Influência das plantações tropicais de eucaliptos sobre os ciclos do carbono, da agua e dos nutrientes : avanços recentes no Brasil e no Congo

(1)

Influência das plantações tropicais de

eucaliptos sobre os ciclos do carbono, da

água e dos nutrientes:

avanços recentes no Brasil e no Congo

J-P Laclau, Y Nouvellon, JLM Gonçalves, JL Stape, J Ranger,

G le Maire, OC Campoe, C Marsden, AV Krushe, MC Piccolo, MZ

Moreira, L Mareschal, H da Rocha, LEG Barrichelo, J-P Bouillet

São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI EucFlux

http://www.ipef.br/eucflux

C.R.D.P.I

(2)

Por quê estudar plantações de eucaliptos?

Alta relevancia socio-econômica e ambiental:

Precisamos de alternativas para reduzir a pressão sobre

as florestas nativas.

> 20 milhões de hectares no mundo;

Incremento forte no Brasil: 4,5 milhões de ha em 2009;

Uma mesma silvicultura para um uso multiplo da madeira:

-

Industrial: celulose, carvão, paneis,…

(3)

São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

O principal papel do CIRAD: contribuir a melhorar a

agricultura das regiões tropicais.

3 pesquisadores na USP (desde 2002);

Um projeto do IPEF aprovado na Agência Brasileira de

Cooperação sobre este téma;

Excelentes infrastruturas na USP para pesquisa;

Um objetivo comum

de todos os parcerios

:

melhorar a

silvicultura a partir da comprehensão do funcionamento das

árvores: no Brasil mas também em regiões mais pobres;

Por quê comparar o funcionamento das

plantações no Brasil e na Africa?

(4)

Produção das plantações de Eucalyptus

1 ano

2 anos

6 anos

3 anos

Crescimento muito rapido!

Possibilidade de manipulação do

ecossistema.

> 25 m

© C. Marsden

(5)

Baixa produtividade no Congo

15-20 m

3

_ha

-1

_ano

-1

Manejo

florestal

Alta produtividade no Brasil

40-50 m

3

_ha

-1

_ano

-1

Produção de

biomassa

Aguas superficiais e lençol freático

ATMOSFÉRA (CO

₂

e H

₂

O)

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

Recursos

naturais

Água

(6)

Area de proteção permanente

+

Reserva legal: 20%

Biodiversidade é um aspecto importante que deve ser

considerado na escala da paisagem, mas não foi estudado

por nossa equipe

(7)

Uma abordagem biofísica da sustentabilidade

do manejo florestal

Ciclo da água

Evapotranspiração, eficiência de uso da

água, influência sobre o lençol freático,..

Ciclo do carbono

¾

Sequestro de carbono

¾

Principais fluxos (fotossíntesis,

respiração, alocação de C)

¾

Produção de biomassa,…

_{Ciclos dos nutrientes}

¾

Fluxos no ecossistema,

¾

Balanços para a rotação,...

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

Monitoramento

Intensivo nos

sistemas

escolhidos

(8)

Conjunto de abordagens experimentais,

modelagem e sensoriamento remoto

Monitoramento intensivo

em plantações comerciais

(Congo & Brasil)

Medições leves numa

rede de talhões

comerciais

Eddy covariance: Medições

continuas dos fluxos de CO

₂

e H

₂

O

Monitoramento

biogeoquímico: fluxos de

água e nutrientes nas plantas

e no solo

Fluxos na escala das árvores

(fotossíntesis, fluxo de seiva,…)

generalização

Processos

Sensoriamento remoto e

modelagem para

generalizar os resultados

experimentais

Imagens satelites de

resolução media, alta e muito

alta

G’DAY modelo C-H

₂

O-N no

ecossistema

(9)

Projeto EucFlux, Duratex, Itatinga, SP

02/08

09/09 11/09

Colheita Plantio

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

(10)

Trocas de carbono entre atmosféra e floresta

quantificadas por « Eddy-covariance »

Incident Shortwave e

long-wave IR radiation

Reflected Shortwave radiation and

outgoing longwave IR radiation

Net radiation

LI7500

[CO2], [H20], 20hz

3D Sonic anemometer

U, V, W, T (20Hz)

Rainfall

Diffuse PAR, Direct

PAR,

Total PAR

Wind speed, Tair, Air

relative humidity

(11)

Itatinga, SP

Fev 2008 até Ag 2009 (5 a 6 anos)

Abr 2004 até Abr 2006 (2 a 4 anos)

Hinda, Congo

Kissoko, Congo

Jan 2001 até Jan 2002 (2 a 4 anos)

Nos 3 povoamentos

Evapotranspiração real (ETR),

fluxos de calor sensiveis (H), e

fluxos de CO2 foram

estimados por “eddy-

covariance”

Em Itatinga, ETR foi também

estimado por balanço no solo

Eddy fluxos: Li-7500; 3D sonic anemometers Young 81000V

Dados brutos processados com EdiRe

Young 81000V

Li7500

(12)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15

S

e

m

i-h

o

u

rl

y

F

c

(

μ

mo

l m

-2

s

-1

)

Months since February 2008

Inverno

O desafio: quantificar os componentes do C emitido

Respiração

Fotossíntesis

Outros estudos no Brasil:

(13)

750m 725m 725m 1 2 3 4 6 5 7 8 9 11 10 12

‐

Biomassa destrutiva

(n=55)

‐

Decomposição de tocos

(n=20)

‐

Respiração de solo

(a cada 15 dias)

‐

Queda de serapilheira

(15 dias)

‐

Serapilheira depositada

(anual)

Balanço de Carbono

em 12 parcelas

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

Variabilidade dos fluxos de C

na escala do talhão

(14)

GPP (g C m-2 yr-1) 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 T B CF (g C m -2 yr -1) 0.0 0.5 1.0 1.5 9 2 1 11 4 3 10 12 5 8 7 6 Wo od NPP ( g C m -2 y r-1 ) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 9 2 1 11 4 3 10 12 5 8 7 6 WN P P / GPP 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 9 2 1 11 4 3 10 12 5 8 7 6 R2 = 0.84 p < 0.0001 R2 = 0.57 p = 0.005 R2 = 0.002 p = 0.87 A B C

Otávio C. Campoe et al. 2010

A produção de madeira (WNPP )

aumenta com a fixação bruta de C

(GPP) devido a:

(A)

um aumento de carbohidratos

produzidos(GPP);

(B)

um aumento da partição para a

produção de maderia (WNPP).

(C) A alocação de C no solo (TBCF)

não muda com a fixação bruta

de C (GPP)

Projeto EUCFLUX, Itatinga (SP)

Consistente com outros resultados

no Brasil (rede BEPP)

(15)

0 1 2 3 4 5 6 25/06/10 30/06/10 06/07/10 11/07/10 16/07/10 21/07/10 26/07/10 01/08/10 F c ( µ mo l m -2 s -1 )

Chuva

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

Medições automáticas da

Respiração do solo

CH1 CH2 CH3 CH4 Label

Chuva

(16)

Uso de água = evapotranspiração real

Florestas nativas: alta ETR é bom!

_?

_{Eucaliptos: alta ETR é mal!}

Opinião pública

Para plantações de Eucalyptus, altas ETR significam:

POSITIVO:

Perdas de nutrientes baixas

Úmidade da atmosféra

NEGATIVO:

(17)

(18)

(19)

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

0 100 200 300 400 500 600 700 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 2008 2009

Days since January 2008

θ

v

(m

3

m

-3

)

0.15 m 0.5 m 1.0 m 0 100 200 300 400 500 600 700 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 2008 2009

Days since January 2008

θ

v

(m

3

m

-3

)

2.0 m 3.0 m 4.0 m 0 100 200 300 400 500 600 700 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Days since January 2008

θ

v

(m

3

m

-3

)

5.0 m 6.0 m 7.0 m 0 100 200 300 400 500 600 700 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

Days since January 2008

θ

v

(m

3

m

-3

)

8.0 m 9.0 m 10.0 m

Não teve drenagem

a prof. > 5 m

(20)

0 100 200 300 400 500 600 700 0

2 4 6

Days since January, 1, 2008

AETcorr (mm d

-1 0 100 200 300 400 500 600 700 0 20 40 60 80

Days since January, 1, 2008

Rainfall (mm d

-1

)

0 100 200 300 400 500 600 700 1000 1100 1200 1300 1400

Days since January, 1, 2008

SWC 0-10m (mm)

ETR medida por

eddy-covariance

ET

R corr. (mm d

Chuvas

(mm)

C

A

S 0-10 m (mm)

Dias desde o 01/01/2008

Pluviometria

(21)

0 100 200 300 400 500 600 700 0 500 1000 1500 2000 1798 mm 1665 mm

Days since January, 1, 2008

Cu

m

u

la

te

d

AET

(

m

)

Apr 1, 2008 Aug 31, 2009 AET-SWB AET-EC

ETR acumulada

(mm)

Dias desde 01/01/2008

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

Boa correspondência entre ETR

estimada pelo método de eddy-

covariance e ETR estimado pelo

balanço de água no solo até 10 m

de profundidade (corrigindo pelo

balanço radiativo)

Comparação entre ETR acumulada avaliada por

eddy-covariance e por balanço de água no solo

Absorção baixa de água além de 10 m de

profundidade ou no lençol freático.

Balanço de água no solo

Eddy-covariance

(22)

Itatinga

Kissoko

Hinda

Radiações globais (MJ m

-2

_ano

-1

₎

₆₃₄₂

₄₄₉₄

₄₂₂₀

Radiações líquidas (MJ m

-2

_ano

-1

₎

₃₈₃₄

₂₇₅₄

₂₇₂₄

Pluviometria anual (mm ano

-1

₎

₁₃₆₀

₁₁₂₅

₁₂₀₀

ETR (mm ano

-1

₎

₁₃₆₀

₇₄₇

₆₄₈

Drenagem profunda (mm ano

-1

₎

₀

₃₇₈

₅₅₂

LAI (m

2

_m

-2

₎

_3,2

_2,4

_1,4

Produção de madeira do tronco

(t MS ha

-1

_ano

-1

₎

_18,5

_16,6

_11,4

EUA para produção de madeira do

tronco (g MS kg

-1

_H20)

_1,4

_2,2

_1,8

1

1 Fortes variações de ETR em função da distribuição das chuvas, solo, adubação, material vegetal,…

2

2 Entretanto, achamos fortes variações de EUA => perspectivas: produção de madeira

e ETR

CONGO

BRASIL

E. grandis

E. urograndis

E. híbrido

(23)

Nivel do lençol freático

-2000 -1900 -1800 -1700 -1600 -1500 -1400 -1300 1/10 1/11 1/12 1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 Date D e pt h of t he w a te r t a bl e ( c m ) Piezometer 1 Piezometer 2 Piezometer 3

Piezometro instalado até 20 m de profundidade

+ 4 m

Corte raso

Subida de 4 m do lençol

freático após colheita

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

(24)

Exploração do solo pelas raizes finas (diâm. < 1 mm)

20% Argila

40% Argila

0 100 200 300 400 500 600

Idade : 1 ano

Idade : 2 anos

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Eucalyptus: um filtro eficiente!

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 100 200 300 400 500 600

Profundidade máxima das raizes

= 85% da altura das arvores

6 – 9 4 – 6 2 – 4 1 – 2 0.5 – 1 0 – 0.5 # roots / 25 cm2 6 – 9 4 – 6 2 – 4 1 – 2 0.5 – 1 0 – 0.5 # roots / 25 cm2 # raizes / 25 cm2

(25)

Balanços de nutrientes e fertilidade do solo

-300 -250 -200 -150 -100 -50 0 50

Scenario 1 Scenario 2 Scenario 3 Scenario 4

Harvesting method In put -out p ut budge ts ( k g ha -1 r o ta ti o n -1 ) N P K Ca Mg

No Congo

Cenários de colheita:

Cenario 1: Tronco sem caca.

Cenario 2: Tronco sem caca + galhos. Cenario 3: Tronco com casca.

Cenario 4: Arvore enteira.

Mais conservativo

Tronco sem casca colhido Arvore enteira colhida

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

Cenário 1

Cenário 2

Cenário 3

Cenário 4

Método de colheita

Entradas

–

s

aidas

(kg

ha

-1

rotação

-1

)

(26)

Balanços (kg ha

-1

₎

_N

_P

_K

_Ca

_Mg

ITATINGA

- Tronco sem casca colhido

- Tronco com casca colhido

- Tronco + galhos grossos colhidos

- Arvore enteira colhida

24 -11

-21

-124

20

15

14

7

99

81

76

51

406

306

299

276

220

199

197

184 Em Itatinga, as adubações conduzem a um aumento dos

estoques de nutrientes no solo.

excepto para nitrogênio se a casca e os galhos são

exportados dos talhões.

Balanços de nutrientes e fertilidade do solo

(27)

Em solos arenosos (90% de areia no

Congo e 75% em Itatinga) as perdas a

3 m de profundidade são < deposições

atmosféricas.

Qual é o parcelamento da

adubação a aplicar nas empresas?

-50 -30 -10 10 30 50 Total deposition Th+Sf Forest Floor Depth 15 cm Depth 50 cm Depth 100 cm Depth 200 cm Depth 300 cm Depth 400 cm Depth 600 cm Fluxes of K+ (kg ha-1 year-1)

CONGO

ITATINGA

Lixiviação de nutrientes e parcelamento da adubação

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

Fluxos de K+ _{(kg ha}-1 _ano-1₎ Deposição total CsD + Et Abaixo Serap. Prof. 15 cm Prof. 50 cm Prof. 100 cm Prof. 200 cm Prof. 300 cm Prof. 400 cm Prof. 600 cm

Laclau et al., 2010 0-1 AP 6-9 AP 1-2 AP 2-3 AP 3-4 AP 3

(28)

0 20 40 60 80 100 120 140 0 1 2 3 4 5 6

Stand age (years)

S

te

m

w

o

d

ry

m

a

tte

r (M

g

h

a

-1

)

-K-Na +K +Na

Madeira do tronco

(Mg MS ha

-1

)

Idade do povoamento (anos)

Na idade de 6 anos:

• Biomassa de madeira x 1,5 com aplicação de NaCl;

• Biomassa de madeira x 2,2 com aplicação de KCl.

Substituição do K

+

pelo Na

+

Almeida et al., 2010

Primeira vez que uma resposta positiva

ao aporte de NaCl foi demostrada em

floresta;

Custo do NaCl < 20% do custo do KCl;

Uma adubação misturando KCl e NaCl

poderia ser promissora para as

empresas;

Pesquisas necessarias para entender

os processos envolvidos.

(29)

Modelagem espacial dos balanços de C, água e nutrientes

Modelo ecofsiológico na

escala do talhão

Simulações dos balanços de C, água

e nutrientes na escala do talhão

Sensoriamento

remoto

Inventario florestal

Mapas de solo

Meteorologia

Parameterização do

modelo para cada

talhão

Simulações na

escala regional

Mudança de escala

(30)

“Simples” mas com uma

descrição dos principais

processos biofísicos entre

as plantas e o solo.

O modelo G’Day

(31)

Parameterização sobre uma rotação completa em Itatinga (E.E. Esalq)

representativa da silvicultura nas empresas

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

04 05 06 07 08 09 10 0 5 10 15 20 25 30 35 Yearl y cumulative flux ( tC h a -1 yr -1 )

Cumulative net primary production

03 04 05 06 07 08 09 10 0 100 200 300 400 500 600 Plant Avai la ble W ate r ( mm) Soil Water 0-5m 04 05 06 07 08 09 10 0 10 20 30 40 50 Ano tC ha -1

Carbon in biomass compartments

04 05 06 07 08 09 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 tC ha -1 yr -1 Ano Deposição de serapilheira

simulated leaf fall measured leaf fall simulated branch fall meaured branch fall simulated bark fall measured bark fall simulated Stem C measured Stem C simulated leaf C measured leaf C simulated plant C measured plant C measured PAW500 simulated PAW500 simulated NPP measured NPP

Produtividade primaria líquida acumulada Agua no solo 0–5 m

(32)

Integração no modelo G’Day

Validação com medições

destructivas

LAI estimado

inversando

as imagens

MODI

S

(33)

Biomassa do tronco (t C ha

-1

₎

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Sim = 0.86*Med+ 6.79 r2=0.91; p<0.001; RMSE=3.99 tC ha-1

Medido (t C ha

-1

₎

Simulado

(t C ha

-1

)

G’Day com LAI forçado pelo

sensoriamento remoto

(34)

Pesquisas prioritárias ao curto prazo:

Estudar os efeitos das interações entre os ciclos de C,

água e nutrientes sobre o funcionamento das árvores;

Experimento cruzando redução de chuva com disponibilidade de nutriente

(E.E. da Esalq em Itatinga)

(35)

Introdução

Carbono

Água

Nutrientes

Modelagem

Perspectivas

Pesquisas prioritárias ao curto prazo:

A intensificação ecológica da produção;

Experimentos com plantações consorciadas de eucaliptos e acacias

(E.E. da Esalq em Itatinga + empresas florestais)

(36)

Desde 2008:

Recursos:

- Obtidos: Empresas do IPEF (10), ANR - CIRAD (França), + apoio técnico da USP;