Maria Victoria Ramos Ballester & Reynaldo Luiz Victoria

vicky@cena.usp.br

“O papel dos sistemas fluviais amazônicos

no balanço regional e global de carbono”

FAPESP, Programa BIOTA-FAPESP-Educação,

Terceiro encontro do Ciclo de Conferência - 2014

Biodiversidade e Proteção a Recursos Hídricos

24 de abril 2014

Maior floresta tropical contínua do mundo: 5,1

milhões de km2

AMAZÔNIA

Fonte: NASA

Pimm & Jenkins, 2005

elevada Biodiversidade

AMAZÔNIA

Ocupação acelerada nas últimas 4 décadas:

Mudanças no uso do solo

Urbanização

Desmatamento

Assentamentos

Focos de calor

S. Salgado

A.Ferran

Garimpo de Serra

Pelada

Mineração:

Carajás

Grandes reservatórios

Abertura e

pavimentação de

estradas

Queimadas

• Drena 6.1 milhões de km²,

• Abrange parte de seis países,

• 1/5 da água doce da Terra,

• Descarga = 209,000 m3s-1

• Planícies de inundação: 100 a 300,000 km2

• Profundiade máxima 65 metros em Óbidos

• Largura máxima: 24 km na boca com 30 m de

profundiade

A bacia de drenagem do rio Amzonas: dimensões continentais

Óbidos Marajó

Dos andes até o oceano atlântico, percorre 6.992,06 km de extensão (INPE, 2008),

drenando uma diversidade de paisagens

Rio beni, Bolívia

Altitude 6500 m

Rio Madre de Dios

Fronteira Bolívia -

Brasil

Rio Iça

Alto rio Negro:

Parque do jau Tefé Rio Negro

Rio Amazonas

Rio Solimões Rio Madeira

7

• NSF

Camrex • FAPESP

• NASA

• CNPq

LBA • FAPESP: Belmont Forum e SPEC

• More Foundation PFPMCG

1981 - 1998 1999 – 2007 2008 – atual

tem um papel importante na

determinação do ciclo fluvial

do carbono

Pesquisas recentes:

• rios e águas continentais

emitem elevadas quantidades

de CO2 para a atmosfera

• Globalmente estas águas

processam, transportam e

sequestram 2.7 Pg C ano-1 (a)

• Valor semelhante ao estimado

para o sequestro de C por

ecossistemas terrestres

proveniente de ativiades

antrópicas (2.8 Pg C ano-1 (b))

(a) Battin et al., 2009; Tranvik et al., 2009, (b) Canadell et al., 2007;

10

processamento fluvial tem

papel critico no transporte

e reciaclagem do carbono

e nutrients associados

tanto nas bacias de

drenagem mas como nos

mares que recebem essas

águas.

Peter A. Raymond. Nature 436, 469-470(28 July 2005)

Desafio: devever ferramentar quepermitam decrever deforma

compreensiva a biogeoquímica dos sistemas fluviais da amazônia e seu

papel no ciclo regional do carbono de modo a prever sua resposta em um

clima em mudança

Produzir informações científicas sobre o funcionamentento dos rios da

Amazônia com a acurácia necessaria para alimentar um modelo heurístico da

biacia dedrenagem ligado ao ciclo regional de carbono, para prever as

respostas dos mesmos à mudança climática global

Objetivo Geral

Adquisiçãode dados de longa duração em 11 bases e 20 sítios amostrais extensivo

(Rede Beija-Rio), distribuídos na bacia Amazônica

Local da instalação

da torre do eddy

Local da instalação

da torre do eddy

Conjuntos de amostragem e

análises em campo

Protocolo + cursos de

trainamento decurata duração

na várias técnicas

Campanhas intensivas usando avanços tecnológicos

recentes e testes laboratoriais para monitorar os

padrões diurnos em todos os pontos da rede, pelo

menos uama vez em cada período representativo da

hidrógrafa

(Richey et al., 2002)

Os ecossistemas aquáticos liberam para a

atmofera cerca de 0,5 Gt C ano-1

13 vezes mais C do que o descarregado no

oceano:

COT: 0,036

CID: 0,035 Gt.ano-1

maior do que a quantidade liberada pelo

desmatamento reional (0,38 GtC ano-1,

~25.000 km2. ano-1)

Evasão de CO2 dos rios da Amazonia é

Substancial

(Mayorga et al., 2005); Ward et al., 2013

respiração nos canais fluviais de matéria orgânica lábeil jóvem (~5 anos)

De onde vem o CO2?

13

C (‰)

-30 -25 -20 -15 -10

1

4C

(‰

)

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

1

1

4

4

8

10

11

24

32

32

3233

34

37383839

40

41

43

45

46

4748

49

51

52

53

56

59

1

1

44

5

6

8

10

11

16

2428

3232

40

41

4345

4647

484951

52

53

56

58

59

1

14

5

6

8

11

13

16

24

28

45

4647

48

49

51

52

53

56

58

59

1

11

2

3

46

7

8

9

1012

13

14

15

171819

2021

22

2222

23 232424

2425

252627

28

282829

29 30

31

3232

3233

3434353636

40

41

42

43 44

45

46

47

485051 5253

54

5556

57

58

59

60

CP

OC

FP

OC

DO

C

contemporaryC4 grasses

contemporarylowland

C3 plantsatmosphere

carbonate rocks,solid earth CO2

CO

2

Legend

Mountain

Mixed

Lowland

1991

2003

old

er

carbonate weathering bycontemporary plant CO2

Evasão de CO2 foi a principal via de

exportação de carbono: 289 Gg C

ano−1,

Cerca de 2,4 vezes a quantidade de

carbono exportado como carbono

inorgânico dissolvido (121 Gg C

ano−1) e 1,6 vezes como carbono

orgânic dissolvido (185 Gg C ano−1)

Rios de pequeno porte ( < 100 m)

Ji-Paraná River Basin

Rasera et al., 2008

~92% da rede de drenagem do rio

Amazonas é composta por pequenos rios,

os quais encntra-se geralmente

supersaturados de CO2

• Area superficial dos rios pequenos (<

100m) 0,3 ± 0,05 milhões de km2,

• Evação Potencial para a

atmosfera:170 ± 42 Tg C ano−1 como

CO2.

• Esses ecossistemas tem um papel

relevante no balanço regional de

carbono

18

• descoberta mais surpreeendente:

independentemente da escala ou das

caractériticas da bacia hidrográficas, a

distribuição de espécies biogénicas

apresenta o mesmo padrão sazonal,

muito intimanete ligada à hidrógrafa

• Fluxos de CO2 sempre maiores nas águas

altas

O que controla a biogeoquímica, e em última

instância o destino, do carbono nestes

ecossistemas

Neu et al., in press

Pequenos rios com estaçao seca pronunciada os

processos que ocorrem no interior do canal sao

semelhantes aos dos systemas terrestres adjacentes

• Extremamente importantante para desenvolver

modelos adequados para descrever o ciclo do c

nesses sistemas: um padrão sazonal comum

ligado à hidrógrafa pode simplifcar o

escalonamento

• janeiro de 2006 a dezembro de 2010,

389 campanhas abrangendo todas as

fases da hidrógrafa

• Sete rios representativos da bacia sua

planície de inundação: Negro,

Solimões, Teles Pires, Cristalino,

Araguaia , Javaés e Caxiuanã, com

tamanhos de 4ta a 9na ordem

Média mesal de descarga de 2006 a 2010 (fonte:

ANA). NG, Negro River); SO, Solimões; TP, Teles

Pires; AR, Araguaia; CX, Caxiuanã

Série histórica de 5 anos de medidadas do

fluxo de CO2 em rios amazônicos

21

Grupo I- drenam terras baixas muito

inteperizadas com elevados níveis de MOD

lixiviada de baxios e solos arrenosos com

baixas concentrações de CID e valores de pH;

Estes rios podem ser separados em 3

grupos em termos de suas águas:

Solimões

Grupo II- drenam o escudo brasileio (Cristalino,

Teles Pires, Araguaia e Javaés), com baixo teores

de sedimentos e MO, concentrações

intermediárias de CID e pH ~ da neutralidade

Grupo III- transportam grande

quantidade de sedimentos dos

Andes, tem elevadas

concentrações de CID pH ~ da

neutralidade

Negro, Cristalino e

Caxiuanã

Teles Pires, Javaés

Fluxos mínimos, médios e máximos de CO2

medidos de 2006 a 2010.

Ciclo sazonal dos fluxo de CO2

• Fluxos de CO2 na interfce água-ar nas

águas altas e baixas nos: Variabilidade

elevada entre os rios e as fases da

hidrógrafa,

• Faixa observada: -0,8 a 15,3 mmol CO2

m-2 s-1

padrões com sazonalidade

marcada: fluxos

significativamente maiores

durante águas altas 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Ris

ing

Hig

h

Falli

ng

Low

Ris

ing

Hig

h

Falli

ng

Low

Ris

ing

Hig

h

Falli

ng

Low

Ris

ing

Hig

h

Falli

ng

Low

Ris

ing

Hig

h

Falli

ng

Low

2006 2007 2008 2009 2010

pC

O2

(at

m)

Solimões

Caxiuanã

Negro

Araguaia

Javaés

Teles Pires

Cristalino

ATM

Median of pCO2 at each hydrography stage for the seven studied rivers

from 2006 to 2010. The horizontal line represents atmospheric pCO2 and

blue bars highlight values at high water.

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

A-0

4

A-0

4

N-0

4

F-0

5

M-0

5

S-0

5

D-0

5

M-0

6

J-0

6

O-0

6

J-0

7

A-0

7

A-0

7

N-0

7

F-0

8

J-0

8

S-0

8

D-0

8

M-0

9

J-0

9

O-0

9

J-1

0

pH

200

300

400

500

600

700

800

900

co

ta (

cm

)

3

4

5

6

7

8

9

A-0

4

A-0

4

N-0

4

F-0

5

M-0

5

S-0

5

D-0

5

M-0

6

J-0

6

O-0

6

J-0

7

A-0

7

A-0

7

N-0

7

F-0

8

J-0

8

S-0

8

D-0

8

M-0

9

J-0

9

O-0

9

J-1

0

O2 (

mg

L-1

)

200

300

400

500

600

700

800

900

co

ta (

cm

)

0

1

2

3

4

5

6

7

A-0

4

A-0

4

N-0

4

F-0

5

M-0

5

S-0

5

D-0

5

M-0

6

J-0

6

O-0

6

J-0

7

A-0

7

A-0

7

N-0

7

F-0

8

J-0

8

S-0

8

D-0

8

M-0

9

J-0

9

O-0

9

J-1

0

CO

D (

mg

L-1

)

200

300

400

500

600

700

800

900

co

ta (

cm

)

c)

b)

a)

• Outros parâmetros como COD,

pH e OD, também

apresentaram uma

sazonalidade associada à

hidrógrafa a qual é consistente

ao longo de todos os sistemas

fluviais

• COD: também é mais elevado

durante as águas altas

• OD e pH são mais baixos

durante as águas altas

Bacia do rio Ji-Paraná: 75. 400 km2

Estado de Rondônia - elevadas taxas de desmatamento na

Amazônia.

2011: 34% da floresta nativa da bacia tinham sido

convertidos em pastagens

65°0'W

65°0'W 62°30'W

62°30'W

60°0'W

60°0'W

12

°30

'S

12

°30

'S

10

°0'S

10

°0'S

1978

1986

1992

1996

2001

Desmatamento: mais intenso ao longo da BR

364, no eixo Cuibá-Porto Velho e nos

assentamentos

Fatores responsáveis pelo desmatamento:

1- crescimento populacional e projetos de

colonização

2- expansão da pecuária

3- melhoramento e pavimentação da BR-364 e

abertura de novas estradas

4- solos “mais férteis” Ballester et al., 2003; 2008

12°30' 12°30'

11°00' 11°00'

9°30' 9°30'

8°00' 8°00'

65°30'

65°30'

64°00'

64°00'

62°30'

62°30'

61°00'

61°00'

59°30'

59°30'

#

Porto Velho

#

Vilhena

#

Ji-Paraná

#

Rolim de Moura

Mato

Grosso

Acre

Rondonia

Amazonas

Bol ivia

Ji-Parana basin

City

Roads

BR 364

Pavement

Dirt

Legend

N

50 0 50 100 Kilometers

• Setores com maior cobertura de pasto

apresentam menores valores de

evapotranspiração e precipitação

• A conversão para pastagem resulta na redução

da quantidade de água disponível para a

evapotranspiração e na interceptação pela

vegetação, aumentando o escoamento

superficial

Mudanças no ciclo da água

(Victoria et al. 2007).

Variação do Déficit e Excedente Hídrico

Desmatado (%)

Conteúdo

de cátions

Conteúdo

iônico Cabeceiras

Composição química das águas do rio Ji-

Paraná

Legend

Soil unit (area)

Alfisol (12.6%)

Entisol (16.2%)

Eptisol (1.8%)

Oxisol (46.1%)

Ultisol (23.1%)

Water (0.3%)

Mais Florestado, CE e

Conteúdo iônico menores

Desmatado, CE e

conteúdo iônico

Mais elevados

P < 0.05

Ballester et al., 2003; Krusche et al., 2005;

Ballester et al., no prelo

Ca

4 - 45

46 - 90

91 - 128

K

5 - 33

34 - 66

67 - 103

Na

6 - 45

46 - 90

91 - 140

Mg

3 - 30

31 - 60

61 - 94

EC

8 - 25

26 - 50

51 - 75

Ballester et al., 2003; Krusche et

al., 2005; Ballester et al., 2013

Desmatamento: resultou na alteração do

transporte de sedimentos, matéria orgânica e

nutrientes associados para os rios

Potássio

Sódio

Cálcio

Magnésio Condutividade

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 20 40 60 80

Co

nce

ntr

ação

(

g/L

)

Área de pastagem (%)

Na

Ca

Mg

K

Cl

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80

Co

nce

ntr

ação

(

g/L

)

CE

(

Scm

)

Area de pastagem (%)

CE COD PO4

Maiores concentrações de COD relacionadas com valores mais elevados de

STS geradas que, por sua vez ocorrem nas áreas de pastagem

concentração de carbono orgânico

dissolvido em função do impacto do uso

do solo

Impacto Area % COD Min COD MAX

Baixo 37 4 313

Médio 16 170 399

Alto 16 183 367

Muito alto 32 296 423 Ballester et al., 2010

Concentrações de COD mais elevadas estavam relacionadas com os

maiores valores de STS originados nas pastagens

• solos mais compactados,

• menor infiltração,

• maior escoamento superficial

0

100

200

300

400

500

0 20 40 60 80

CO

D (

mg

/L)

STS (mg/L)

promove lixiviação das

camadas superficiais,

carreando mais COD para os

rios

Floresta: maior infiltração nas camadas mais profundas do solo e

interceptação pelo dossel

Rios de 1ra ordem drenando

pastagem apresentam fluxos de

COD até 36 vezes maiores do que

os que drenam floresta

Gouveia Neto, 2006

A vegetação desempenha um papel fundamental na composição das

águas fluviais, particularmente dos teores de carbono trasportados para o

interior dos canais

• Canal com vegetação aquática (paspallum sp)

• Baixos teores de OD

• Teores elevados de PO4-3 (liberação de óxidos

de Fe e Al nos sedimentos)

• Baixas concentrações de NO3- devido a um

aporte menor da bacia, onde aumenta a

desnitrificação

• N limita a PP

• Canal sem vegetação aquática

• Sombreamento do dossel

• Elevados teores de OD

• Baixos teores de PO4-3 (complexação por Fe

e Al em solos e sedimentos)

• Elevados teores de NO3- originados na bacia

de drenagem

• P e luz limitam a PP

Remoção da floresta e substituição por pasto

(Thomas et al., 2004 )

Efeito da substituição da floresta por pasto em rios de pequena ordem

Paspalum sp

F

P

Conversão de floresta para pasto: crescimento no

interior dos canais de Paspalum, valores de COD

e taxas respiratórias mais elevados

Krusche et al., 2005; Ballester et al., 2013

DO

C (

mg

.L-1

)

0

2

4

6

8

10

12

14

Min-Max

25%-75%

Median value

F

P

Re

sp

ira

tio

n R

ate

s (

µM

.h-1

)0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Min-Max

25%-75%

Median value

P

F

Na bacia do Ji-Paraná: a vegetação C3 (13C de

-28 a -34‰) foi susbtituída por plantas C4

(principalmente por Braquiária, 13C de -11 a -

14‰)

-32

-30

-28

-26

-24

-22

-20

-18

-16

-14

-12

0 5 10 15 20 25 30 35 40

C:N

1

3C

(‰

)

WetCSS

WetFSS

WetUDOM

DryCSS

DryFSS

DryUDOM

Tree leaves

C4 - leavesPasture, 80years

Pasture, 20 years

Pasture, 7 to 13 years

Pasture, 3 to 5 yearsAmazon coarse

sediments

Amazon Fine sediments

Forest soil

Mudanças no uso da

terra relativamente

recentes já

modificaram a

composição da

MOD e MOP dos

rios,

Análise de componentes

Legend

Pasture areas

13C

-23.

-22.

-21

-20

-19

Legend

Pasture areas

13C

-23.

-22.

-21

-20

-19

Pasture ages Model isotopic

composition

1978 1986

1992 1996 2001

Ballester et al., 2013

NO 3

-

CBOM

2

FBOM

3

Live grass

53

SPOM

10

STORAGE

58%

EXPORT

21%

Unknown

21%

STORAGE

1%

EXPORT

67%

NO 3

-

CBOM

0

FBOM

0

Leaf detritus

1

NH 4

+

59

NO 3

-

8

SPOM

0.1

Unknown

32%

NH 4 +

100

NH 4 +

11

NO 3

-

0

NH 4

+

100

Deegan et al., 2011

Comunidade de

invertebrados

No. de indivíduos /amostra

Impactos na biodiversidade aquática

• 35 espécies em 800 m

de rio drenando

floresta

• 1 espécie em 500 m

rio drenando pasto

Ictiofauna

Deegan et al., 2011; 2013

Floresta Pasto

Decapodos 2 0

Efemenoptera 16 0

Tricoptera 3 0

Odonota 5 1

Heteroptera 1 0

Diptera 35 29

Coleoptera 0 76

Gastropodos 0 3

O que aprendemos em 10 anos?

• Canal principal e sua planície:

fluxos semelhantes

• Principais diferenças: tributários e

rios menores emitem o dobro do

estimado inicialmente

Consequências

Emissão de CO2nos rios à montante

de Óbidos, que cobrem ~ 70% da

bacia Fluxo :

0,5 0,8 Pg C ano-1

0

5 0

1 00

1 50

2 00

2 50

C an alpr inc ipal

Pl an íc ie deinundaç ão

Tr ibu t ár io s(c anais +pl an íc ies )

Rio s < 1 00 m

2 01 3

2 00 2

37

Este valor é 60% mais elevado que nossas estimativas anteriores

Evassão fluvial: próxima à TLE Terrestres

papel dos rios no ciclo regional do carbono:

• rios mobilizam e remineralizam um componente significativo do

reservatório considerado como sequestrado nos solos

• Papel fundamental dos rios no ciclo regional: realocam quantidades

significativas do c sequestrado nos ecossistemas terrestres e

transportam para a atmosfera

• Mudanças no uso do solo podem resultar em perdas significativas de

funções e serviços ecossistêmicos

OBRIGADA PELA ATENÇÃO