Tese Alexandra Correia 1Out2013

89 Pages·2013·5.72 MB·Portuguese

Balanço de carbono em ecossistemas mediterrânicos

Alexandra Cristina Pires Correia

Tese apresentada para obtenção do grau de doutor em
Engenharia Florestal e dos Recursos Naturais

Orientador: Doutor João Manuel Dias dos Santos Pereira

Presidente: Reitor da Universidade Técnica de Lisboa

Vogais : Doutora Helena Maria de Oliveira Freitas
Professora Catedrática
Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra

Doutor João Manuel Dias dos Santos Pereira
Professor Catedrático
Instituto Superior de Agronomia da Universidade de Lisboa

Doutora Maria Margarida Branco de Brito Tavares Tomé
Professora Catedrática
Instituto Superior de Agronomia da Universidade de Lisboa

Doutora Otília da Conceição Alves Correia Vale de Gato
Professora Associada
Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa

Doutora Maria da Conceição Brálio de Brito Caldeira
Investigadora Auxiliar
Instituto Superior de Agronomia da Universidade de Lisboa

LISBOA
2013
Resumo

As florestas desempenham um papel importante na mitigação das alterações climáticas porque
sequestram e armazenam o dióxido de carbono (CO ), um dos principais gases com efeito de estufa. O
2
objectivo desta dissertação foi investigar o balanço de carbono nas florestas nas suas principais
componentes: árvores, arbustos e solo.

Apresentam-se métodos para estimar o reservatório de carbono nas árvores em povoamentos de
pinheiro manso no sul de Portugal. Os modelos alométricos, factores de conversão e de expansão de
biomassa apresentados permitem obter estimativas de carbono independentemente dos dados de
inventário existentes sobre os povoamentos.

O subcoberto arbustivo de um montado de sobro contribuiu 20% para a assimilação total de carbono do
ecossistema durante o Verão/Outono 2011. Provou-se que as espécies arbustivas que colonizaram
naturalmente o subcoberto utilizam estratégias diferentes para aproveitar os recursos ambientais
limitantes como a água e a luz.

O efluxo de CO dos solos, resultado da respiração dos microorganismos e das raízes, é semelhante
2
entre florestas, matagais e pastagens. A humidade do solo, mais do que a temperatura, é determinante
neste processo. São apresentados modelos empíricos, calibrados e validados recorrendo à estatística
Bayesiana, que permitem estimar mensalmente a respiração do solo em pastagens da região
mediterrânica.

Palavras chave: balanço de carbono, mediterrânico, Pinus pinea, modelos alométricos, respiração do
solo, estatística Bayesiana, Cistus, Ulex, eddy-covariância, upscaling

I
Title: Carbon balance in Mediterranean ecosystems

Abstract

Forests play an important role in climate change mitigation as they sequester and store carbon dioxide
(CO ) from the atmosphere. The aim of this thesis was to investigate forest carbon balance in its main
2
compartments: tress, understory and soils.

We present methods to estimate carbon stock in biomass of stone pine stands in south Portugal.
Allometric models, as well as conversion and expansion factors were presented allowing the
quantification of stand carbon stocks irrespective of the inventory base information available for the
site.

The undercanopy vegetation of a cork oak montado represented 20% of the total carbon assimilated by
the ecosystem during summer/autumn 2011. It was proven that the vegetation mosaic that naturally
colonized the understory have contrasting strategies to efficiently use the limited environmental
resources available like water and light.

Soil CO efflux, resulted from plants and microorganisms respiration, is similar between forests,
2
shrublands and grasslands. Soil moisture, more than temperature, is determinant in this process. We
present several empirical models, validated and calibrated using the Bayesian statistics, which allows
estimating monthly soil respiration in grasslands for the Mediterranean region.

Keywords: carbon balance, mediterranean, Pinus pinea, allometric models, soil respiration, Bayesian
statistic, Cistus, Ulex, eddy-covariance, upscaling
II
Agradecimentos

A realização deste trabalho foi possível com o apoio e contributo de pessoas e entidades, a quem desejo
manifestar o meu agradecimento.

Ao professor João Santos Pereira quero agradecer os valiosos conhecimentos que me transmititu ao
longo de 12 anos, pelo despertar da curiosidade pelo tema do carbono e das florestas, e pela liberdade
com que me deixou decidir o meu percurso científico.

Quero manifestar o meu especial agradecimento às seguintes pessoas que, não constando na co-
autoria, contribuiram para que o artigo: Biomass allometry and carbon factors for a Mediterranean pine
(Pinus pinea L.) in Portugal se concretizasse. Agradeço à Engª Mafalda Evangelista, à Engª Marta Bastos
e ao Engº Manuel Tuna da Herdade de Monte Novo de Palma pelo apoio no trabalho de campo assim
como às equipas de campo da AFLOPS pelo trabalho profissional prestado durante o abate das árvores.
Quero agradecer ao Engº Luís Unas pelo apoio na elaboração da candidatura do projecto AGRO – acção
8.1 com o título O sequestro de carbono e a gestão florestal sustentável no sul de Portugal, sem o qual
este trabalho não teria sido possível.

Quero agradecer aos meus colegas do departamento por quem tenho a maior admiração. Ao Filipe
Costa e Silva, à Helena Santos, à Ana Rodrigues, ao António Correia, ao Alexandre Correia, à Marta
Carneiro, à Carla Faria, à Sofia Cerasoli, à Teresa Sampaio, à Márcia Santos, à Raquel Lobo do Vale, à
Marjan Jongen, ao Stephan Unger e ao Francesco Minnuno pelo óptimo ambiente de trabalho, pela
troca de ideias, pelo apoio nas fases mais complicadas e por me acompanharem nesta árdua tarefa de
concluir um doutoramento. Um agradecimento especial à professora Helena Almeida, à dona Lurdes e à
dona Madalena por todo o apoio e amizade.

Agradeço à minha família, em especial ao meu marido Jorge, aos meus pais Armindo e Luisa e à minha
irmã Rita por toda a ajuda. Dedico este trabalho aos meus filhos Natália e Artur e à minha avó Nela.

III
ÍNDICE

Resumo I
Abstract II
Agradecimentos III

CAPÍTULO I
Introdução

1. Ciclo global de carbono e importância dos ecossistemas terrestres 1
1.1. Ecossistemas florestais da região mediterrânica 5
1.2. O clima e impactes na fisiologia das plantas da região mediterrânica 9
2. Alterações recentes do clima em Portugal e cenários futuros 11
3. Importância das florestas nas emissões de gases com efeito de estufa em Portugal 13
4. Objectivo geral e interesse do estudo 15
5. Referências 18

CAPÍTULO II
Biomass allometry and carbon factors for a Mediterranean pine (Pinus pinea L.) in Portugal

Resumo 24
Abreviaturas 25
(cid:1) Artigo publicado
Abstract 26
Introduction 27
Methods to assess carbon stock at stand level 27
Pinus pinea overview 27
Material and methods 28
Stand description, climate and vegetation 28
Sample tree selection 28
Aboveground biomass sampling 29
Biomass and volume equations 30
Expansion factors - biomass aboveground and root-to-shoot ratio 31
Conversion factors - Wood basic density (WBD) and Carbon fraction in biomass 32
Stand carbon stock comparisons 32
Results 32
Allometric relationships 32
Expansion factors and root-to-shoot ratio 34
Conversion factors 35
Stand carbon stock comparisons 35
Discussion 36
Biomass equations 36
Comparison with independente biomass equations 37
Stand development and biomass partitioning 37
Expansion factors and root-to-shoot ratio 38
Conversion factors 39
Conclusion 39
References 40
Fotografias 42

CAPÍTULO III
Carbon sink strength of a Mediterranean cork oak understory: how do semi-deciduous and evergreen
shrubs face summer drought?

Resumo 43
Abreviaturas 44
(cid:1) Artigo publicado
Abstract 45
Introduction 46
Methods 47
Site description 47
Ecosystem flux measurements 47
Understory measurements 48
Water, light and carbon use efficiencies 49
Up-scaling to stand level 49
Statistical analysis and model performance 50
Results 50
Climate 50
Shrub and soil gas fluxes 51
Shrub morphology and physiology 52
Water, light and carbon use efficiencies 53
Up-scaling to stand level 53
Discussion 54
Leaf traits, root lenght and its relation with summer resource exploitation 54
Response to a summer rain pulse: when opportunistic strategies do not compensate 55
Shrub contribution to ecosystem CO uptake 56
2
Conclusions 57
References 57
Fotografias 61

CAPÍTULO IV
Soil water availability strongly modulates soil CO efflux in different Mediterranean ecosystems: models
2
calibration using the Bayesian approach

Resumo 62
Abreviaturas 63
(cid:1) Artigo publicado
Abstract 64
Introduction 64
Material and Methods 65
Site description 65
Soil respiration measurements 65
Soil temperature measurements and Q calculation 65
10
Soil moisture measurements 66
Plant biomass, litterfall and productivity 66
Carbon and nitrogen content in soils 67
Statistical analyses 67
Modelling approach 67
Results 68
Soil respiration 68
Soil moisture and soil temperature 68
Soil respiration explained by soil temperature and soil moisture: exploratory analysis 69
Model performances 69
Discussion 71
Rates and seasonality of soil respiration 71
The effect of vegetation cover on soil microclimate 73
Sensitivity of soil respiration to soil temperature and moisture 74
Bayesian Modelling 74
Conclusions 75
References 75
Fotografias 77

CAPÍTULO V

5. Conclusões 78
1. Ciclo global de carbono e importância dos ecossistemas terrestres

O objectivo desta dissertação foi estudar o balanço de carbono em ecossistemas florestais através de três
estudos independentes, centrados nos principais reservatórios de carbono das florestas: árvores, arbustos e
solo. O estudo engloba metodologias de avaliação específicas para cada reservatório mas com um fio
condutor comum que é produzir informação que permite uma avaliação mais rigorosa do balanço de
carbono nas florestas mediterrânicas nestes três reservatórios.

O ciclo de carbono consiste na transferência do dióxido de carbono (CO ), via combustão, respiração ou
2
reacções químicas para a atmosfera ou para o mar e a sua reintegração na matéria orgânica, via assimilação
fotossintética. O ciclo global do carbono tem sido alterado pelas emissões antropogénicas de CO
2
resultantes de alterações de uso do solo, nomeadamente desflorestação, e da queima de combustíveis
fósseis, que só são parcialmente compensadas pela absorção pelos oceanos e pela vegetação terrestre,
levando à acumulação de CO na atmosfera.
2

Esta acumulação de gases com efeito de estufa (GEE) na atmosfera está na origem de uma alteração do
balanço radiativo terrestre. A consequência é um aumento das temperaturas médias à superfície. Note-se
que sem a protecção oferecida pelos GEE, a temperatura média da atmosfera seria próxima dos -18ºC em
lugar dos actuais 15ºC. O que há de verdadeiramente inédito na situação presente é a elevada taxa de
variação da concentração de CO na atmosfera. Nas últimas décadas, a taxa média anual de aumento foi
2
cem vezes superior aquela que se registou nas transições recentes dos períodos glaciares para os períodos
interglaciares (IPCC, 2001). Tudo indica que a concentração deste gás deverá continuar a aumentar durante
as próximas décadas devido à forte dependência da economia mundial dos combustíveis fósseis. Por outro
lado, mesmo que ocorresse agora uma redução drástica das emissões, por exemplo através da revisão das
políticas energéticas, os efeitos continuariam a fazer-se sentir por muitas décadas devido ao elevado tempo
de residência do CO na atmosfera (cerca de 100 anos). Esta interferência no clima do planeta fragiliza o
2
equilíbrio natural dos ecossistemas. É fundamentalmente a rapidez com que este fenómeno tem vindo a
ocorrer, que não é compatível com a velocidade de ajustamento natural dos ecossistemas.

O oceano constitui não só o maior reservatório mas também um dos principais sumidouros de CO da
2
atmosfera absorvendo cerca de 30% do carbono de origem antropogénica emitido anualmente para a
atmosfera (Sabine et al., 2004). Este sequestro resulta não só da actividade de sequestro biológico pelas
plantas aquáticas, mas também da solubilização do CO na água que depende da concentração de CO na
2 2
atmosfera e da temperatura da água. Um dos feedbacks negativos do aumento das temperaturas é
1
precisamente uma diminuição da solubilização deste gás nos oceanos. Interferências no sistema de
circulação da atmosfera afectam também as correntes marítimas, deslocando camadas profundas de água
carregadas de carbono fóssil para a superfície (Schuster e Watson, 2007). Os oceanos, outrora
assumidamente sumidouros de carbono, nem sempre funcionam como tal. Um estudo desenvolvido por Le
Quere et al. (2007) refere por exemplo, que alterações observadas da circulação dos ventos no hemisfério
sul ocasionaram uma redução significativa da capacidade de sumidouro dos oceanos entre 1981 e 2004.

A dinâmica do ciclo de carbono é muito variável, quer no espaço quer no tempo, sendo controlada
fundamentalmente pelos sistemas que têm capacidade de o trocar activamente com a atmosfera, como é o
caso da vegetação e do solo. Estima-se que cerca de 2100 Gt de carbono se encontre armazenado nos
ecossistemas terrestres, valor quase três vezes superior ao que existe actualmente na atmosfera (Trumper
et al., 2009). Estes ecossistemas, dos quais se destacam as florestas, assumem assim um papel de relevo na
mitigação dos impactos das alterações climáticas, não só por trocarem activamente carbono com a
atmosfera, mas também pela capacidade de reterem carbono na biomassa perene e no solo tal como
veremos a seguir.

A fotossíntese que ocorre nas plantas é responsável pela retenção de carbono atmosférico no material
vegetal e na matéria orgânica no solo. Por esse motivo, ecossistemas com grande biomassa e com o solo
pouco perturbado, como as florestas, retêm o carbono numa escala temporal muito maior, na ordem de
décadas e séculos. O balanço de carbono nas florestas corresponde à diferença entre os ganhos pela
fotossíntese e as perdas pela actividade respiratória de toda a cadeia trófica do ecossistema. A assimilação
fotossintética do carbono corresponde à quantidade de CO que é fixado pela vegetação (produtividade
2
primária bruta, PPB) e que pode ser acumulado a longo prazo no ecossistema (biomassa perene e matéria
orgânica do solo). Durante este processo ocorrem perdas de CO resultantes da respiração das plantas
2
(Respiração autotrófica, Ra) e dos animais e microorganismos do solo (Respiração heterotrófica, Rh) (Figura
1). O balanço anual de carbono de um ecossistema florestal é, quase sempre, positivo porque descontando
as perdas resultantes da respiração e mortalidade natural, o carbono é acumulado nos tecidos vegetais de
longa duração e no solo (Produtividade líquida do ecossistema, PLE). Importa ainda referir que, numa
avaliação do balanço de carbono à escola regional, há que considerar as perdas devido aos cortes e
exploração de produtos florestais e ainda e as emissões decorrentes dos incêndios florestais. Obtém-se
assim a produtividade líquida do bioma, PLB.

2
Figura 1 – Principais fluxos de
carbono na floresta, entre a
biomassa e o solo.

As folhas, raízes finas, frutos e outros órgãos sésseis, contribuem para incrementar o carbono nos solos.
Porém, parte deste carbono é perdido por respiração devido à actividade microbiana. É fundamentalmente
no horizonte orgânico que ocorrem os principais efluxos de CO anuais para a atmosfera (Ver Capítulo IV),
2
enquanto nas camadas mais profundas do horizonte mineral, ocorre a acumulação de formas químicas de
carbono recalcitrante. Esta libertação de carbono depende não só de variáveis climáticas, que determinam a
actividade dos microorganismos e as taxas de produção e decomposição de matéria orgânica, mas também
das propriedades dos solos, que afectam a mineralização das componentes orgânicas pelas interacções
físicas e químicas com os minerais do solo. Janssens et al. (2001) estimou, através de um estudo
comparativo em 18 ecossistemas europeus, que aproximadamente 80% do carbono assimilado pela
vegetação viva é perdido através de respiração. Desta fracção, cerca de 70% corresponde a respiração do
solo. Em resumo, para uma melhor compreensão dos processos associados à dinâmica do balanço de
carbono nas florestas é fundamental que esta componente da respiração seja levada em consideração.

Há que distinguir o conceito de reservatório do de sequestro de carbono. O reservatório de carbono
corresponde à quantidade de biomassa (em carbono) que uma floresta armazena, quer nas suas
componentes perenes (tronco, raízes, ramos), quer no solo e traduz um valor por unidade de área. O
sequestro de carbono é uma variável dinâmica e corresponde a um armazenamento líquido por unidade de
tempo. Com efeito, uma floresta pode ser um grande reservatório de carbono mas contribuir pouco
enquanto sequestradora de carbono.

A mais recente estimativa do reservatório de carbono nas florestas é de 861 ± 66 Pg de carbono sendo que
aproximadamente 42% (363 ± 28 Pg C) se encontra na biomassa viva (Pan et al., 2011). É nos solos das
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