JBCS

INTRODUÇAO

O constante aumento das emissoes de gases responsáveis pelo efeito estufa talvez seja uma das principais preocupaçoes ambientais em tempos atuais. Dentre esses gases destaca-se o dióxido de carbono (CO₂), responsável por cerca de 60% da intensificaçao do efeito de estufa, uma vez que desde o início da revoluçao industrial as concentraçoes desse gás na atmosfera passaram de 280 ppm para cerca de 390 ppm.^1-3

Nos países em desenvolvimento, mudanças no uso e na cobertura da terra, especialmente em ambientes savânicos e florestais, sao apontadas como uma das principais causas do aumento das concentraçoes de CO₂ atmosférico, uma vez que a substituiçao desses biomas nativos por atividades agrícolas leva ao aumento das emissoes de CO₂ pelo solo.⁴

As emissoes de CO₂ pelo solo correspondem ao CO₂ produzido pela respiraçao das raízes e dos microrganismos presentes no solo, responsáveis pela decomposiçao aeróbica de matéria orgânica (MO), sendo influenciadas pelo tipo de vegetaçao presente, e pelas características do solo. Dentre as principais características do solo que influenciam as emissoes destacam-se: umidade, temperatura, textura e estrutura do solo (características físicas); conteúdo de fósforo, relaçao C/N, pH (características químicas); atividade microbiana (características biológicas), bem como parâmetros climáticos como temperatura, umidade do ar e radiaçao fotossinteticamente ativa.^5-14

Na busca do entendimento dos processos que influenciam o balanço global de carbono e, consequentemente, o aquecimento global, diversos estudos e levantamentos foram efetuados nas últimas décadas buscando caracterizar os efluxos de CO₂ pelo solo nos mais diversos biomas do globo terrestre. Emissoes em clima temperado sao maiores no verao do que no inverno, independentemente do tipo de cobertura vegetal.^15-17

A quantificaçao das emissoes de CO₂ também é tema relevante, e a busca por equipamentos de baixo custo e de fácil manuseio em campo tem sido constante. Dentre os métodos empregados, o da câmara dinâmica determina o fluxo de CO₂ emitido baseado na variaçao de concentraçao dos gases emitidos pelo solo no interior da câmara,¹⁸ com determinaçao direta das concentraçoes por analisadores de gás infravermelho, também conhecido como IRGAS, do inglês, Infra Red Gas Analiser. No presente estudo foi utilizado equipamento desenvolvido a partir de um analisador de gás infravermelho (IRGA), modelo LI-840 da Li-Cor, acoplado a uma câmara dinâmica, representando alternativa a diversos sistemas comerciais disponíveis.¹⁹

No Brasil, estudos em ambientes florestais foram realizados especialmente no bioma Amazônico, e taxas de emissao de CO₂ da ordem de 4 a 6 mmol CO₂ m^-2s^-1 foram medidas por diversos autores.^20-23 Nessas áreas foram encontradas relaçoes significativas entre as emissoes de CO₂ e a umidade do solo, condicionando a existência de fluxos de carbono maiores para a atmosfera durante a estaçao chuvosa, indicando que a umidade e a temperatura do solo seriam os principais condicionadores da respiraçao do solo na área.²⁴

No estado de Sao Paulo nao existem registros das taxas de emissao em áreas florestais, especialmente naquelas situadas no bioma da Mata Atlântica, e os levantamentos realizados foram exclusivamente em áreas de cultivo de cana de açúcar, sendo observadas variaçoes nas emissoes devido à topografia e aos tipos de manejo empregados.^24-26

Propostas de restauraçao florestal indicadas no Pacto pela Restauraçao da Mata Atlântica preveem o plantio e a restauraçao de 15 milhoes de hectares em todo o Brasil até o ano de 2050.²⁷ Esta iniciativa irá provocar uma mudança regional no uso e ocupaçao do solo, o que deve alterar os balanços de CO₂, ressaltando o papel da Mata Atlântica como reguladora ecossistêmica dessas emissoes.

Em funçao da inexistência de mediçoes das emissoes de CO₂ em áreas da Mata Atlântica no estado de Sao Paulo, o presente estudo teve como objetivo principal a quantificaçao das taxas de emissao de CO₂ no solo em duas áreas florestais, sob diferentes estágios de regeneraçao, implantadas com espécies nativas, dentro do domínio morfoclimático da Mata Atlântica, localizadas na Floresta Estadual Edmundo Navarro de Andrade (FEENA), na cidade de Rio Claro (SP). Além disso, buscou-se correlacionar essas emissoes com parâmetros atmosféricos e físico-químicos do solo, de modo a estabelecer quais dessas variáveis, agrupadas em um modelo estatístico, seriam capazes de prever as taxas de emissao de CO₂ pelo solo para as condiçoes das áreas estudadas.

PARTE EXPERIMENTAL

Descriçao da área de estudo

O trabalho foi desenvolvido no município de Rio Claro, SP, em área localizada nas coordenadas 22^o 24'15" de latitude Sul e 22^o24'15" de longitude Oeste, a 675 m acima do nível do mar. O clima na regiao é Cwa na classificaçao climática de Koppen, com medias anuais de precipitaçao e temperatura, respectivamente, 1534 mm e 20 ^oC.²⁸

A área de estudo estava localizada na Floresta Estadual Edmundo Navarro de Andrade, especificamente num Argiloso Vermelho eutroférrico, domínio floresta estacional semidecidual, nos talhoes 23 e 15 ocupados com plantios de espécies nativas implantados, que se encontram em estágios distintos de desenvolvimento da vegetaçao.²⁸

A primeira área amostral, o talhao 23, foi implantado em 1916 em uma área de 1,1 ha, com 70 espécies indígenas de 25 famílias diferentes, no espaçamento 2x3 m em linhas homogêneas (mono especificas).²⁸ Caracterizando-se como uma das primeiras experiências silviculturais com espécies nativas do Brasil, o que demostra seu valor histórico, das originalmente implantadas restam apenas cerca de 40 espécies, o dossel de grande porte com cerca de 30 a 40 m de altura, a regeneraçao de sub-bosque é abundante e apresenta outras formas de vida.²⁹

A segunda área selecionada, o talhao 15, foi ocupada por eucalipto, entre 1909 e 2004, quando ocorreu o último corte, o local foi colonizado por espécies gramíneas, reflorestado somente em 2014 com aproximadamente 80 espécies indígenas diferentes com o objetivo de restauraçao florestal. Antes do período de coleta de dados as gramíneas foram dessecadas, em funçao dessa configuraçao, e apresenta similaridade com áreas agrícolas, enquanto que no talhao 23 aparentemente as funçoes ecológicas do solo e da floresta estao reestabelecidas.

Mediçao da emissao de CO₂ no solo

As mediçoes das taxas de emissao CO₂ foram realizadas entre os meses de maio de setembro de 2014 e maio de 2015, períodos em que as taxas pluviométricas sao menores, evitando-se, dessa maneira, a interrupçao dos trabalhos de campo. As mediçoes foram executadas em duas parcelas amostrais de 900 m², nos talhoes 15 e 23, nas quais foram instalados 17 e 15 pontos de mediçao, respectivamente. Buscou-se manter uma distância mínima de 10 m entre os pontos externos, enquanto na porçao central a distância entre os pontos foi reduzida para 5 m.

As determinaçoes das taxas de emissao de CO₂ foram realizadas com um equipamento portátil desenvolvido especificamente para essa finalidade, constituído por um analisador de gás infravermelho (IRGA), modelo LI-840, da marca Li-Cor, acoplado a uma câmara dinâmica feita com tubos de PVC com diâmetro de 150 mm, por meio de uma bomba de circulaçao. O volume interno dessa câmara é de 0,0034 m³ e sua área superficial de 0,016052 m².¹⁹

Em cada ponto foram efetuadas entre 3 e 5 medidas de fluxo, com tempo de leitura de 3 a 4 minutos que permitia o acúmulo de CO₂ no interior da câmara. Entre cada uma das leituras a câmara era aberta e o CO₂ armazenado no interior da câmara era instantaneamente liberado (Figura 1).

Figura 1. Mediçoes dos fluxos de CO₂ efetuados em campo. Observar o aumento das concentraçoes, indicando que a câmara estava fechada. As quedas bruscas nas concentraçoes indicam a abertura da câmara

Este sistema possui vantagens em relaçao aos diversos sistemas comerciais disponíveis para este fim, destacando-se o baixo custo total e de manutençao do sistema, uma vez que tanto a câmara quanto seu sistema de acionamento sao feitos com componentes facilmente encontrados no comércio; a possibilidade de controle automático ou remoto via internet; a possibilidade de troca do detector para medidas de outros gases e de medida simultânea de outros parâmetros como, por exemplo, umidade, temperatura, pressao e velocidade do ar no local da amostragem.¹⁹

Previamente às leituras de campo, o equipamento foi calibrado com duas misturas de gases com concentraçoes conhecidas. A primeira mistura contendo apenas nitrogênio puro, portanto com 0 ppm de CO₂ (0% CO₂), e outro com uma concentraçao de 354,4 ppm de CO₂ (0,035% CO₂). Os gases foram adquiridos da White Martins com certificaçao de concentraçoes.

Para a fixaçao da câmara de mediçao, com 72 h antes das mediçoes, foram instalados anéis de PVC que permaneceram fixos ao solo durante todo o período de coleta, de modo a minimizar efeitos decorrentes da alteraçao na estruturaçao da serapilheira. Ao todo foram efetuadas 120 medidas das taxas emissao de CO_2, dessas mediçoes 71 foram realizadas no talhao 15, e 49 no talhao 23.

Em cada ponto de mediçao do fluxo de CO₂ foram registradas a temperatura e umidade do ar, a pressao com uma estaçao meteorológica compacta da marca ANOVA, a temperatura do solo por meio do sistema de aquisiçao de dados KD 2Pro (Decagon, USA), sempre a 5 centímetros do ponto de coleta. Além dessas mediçoes foram coletadas amostras de solo nos talhoes 15 (17 pontos) e 23 (10 pontos), com auxílio de canivete, descartando a serapilheira, na camada de 0-5 cm, uma vez por ponto em setembro de 2014, para a determinaçao em laboratório dos conteúdos de carbono, pelo método de Yemoans e Bremmer, e nitrogênio, determinado pelo método de Kjeldahl.^30,31

Analise estatística dos dados

Uma alternativa para avaliar a complexidade das relaçoes existentes entre uma variável dependente e variáveis independentes associadas é o uso de técnicas estatísticas multivariadas como a regressao múltipla, ou técnicas semelhantes, amplamente empregados em estudos ambientais.³² A avaliaçao estatística das regressoes lineares simples, regressao linear múltipla entre as emissoes de CO₂ e as variáveis edafoclimáticas foi realizada com o auxílio do software BIOSTAT 5.0.³³

Para a regressao múltipla é condiçao que os erros devem apresentar distribuiçao gaussiana, sendo independentes entre si com média zero e variância constante. Além desse pressuposto, os dados devem satisfazer: linearidade, homocedasticidade e heterocasticidade, atençao deve ser dada a existência de possíveis pontos discrepantes (outliers), bem como a presenças de multicolinearidade entre as variáveis.³²

RESULTADOS E DISCUSSAO

Descriçao dos parâmetros estudados no projeto

Os valores de respiraçao do solo, registrados durante a execuçao deste projeto, variaram entre 0,51 mmol CO₂ m^-2 s^-1 e 3,86 mmol CO₂ m^-2 s^-1, com valor médio de 1,63 mmol CO₂ m^-2 s^-1. Observou-se, de maneira geral, que as emissoes de CO₂ medidas no talhao 15 foram menores que as medidas no talhao 23, com variaçoes respectivamente entre 0,51 e 2,59 mmol CO₂ m^-2 s^-1 (média de 1,38 mmol CO₂ m^-2 s^-1) e entre 0,61 e 3,86 mmol CO₂ m^-2 s^-1 (média de 1,92 mmol CO₂ m^-2 s^-1) (Tabela 1). ³⁴

Essas diferenças observadas podem ser associadas ao tipo de cobertura existente em cada uma das áreas. Enquanto no talhao 15, reflorestado em 2014, a cobertura é caracterizada basicamente por espécies gramíneas, que haviam sido dessecadas antes do período de coleta de dados, resultando em espessa camada de palha sobre o solo, associado à pequena quantidade de raízes no solo, no talhao 23, reflorestado em 1916, foi observado que o estado de regeneraçao florestal é avançado. Na área está presente um denso sub-bosque, com indivíduos arbóreos estabelecidos no dossel da floresta e funçoes ecológicas reestabelecidas. Consequentemente, verifica-se uma quantidade de raízes maior, presença de serapilheira e melhores condiçoes físico-químicas e biológicas do solo.

As variaçoes observadas para as variáveis edafoclimáticas (Tabela 1) indicam que as maiores médias para os parâmetros umidade do solo e do ar, da relaçao C/N e da pressao atmosférica foram medidas no talhao 23, enquanto que no talhao 15 foram registradas as maiores médias de temperatura do ar e do solo. As variaçoes observadas nos parâmetros físicos e químicos do solo (relaçao C/N e umidade) podem ser associadas às características distintas das duas áreas, enquanto variaçoes nos parâmetros climáticos estao associadas às datas distintas da realizaçao dos levantamentos em cada um dos talhoes.

Emissao de CO₂ e as variáveis edafoclimáticas medidas

Correlaçoes existentes entre as taxas de emissao de CO₂ pelo solo e variáveis ambientais foram observadas por diversos autores.^5-14 As diferenças na cobertura vegetal das duas áreas refletem-se nas correlaçoes entre as variáveis e os fluxos de CO₂ pelo solo (Tabela 2). Enquanto no talhao 15 as taxas de emissao de CO₂ do solo apresentaram uma correlaçao linear significativa com a relaçao C/N (r = 0,27, p < 0,05) e o horário de mediçao (r = 0,33, p < 0,01), no talhao 23 se observa a correlaçao linear com a umidade do solo (r = 0,55, p < 0,0001).

A existência de correlaçao entre a umidade do ar e as emissoes de CO₂ foi observada no talhao 23 (r=0,28, p<0,055), e está possivelmente associada à conservaçao da umidade sob o dossel das árvores. Entretanto, a influência deste fator nao foi devidamente investigada nestas condiçoes, uma vez que em clima temperado a correlaçao negativa entre essas variáveis foi observada.³⁵

A temperatura do ar apresentou uma correlaçao negativa com a respiraçao do solo (Tabela 2) nos talhoes 15 (r=-0,21, p<0,08) e 23 (r=-0,21, p<0,13), entretanto, sem nível de significância. Apesar da nao significância da correlaçao, o comportamento observado é inverso ao descrito em outros estudos, que mostram uma correlaçao positiva entre as emissoes de CO₂ e a temperatura.¹⁴

A umidade do solo apresentou uma correlaçao positiva significativa com as emissoes quando analisados do talhao 23, enquanto no talhao 15 observa-se correlaçao positiva, porém nao significativa (Tabela 2), indicando que a umidade pode ser um dos principais controladores da emissao em áreas já reflorestadas. Essa correlaçao significativa, entre a umidade e a respiraçao do solo, foi observada por diversos autores, que justificaram o fato da regulaçao da atividade microbiana ser feita pela umidade, em decorrência das reaçoes químicas de decomposiçao da matéria orgânica.^10,23,36

Quando acontece o aumento da umidade do solo, ocorre o aumento as atividades de degradaçao da matéria orgânica pelos microrganismos.³⁶ Entretanto, baixos teores de água no solo afetam a difusao de solutos, enquanto solos saturados afetam a difusao de oxigênio. Ambas as situacoes podem limitar a atividade microbiana e, consequentemente, a respiraçao do solo.^37,38

A relaçao C/N apresentou correlaçao linear positiva com as emissoes no Talhao 15, que acabou de ser reflorestado. Releva-se que as emissoes nessa área possuem pouca influência da respiraçao das raízes das plantas, e possivelmente a quantidade de carbono e nitrogênio no solo podem ser determinantes para a quantidade de CO₂ emitido.

A correlaçao linear positiva observada entre a emissao de CO₂ e o horário da mediçao no talhao 15 deve-se, possivelmente, à incidência direta da luz solar, resultando em uma maior emissao nos horários de maior sol e, consequentemente, de menores umidades e maiores temperaturas do ar.

Regressao linear múltipla

Apesar da observaçao de que inúmeras variáveis sao correlacionáveis às emissoes de CO₂ medidas nas duas áreas, nenhuma delas é capaz de prever satisfatoriamente os valores da respiraçao do solo independentemente. Portanto, a regressao linear múltipla é a ferramenta estatística para buscar a previsao e uma variável dependente, quando esta apresenta correlaçao com diversas variáveis independentes, que pode ser aplicada nesse caso, pois as áreas estao instaladas sobre o mesmo tipo de solo e regime climático. Para se avaliar a capacidade de as variáveis independentes selecionadas preverem a emissao de CO₂ pelo solo na área plantada em 1916 a partir dos 49 dados, estimou-se uma equaçao de regressao linear múltipla utilizando o software BIOSTAT 5.0.³³

Para a elaboraçao das regressoes foi utilizada a temperatura do ar, pois apresentou melhores resultados na regressao que a temperatura do solo. As variáveis aleatórias utilizadas sao a temperatura e umidade do ar, pressao, relaçao C/N e umidade do solo.

A análise dos resultados indica, em nível de 0,05 de significância, que é possível rejeitar a hipótese de nao haver regressao, isto é, o modelo é válido uma vez que o valor p = 0,0011 é menor que 0,05. Dessa forma, conclui-se que pelo menos uma das variáveis explanatórias está relacionada com emissao de CO₂ pelo solo na área do talhao 23.

Apenas a variável independente umidade do solo apresentou correlaçao no nível de significância de 0.05, com coeficiente positivo. A pressao, a temperatura do solo e a correlaçao C/N apresentaram o coeficiente negativo, porem, nao significativas.

O valor do coeficiente de correlaçao do modelo é bom (r=0,62), entretanto, o coeficiente de determinaçao ajustado é baixo (r²=0,31), indicando que apesar da proporçao da variaçao da emissao de CO₂ explicada através do conjunto de variáveis explanatórias (Figura 2), o modelo é falho ao estimar valores que nao se encontram próximos a média, indicando a possível ocorrência de valores "outliers".

Figura 2 Gráfico de comparaçao entre os valores medidos e os valores estimados, e o erro obtido pela regressao linear múltipla no Talhao 23. Observar no alto a correlaçao entre valores observados e medidos

Desta forma, foram observadas que as variáveis selecionadas nao sao completamente satisfatórias para prever as emissoes de CO₂ nestas condiçoes climáticas e de ocupaçao do solo no talhao 23.

Para o talhao 15, a análise dos resultados indica, em nível de 0,05, que é possível rejeitar a hipótese de nao haver regressao, isto é, o modelo é válido, uma vez que o valor de p = 0,0001 é menor que 0,05. Dessa forma, conclui-se que pelo menos uma das variáveis explanatórias está relacionada com emissao de CO₂. A constante da equaçao de regressao e todas as variáveis independentes apresentaram nível de significância inferior a 0,05 e coeficiente positivo, com exceçao da umidade e temperatura do ar significante a p<0,0001, com o coeficiente negativo.

O coeficiente de determinaçao do modelo é mediano (R² =0,47), assim como a relaçao ajustada (R² =0,42), o que representa a proporçao da variaçao da emissao de CO₂ que é explicada através do conjunto de variáveis explanatórias selecionadas (Figura 3). Observa-se que os valores calculados estao superestimando ou superestimando os valores observados e as melhores previsoes ocorrem nos valores médios.

Figura 3 Gráfico de comparaçao entre os valores medidos e os valores estimados, e o erro obtido pela regressao linear múltipla no Talhao 15. Observar no alto a correlaçao entre valores observados e medidos

Considerando todos os dados observados no projeto, a umidade do solo foi a variável com a maior influência na emissao de CO₂ e os modelos estatísticos de previsao se mostraram insatisfatórios para prever a respiraçao do solo nestas condiçoes. Portanto, é necessário investigar se as tendências observadas se repetem em meses ou períodos do ano diferentes do observado.

CONCLUSOES

O equipamento utilizado para a determinaçao das taxas de emissao de CO₂ pelo solo mostrou-se eficiente, uma vez que os valores medidos em diferentes leituras no mesmo ponto nao apresentaram grandes discrepâncias entre si e os resultados obtidos sao compatíveis com os obtidos em outros estudos referentes à respiraçao do solo. Além disso, quando da abertura da câmara, o tempo decorrido para a diminuiçao das concentraçoes originais de CO₂ foi muito pequeno. A automaçao da câmara dinâmica se mostrou funcional, permitiu facilidade de manuseio e coleta, em funçao da velocidade de abertura e a possibilidade de realizaçao de inúmeras leituras de um único ponto. Outras vantagens apresentadas pelo sistema de coleta foram o baixo custo total em comparaçao a modelos similares disponíveis no mercado, a facilidade e o baixo custo de manutençao, uma vez que todas as peças e partes componentes do sistema estao disponíveis no mercado nacional e sao de fácil acesso.

Os valores de respiraçao do solo registrados, durante a execuçao deste projeto, apresentaram valores similares aos obtidos em experimentos conduzidos no interior de Sao Paulo na cultura da cana de açúcar após colheita,^22-24 e menores que os registrados em áreas florestais na Amazônia.^18,20,21 Observou-se uma relaçao importante com a umidade do solo.

Deve ser ressaltado que, em funçao das propostas de restauraçao florestal apontadas no Pacto pela Restauraçao da Mata Atlântica,²⁷ mediçoes prévias de taxas de emissao de CO₂ nesse bioma irao fornecer subsídios para a melhor compreensao do ciclo do carbono nessas áreas, porém, a determinaçao de um patamar de emissao, para áreas florestais dentro do domínio morfoclimatico da Mata Atlântica, ainda carece de maiores estudos.

A respiraçao média do solo no talhao 23 foi 39,1%, superior média registrada no talhao 15. Essa diferença é similar às contribuiçoes, atribuídas por alguns autores, da respiraçao "autotrófica" e "heterotrófica".³⁹ Levando-se em consideraçao as incertezas associadas, nao é possível distinguir claramente sua contribuiçao.

Existem indícios de alguns fatores determinantes para os menores valores de respiraçao no talhao 15, estes nao foram avaliados nesse projeto: a quantidade do sombreamento do solo pela palhada das gramíneas, já que isso pode afetar as taxas de respiraçao do solo, ^40,41 a quantidade de raízes, relacionada à ausência de indivíduos arbóreos com sistema radicular estabelecido, vento, radiaçao solar direta e estrutura física do solo.³⁹

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer à CAPES, pela concessao da bolsa de mestrado ao primeiro autor e ao Departamento de Física da UNESP/Rio Claro pelo apoio logístico.

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