uma floresta de biomassa alta em torno de 35-40 m de altura, com várias árvores emergentes (45 m), como Dinizia excelsa e também com várias palmeiras sem

36 tronco, como Attalea attaleoides e Astrocaryum sciophilum; na vertente a floresta é menor com altura em torno de 25-35 m, com poucas árvores emergentes, e existem algumas espécies de árvores que só ocorrem nesse habitat; no baixio, em solos encharcados durante a estação chuvosa encontramos baixa biomassa e árvores com altura entre 20-35 m, poucas árvores emergentes, e várias árvores possuindo raízes aéreas e adventícias, e também possuem várias espécies de palmeiras arbóreas, como Oenocarpus

bataua e Mauritia flexuosa (LUIZÃO et al, 2004).

 Hidrologia - Precipitação

A área conta com uma série histórica de aproximadamente dezenove anos de dados pluviométricos obtidos com pluviômetros instalados ao longo da microbacia. Para este estudo foram utilizados dados de três pluviômetros para o período de setembro 2017 a junho de 2018. Os mesmos estão distribuídos em áreas de platô (torre T7), de baixio (torre T8) e em área de campo aberto (torre S2) (Figura 1a). Os dados foram disponibilizados pelo grupo de hidrologia da Coordenação de Pesquisas Hidrológicas (CPH/LBA/INPA).

6.2 METODOLOGIA DE COELTA

Foram obtidas amostras de água subterrânea, da água da chuva e água do igarapé Asú. As coletas corresponderam ao período de nove meses que abrangeram a época seca e chuvosa (setembro de 2017 a junho de 2018). Para a amostragem da água subterrânea na zona saturada e da precipitação, foram realizadas coletas semanais e quinzenais respectivamente. E para amostragem da água no igarapé foram semanais. Os componentes medidos e analisados são amostrados na Figura 2a.

37 6.3 COLETAS NO SOLO

Foram instalados 6 extratores para extração da água subterrânea na zona saturada no gradiente topográfico (3 na vertente e 3 no baixio), nas profundidades de 1,0 a 2,0 m, sendo que o primeiro extrator está a 20 m do igarapé na margem esquerda (Figuras 1a e 3a). As coletas da água subterrânea na zona saturada foram obtidas pela técnica de lisímetro (ANEXO 1) (tubo de PVC com uma cápsula porosa em uma das extremidades), ou seja, pela sucção para dentro da cápsula aplicando-se uma diferença de pressão de aproximadamente 50 Kpa, através de uma bomba de vácuo conectada aos extratores. Após as coletas todas amostras eram filtradas in loco.

Figura 3a: Desenho esquemático da disposição dos extratores instalados que foram utilizados para coleta da água subterrânea no baixio e vertente.

Para amostragem de referência foram coletadas amostras dos piezômetros no baixio (2,30 m de profundidade a 7,0 m do igarapé Asú), e na vertente (1,72 m de profundidade a 64,0 m do igarapé Asú) e no platô (40,0 m de profundidade nas proximidades da torre K34 a 500m igarapé Asú) (Figura 3a). Foram obtidos valores diários do nível estático através do sensor LGR da Hobbo onset (range 0 a 30,5 m) (ANEXO 1), para obtenção do nível d’água subterrânea, os dados foram disponibilizados pelo grupo de hidrologia da Coordenação de Pesquisas Hidrológicas (CPH/LBA/INPA).

38 6.4 COLETAS DA PRECIPITAÇÃO

Foram instalados 30 (trinta) coletores de precipitação interna sendo 15 na área de platô e 15 na de baixio; e 4 em área aberta, dispostos aleatoriamente. Os coletores tinham as seguintes características: coletores em tubos de PVC de 150 mm de diâmetro por 150 cm de comprimento, com uma abertura lateral de 7 por 140 cm para permitir a entrada da água, esta abertura forma uma área de 980 cm2 _{(ANEXO 1). Nestes coletores, a água} escoa da calha de PVC para dentro de um funil, contendo uma tela para reter galhos e folhas, e deste para dentro de um galão de amostragem (MONTEIRO, 2013). Os coletores ficaram a uma altura de 1 m acima do solo, suspensos em uma estrutura de madeira. Durante a coleta foram medidos os volumes e retirou-se uma alíquota de 24 mL em triplicata para análise de COD. Após cada coleta os coletores eram trocados de posição.

6.4.1 COLETAS DO IGARAPÉ

Foram coletados água do igarapé Asú (segunda ordem), a 30 cm de profundidade, medidos em volumes de 1L (um litro) e retirou-se uma alíquota de 24 mL em triplicata para análise de COD e outra alíquota de 40 mL para análise de CID.

6.5 ANÁLISES DO COD E DAS VARIAVEIS PH E CONDUTIVIDADE ELETRICA

Para determinação de carbono orgânico dissolvido (COD) as amostras foram filtradas com filtros de fibra de vidro (Whatmann, GF/F), pré-calcinados a 500 oC por 5 horas, armazenadas em frascos de vidro também calcinados e preservadas com 25µL de HCl (10%). Para determinação de carbono inorgânico dissolvido (CID) as amostras foram filtradas com filtros de acetato de celulose (com porosidade de 0,45μm) e preservados com Thymol. As amostras foram analisadas utilizando o equipamento Analyzer TOC-VCPH – da marca Shimadzu (Anexo 1). As medições de pH foram feitas com um pHmetro modelo Orion 290APlus, a condutividade elétrica foi determinada com condutivímetro digital modelo Amber Science 2052 e ambos equipamentos foram calibrados no laboratório química ambiental do Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia.

39 E para os cálculos estatísticos (médias, desvio padrão, e coeficiente de correlação), foram utilizados o Microsoft Excel 2013 e o programa R.i386 (versão 3.5.0).

7. RESULTADOS E DISCUSSÃO

A precipitação espacial observada para o período de dez meses (setembro de 2017 a junho de 2018) variou de 2072,2 mm para área do baixio a 1693,52 mm para área do platô. O menor valor mensal registrado para o período foi de 80,6 mm (setembro/2017) para o pluviômetro que se encontra na área externa da floresta (Figura 4a). De acordo com TELLES (2003) e TOMASELLA (2007) na estação seca os valores de precipitação não ultrapassam 100 mm mensal na Amazônia Central. Esta diferença de precipitação, pode inferir que está associada ao relevo, por possuir uma mudança de espécies arbóreas, logo, apresentando uma cobertura de área foliar diferente entre platô e baixio.

Figura 4a: Gráfico da precipitação total no período de setembro de 2017 a junho 2018, e valores máxima e mínima mensal dos pluviômetros estudados.

Nível do lençol freático

Considera-se o nível do solo (superficial = 0 m) acima, de valores positivos e abaixo, valores negativos. O nível do lençol freático para o baixio no período seco foi de -0,335m (± 0,42 m), enquanto no período chuvoso foi de 0,091 m (± 0,25 m). O nível d’água na zona saturada, oscilou com máxima de 0,95 m e a mínima de -1,23 m. Para a vertente a profundidade média no período seco foi de -0,043 m (± 0,08 m), enquanto no

40 período chuvoso foi de 0,028 m (± 0,06 m). O nível d’água para este ambiente teve uma oscilação máxima de 0,19 m e a mínima registrada foi -0,28 m (Figura 5a). E de acordo com observado o conteúdo de água integrado na área baixio (solo arenoso), experimentou maior variação na disponibilidade hídrica, diferentemente foi na área de vertente (solo argiloso), onde permaneceu com menor variação entre o período seco e chuvoso, contudo demonstrou maior retenção de água, esse fato é explicado devido a diferença dos constituintes na composição do solo da área de estudo, e estudo realizado com este tipo de textura de solo apresentou exatamente o movimento de infiltração mais lento (argiloso) e rápido (arenoso) no sentido descendente (COONEY & PETERSON, 1955).

Figura 5a: Gráfico da relação do nível do lençol freático (m) para o baixio (PR09) e vertente (PR07) com a precipitação (mm) dos pluviômetros: T8, T7 e S2, correspondente ao período de setembro de 2017 a junho 2018.

Observou-se uma relação direta entre o nivel do lençol freático e a precipitação, isto é, a oscilação de subida ou descida do lencol freatico variou com a precipitação. Para o mês de janeiro/2018 onde foi registrado a maior precipitação (335 mm), também foi observado a subida do nivel d’água em ambos piezometros para baixio e vertente (PR09 e PR07), e o mesmo comportamento foi observado no mês de março de 2018, no entanto com a precipitação na faixa de 100mm (Figura 5a). E conforme foi verificado que essa disponibilidade hidrica, no lencol freatico teve maiores influencias no periodo chuvoso, onde foi possivel notar que as oscilações de subida e rebaixamento do nivel da água variou com a precipitação. E estudos realizados corroboram que a precipitação pode afetar a movimentação do lençol entre os horizontes do solo (BARBIÉRO, et al. 2000).

41 8.1 VARIÁVEIS PH E CONDUTIVIDADE NA ÁGUA DA CHUVA E

SUBTERRANEA

Os valores da condutividade elétrica na água da chuva foram menores na precipitação total (PT) 6,70 ± 3,28 µS.cm-1, do que em relação a precipitação interna da área do baixio (PIB) 9,51 ± 2,65 µS.cm-1 e da área do platô 12,11 ± 3,79 µS.cm-1 (PIP). Esses valores corroboram dos encontrados também por MONTEIRO et al, (2014) em estudos realizados na mesma área. Os maiores valores de condutividade elétrica foram observados no período seco (PIP.s), em relação ao período chuvoso (PIP.c). Nos demais pontos de amostragem, PIP.c e PIB.s, os valores da condutividade tanto no período seco quanto no chuvoso, tiveram poucas variações (Figura 6a). Essas diferenças de condutividade entre a precipitação total e precipitação interna está relacionada pela composição de espécies arbóreas, ou seja, na precipitação total (PT) não tem interferência da vegetação, diferentemente da precipitação interna (PI) ocorre a lavagem das folhas, composta por sais e nutrientes, sendo assim alterando a concentração entre o meio, consequentemente elevando a condutividade. E essa disparidade foi observada na sazonalidade (PIP.s e PIP.c), fato que também está associado a lavagem da cobertura foliar, no período chuvoso.

Figura 6a: Gráfico da média mensal do comportamento da condutividade elétrica para a precipitação no período de estudo e para o período sazonal (seco e chuvoso).

A condutividade elétrica na água subterrânea (zona saturada - igarapé) apresentou valores médios de 16,31 ± 3,44 µS.cm-1_{. Em relação a sazonalidade, variações foram}