Dissertationen zum Thema „Tropical greenhouse“

The aim of this project was to quantify the greenhouse gas (GHG) emissions from the degassing process ofhydroelectrical reservoirs in tropical regions.Reservoirs represent 25 % of the total area of man-made freshwater systems and are a source of GHG emissions tothe atmosphere. There are plans to construct an additional ca 3700 medium and large hydropower dams with theaim to double the current global energy production by hydropower. The majority of these are planned to be constructed in tropical regions. By understanding the processes controlling GHG emissions from these hydropowerreservoirs, the design of new hydropower plants can be developed to minimize the emissions.This project were designed to investigate GHG emissions from the turbines of two reservoirs in Brazil, as partof the larger ”Hydrocarb” project that investigates the total emissions from a number of reservoirs in Brazil. Toestimate the GHG emissions from the degassing process, a sampling campaign in the reservoir Chapeu D’Uvaswas conducted in April 2020 .Water samples from the entire water column at the water inlet, and directly afterthe dam were taken by using a sampling technique that involved a newly developed deep-water sampler. Themethane concentration was then analyzed for each depth of the water column and in the water directly after theoutlet. The results showed that at the deep layers with low oxygen concentration in the water column containedhigh concentrations of methane. These high methane concentrations were also found in the water at the outlet.This method was also planned to be used for the hydropower reservoir Funil, but due to the global COVID-19pandemic the campaigns were canceled. A modeling approach was instead constructed with the aim to modelthe methane concentration at the intake of the water in Funil, and to estimate the degassing as the water passesthe turbines. The first stage of this modeling approach was made within this study, where temperature profiles ofthe reservoir were modeled. The predicted profiles matched the observed temperatures profiles with a root meansquare error of 1.5 ◦C. The study concluded that the method of collecting methane concentrations throughout thefull water profile using the sampler were successful and can be used to examine methane concentration at the levelof the water inlet in reservoirs. The methane emission from the outlet at Chapeu D’Uvas was estimated to below contributing to 1.1 % of the total greenhouse gas emissions from the reservoir. For the modelling of methaneconcentration in water columns, the first part of the method to model daily temperature profiles that can be usedto implement empirical models of oxygen demand and methane production in the model.

Tropical forested peatlands are a major carbon store and are a significant source of global carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O) emissions. While the role of environmental variables, including temperature and water table depth have been relatively well studied, uncertainty remains in the extent to which plant roots regulate greenhouse gas (GHG) fluxes and peat biogeochemistry. This study examined the role of roots, and root inputs of carbon and oxygen in regulating fluxes from peat under two dominant plant species, Campnosperma panamensis and Raphia taedigera, a broadleaved evergreen tree and canopy palm, in San San Pond Sak wetland, in Bocas del Toro Province, Panama. A combination of in situ and ex situ experiments were performed between February 2015 and August 2017. Small scale variation in GHG fluxes and peat biogeochemistry was measured at two distances within the rooting zones of C. panamensis and R. taedigera. Peat organic matter properties were assessed using Rock-Eval 6 pyrolysis. Results indicated significant variation in CH4 but not CO2 fluxes at different distances within the rooting zone, with CH4 fluxes subsequently linked to measures of the overall size of the available organic carbon pool (S2). Rock-Eval pyrolysis data was used to construct a three-pool model of organic matter thermostability which indicated significant differences in organic matter composition between peats derived from different botanical origins, in addition to a high level of heterogeneity within the rooting zone. Changes in GHG production and peat biogeochemical properties in response to the addition of root exudate analogues were assessed in an ex situ anoxic incubation experiment. A combination of organic acids and sugars, identified as common forest plant root exudate components, were added over a two week period to peats derived from C. panamensis and R. taedigera. GHG fluxes varied significantly between treatments but not by peat botanical origin, and were associated with significant changes in soil properties including, pH and redox potential, thereby demonstrating a link between plant root carbon inputs, peat properties and GHG fluxes. In situ mesocosms were used to assess the effects of root exclusion on peat biogeochemistry and GHG fluxes. Partial and full root exclusion significantly reduced dissolved oxygen concentrations and was associated with greater root necromass. Full root exclusion increased CH4 fluxes five-six fold compared to partial root exclusion, equivalent to an 86 - 90% reduction in CH4 oxidation, demonstrating the important role of root inputs of oxygen in mitigating CH4 efflux from tropical peat. A 13CO2 pulse labelling experiment was conducted using both R. taedigera, C. panamensis, and Symphonia globulifera, a second broadleaved evergreen tree species, to demonstrate a direct link between plant photosynthesis and CH4 fluxes, and identify aspects of the bacterial and fungal community associated with the turnover of labile carbon. The extent of 13C enrichment of CH4 differed significantly between plant types (palms vs broadleaved evergreen trees), as did the extent of net CH4 efflux. Phospholipid fatty acid (PLFA) biomarker analysis indicated both peat types were dominated by Gram negative bacteria. There was strong 13C enrichment of Gram negative bacteria, supporting their previously proposed role as important decomposers of labile carbon. Collectively, these results demonstrate that root inputs of carbon and oxygen can strongly regulate tropical peatland GHG fluxes, and that the extent of regulation can vary significantly between tropical wetland plant species from contrasting dominant plant types. This is particularly important in understanding regulatory processes in a globally significant carbon store and understanding possible consequences of land use change in the tropics.

Orientador: Ana Cláudia Ruggieri
Banca: Carlos Eduardo Pellegrino Cerri
Banca: Patrícia Perondi Anchão de Oliveira
Banca: Ricardo Andrade Reis
Banca: Mara Cristina Pessoa da Cruz
Resumo: Metano (CH4) e óxido nitroso (N2O) são dois dos mais importantes gases de efeito estufa emitidos pela pecuária. Eles são produzidos pelas excretas dos animais e fertilizantes. No Brasil, a quantidade emitida destes gases e opções para mitigação foram pouco exploradas. Uma sequência de 4 experimentos foram realizados em campo (em duas estações chuvosas e duas secas, 106 dias de duração cada) com o objetivo de quantificar as emissões de N2O e CH4, volatilização de NH3 e o fator de emissão (FE) quando aplicadas fezes, urina, fezes + urina e fertilizante ureia em Latossolo Vermelho cultivado com capim-marandu. Investigou-se o efeito da umidade do solo e compactação, composição da urina, volume urinário, e adição de fezes sobre as emissões de N2O em um Latossolo recebendo urina manipulada em condições controladas, bem como nas emissões de CH4. Como opção para mitigar as emissões de gases de efeito estufa (GEE) foram estudadas as variáveis como as alturas de pastejo que afetam a magnitude das emissões de GEE; a influência estacional na produção e consumo dos GEE; quais são as variáveis chaves associadas com as emissões de GEE em pastagens de capim-marandu. Adicionalmente, investigou se o efeito dietético dos níveis do sal mineral na concentração de N na urina, o volume urinário, a proporção dos compostos nitrogenados na urina e a concentração de N nas fezes em condições de campo. Os FEs de N2O quantificados diferiram de acordo com a excreta e estação do ano. O FEs foram 2,34%, 4.26% e 3,95% na estação chuvosa e 3.00%, 1.35% e 1.59% na estação seca, respectivamente, para fezes, urina e fezes + urina. O FE do fertilizante ureia foi 0,37%. As emissões médias do CH4 acumuladas foram 99,72, 7,82 e 28,64 (mg C-CH4 m2) para fezes, urina e fezes + urina nesta sequência. Quando manipuladas as condições do solo como umidade, compactação e adição de...
Abstract: CH4 and N2O are two of the most important greenhouse gas emitted by livestock. They are produced from animal excretes and the fertilizer. In Brazil the amount and options to mitigate these gases are little explored. We carried out a sequence of 4 field-trials (two rainy and two dry season, 106 days each) aimed to quantify the N2O and CH4 emissions, NH3 volatilization and emission factor (EF) after application of dung, urine, dung + urine and urea fertilizer on a Ferralsol of a marandu palisade-grass pastureland of Brazil. We aimed to investigate the effects of soil moisture, soil compaction, urine composition, urine volume, and dung addition on N2O emission from a urine-treated tropical Ferralsol under controlled conditions as well on CH4 emission. As option to mitigate greenhouse gas (GHG) emissions we studied how grazing heights affect the magnitude of GHG emissions; how season influence GHG production and consumption; what are the key driving variables associated with GHG emissions. Additionally, we investigated the effect of dietary mineral salt levels on urine-N concentration, urine volume, the proportion of N compounds in the urine and faeces-N concentration under field conditions. The emissions factor (EF) calculated differed according excretes and season. The EFs were 2.34%, 4.26% and 3.95% in the rainy season and 3.00%, 1.35% and 1.59% in the dry season, respectively, for the dung patches, urine patches and dung + urine. The N2O EF from urea was 0.37%. The averages of CH4 accumulated emissions were 99.72, 7.82 and 28.64 (mg CH4-C m2) for dung, urine and dung + urine in this sequence. The manipulated soil conditions moisture content, compaction, and dung addition affected N2O emissions when varying quantities of urine-N were applied (in equal urine volumes) being higher when added dung and did not affect when varying urine volumes were applied (containing equal quantities of urine-N) ...
Doutor

The solid product of pyrolysis, called \"biochar\" (BC) in the context of improving soil properties as part of agronomic or environmental management, also got into focus as a climate mitigation strategy. The researcher investigated the effects of BC on soil attributes, nitrogen (N) use and GHG emissions. In Chapter 1 the origin of BC was commented. In Chapter 2, BC from sugarcane straw was characterized, and its priming on native SC was evaluated with the treatments: (T1) Soil; (T2) BC; (T3) Soil + BC 10 Mg ha-1; (T4) Soil + BC 20 Mg ha-1; and (T5) Soil + BC 50 Mg ha-1. In Chapter 3, it was evaluated the combination of BC, filter cake (F) and vinasse (V), in relation to soil attributes and carbon dioxide (CO2), methane (CH4) and nitrous oxide (N2O) emissions. The treatments were: (T1) Soil + FC + V; (T2) Soil + FC + V + BC 10 Mg ha-1; (T3) Soil + FC + V + BC 20 Mg ha-1; and (T4) Soil + FC + V + BC 50 Mg ha-1. In Chapter 4, the nitrogen (N) use efficiency was investigated in a pot trial under wheat using NH4[15N]O3 and rates of BC, with the treatments: (T1) Soil, with N, no BC; (T2) Soil, with N, BC 10 Mg ha-1; (T3) Soil, with N, BC 20 Mg ha-1; and (T4) Soil, with N, BC 50 Mg ha-1. BC had C and N contents higher compared to the feedstock. Total K, Mg and P also increased. The lowest CO2 fluxes were for BC, and CO2 from soil and soil + BC did not differ. The highest CO2 - C4 was in the first day, and there were no differences in the CO2 - C3. The BC presents characteristics to improve soil attributes. BC stability is an opportunity to reduce CO2 emissions. In Chapter 3, soil pH, P and base contents increased and Al3+ decreased with BC to sandy soil. Impacts of BC on the CEC were higher in sandy soil. Mineral N decreased with BC. Cumulative CO2 in T1 were higher in sandy and clayey soils than the control. T2 and T3 in sandy soil increased CO2 emissions, but T4 did not differ from T1. BC reduced N2O emissions from sandy and clayey soils relative to T1. BC with FC and V affected pH, CEC, P and base contents. However, those effects were higher in sandy soil. The BC supressed N2O from V and FC. In Chapter 4, BC decreased N2O from N fertilization compared to only N fertilizer. T4 had higher tillering and grain yield. Also, T2 to T4 had higher 100-grain weight and shoot. T3 and T4 had the highest N in grains. The application of BC to soil improves N availability and use efficiency, enhances grain yields and reduces N2O from N fertilization. This study opened encouraging perspectives to the evaluation of sugarcane straw BC to improve soil quality and mitigate GHG emissions.
O produto sólido da pirólise, denominado \"biochar\" (BC) no contexto da melhoria nos atributos do solo como parte do manejo agrícola e ambiental, também tem se destacado na mitigação das mudanças climáticas. O pesquisador investigou os efeitos do BC nos atributos do solo, uso do nitrogênio (N) e emissões de GEE. No Cap. 1 comentou-se a origem do BC. No Cap. 2, caracterizou-se o BC de palha de cana-de-açúcar e avaliou-se o potencial de decomposição do C do solo, com os tratamentos: (T1) Solo; (T2) BC; (T3) Solo + BC 10 Mg ha-1; (T4) Solo + BC 20 Mg ha-1 (T4); e (T5) Solo + BC 50 Mg ha-1. No Cap. 3, avaliou-se a combinação BC, torta de filtro (TF) e vinhaça (V) em atributos do solo e fluxos de dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso (N2O) nos tratamentos: (T1) Solo + TF + V; (T2) Solo + TF + V + BC 10 Mg ha-1; (T3) Solo + TF + V + BC 20 Mg ha-1; e (T4) Solo + TF + V + BC 50 Mg ha-1. No Cap. 4 investigou-se a eficiência de uso do N num experimento em vasos com trigo usando NH4 [15N]O3 e doses de BC, com os tratamentos: (T1) Solo, com N, sem BC; (T2) Solo, com N, BC 10 Mg ha-1; (T3) Solo, com N, BC 20 Mg ha-1; e (T4) Solo, com N, BC 50 Mg ha-1. Os teores de C e N do BC foram maiores comparado à biomassa. K, Mg e P totais também aumentaram. Os menores fluxos de CO2 foram do BC. O CO2 do solo e solo + BC não diferiram. Observou-se maior CO2 - C4 no primeiro dia de incubação, porém sem diferenças no CO2 - C3. O BC apresenta características para melhorar atributos do solo e reduzir as emissões de CO2. No Cap. 3, pH, P e bases aumentaram e o Al3+ diminuíu com o BC. Os impactos do BC na CTC foram maiores em solo arenoso. O N mineral diminuíu com o BC. O CO2 acumulado no T1 foi maior nos solos arenoso e argiloso comparado ao controle. O T2 e T3 aumentaram o CO2 acumulado do arenoso relativo ao T1, enquanto T4 e T1 não diferiram. O BC reduziu as emissões de N2O pelos solos arenoso e argiloso comparado ao T1. O BC combinado à TF e V afetaram pH, CTC, P e bases do solo arenoso. O BC suprimiu o N2O de solos com V e TF. No Cap. 4, o BC diminuíu as emissões de N2O comparado ao fertilizante N apenas. T4 teve rendimento de grãos superior ao T1. T2 a T4 apresentaram maior peso de 100 grãos e biomassa aérea. T3 e T4 tiveram maior N em grãos. O BC melhora o uso do N, a produção de grãos e reduz o N2O de fertilizante N, abrindo perspectivas para a avaliação do BC de palha de cana-de-açúcar na melhoria da qualidade do solo e mitigar das emissões de GEE.

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Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
Dissertacao (Mestrado)
IPEN/D
Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP
FAPESP:04/04148-3

In Brazilian livestock, and its diverse ways of production, the management of grazing animals is known as the lowest return on investment on land use opportunities. Nevertheless, among different types of milk production systems, it is noted that the use of pasture grazing is a common feature between them. Thus, to achieve profitability and maintain system sustainability, the identification of the most adequate and efficient pasture management practices, can maximize production per cow and production per unit area. The low efficiency of this method of production, also classifies the national livestock as the major source of environmental pollution due the emission of pollutants, such as greenhouse gases and nitrogen. The adoption of pasture management techniques respecting forage physiological limits and increasing digestibility of nutrients, can reduce the excretion of nutrients and the production of methane per kilo of milk produced on the environment. The objectives of this thesis were to investigate metabolic variables, greenhouse gas emissions and animal performance for dairy cows grazing elephant grass subjected to rotational stocking strategies. Chapter 1: In this study was to evaluate two strategies of grazing management: pre-grazing targets of 95% versus maximum canopy light interception (LI). In intensive pasture-based milk production systems, the management based on LI95% allows lactating cows to have access to pastures with lower proportion of stems, with higher proportions of young leaves better chemical composition and perform an efficient grazing with lower forage losses. Therefore, the LI95% pasture management strategy results in higher energy intake, higher milk production per cow, higher stocking rates of pasture and higher milk yield per area. Also, the strategy allows the decrease of methane emissions per net energy intake when comparing to management based on LIMax. However, dietary N use efficiency did not increase with this management practice. Chapter 2: The objective of the second study was to evaluate the effects of paddock allocation time (a.m. vs. p.m.) on milk production, ruminal variables and efficiency of N use of mid-lactation dairy cows. In intensive pasture-based milk production systems, allocating cows on new paddocks on p.m. time has no effect on forage intake and milk production of grazing mid-lactation cows. However, the higher content of nonstructural carbohydrate of forage from p.m. pastures increases the yield of microbial protein, decreases milk urea nitrogen and tends to increase the yields of milk protein and milk casein compared to a.m. pastures. Throughout this thesis there were an improvement on nutritive value of forage adopting LI95% as a pre- grazing target and forage grazed at p.m. Therefore, the time of allocation on paddock should be used along with LI95% as fine-tune in intensive pasture-based milk production systems.
No Brasil, a produção animal em pastagens é reconhecida por ser uma atividade pouco competitiva frente a outras oportunidades de uso da terra. Embora sejam inúmeros os tipos de sistemas de produção de leite no Brasil, nota-se que a utilização de pastagens é característica comum. Assim, a identificação de práticas adequadas e eficientes de manejo do pastejo contribuirá com aumento da produção por vaca e por unidade de área, além de contribuir para a sustentabilidade do sistema. A baixa eficiência do uso dos recursos naturais tem classificado a pecuária nacional como uma importante fonte de poluição ambiental devido à emissão de poluentes, como gases de efeito estufa e excreção de nitrogênio. A adoção de técnicas de manejo de pastagens respeitando os limites fisiológicos da forrageira e aumentando sua digestibilidade, podem reduzir a produção de metano por quilo de leite produzido no ambiente e a excreção de nutrientes. Os objetivos desta tese foram investigar variáveis metabólicas e desempenho animal de vacas leiteiras em capim-elefante cv. cameroon submetido a estratégias de pastejo rotativo. Capítulo 1: Neste estudo foram avaliadas duas estratégias de manejo de pastejo: meta de pré-pastejo de 95% versus máxima interceptação luminosa (IL). Em sistemas intensivos de produção de leite à pasto, o manejo baseado no IL95% permite que vacas tenham acesso a pastos com maior relação folha: colmo, menores perdas de forragem, resultando em uma forragem com melhor composição química. Os animais pastejando forragem com IL95% tiveram maior consumo de matéria seca e energia, com maior produção de leite por vaca e taxa de lotação resultando em maior produção de leite por área. Além disso, a estratégia permite a diminuição das emissões de metano por consumo de energia líquida quando comparado a máxima IL. No entanto, a eficiência do uso de N não aumentou com essa prática de manejo. Capítulo 2: O objetivo do segundo estudo foi avaliar os efeitos do período de início pastejo (a.m. ou. p.m.) na produção de leite, variáveis ruminais e eficiência de uso de N de vacas leiteiras no terço médio da lactação. Em sistemas intensivos de produção de leite à pasto, o pastejo de novos piquetes no período da tarde não teve efeito sobre o consumo de forragem e produção de leite de vacas no terço médio da lactação. No entanto, o maior teor de carboidratos não fibrosos da forragem ao final do dia possibilitou o aumento da síntese de proteína microbiana, redução do nitrogênio uréico no leite e apresentou tendência para aumento da produção de proteína e caseína do leite em comparação à vacas que iniciaram o pastejo no período da manhã. Ao longo dos estudos desta tese houve uma melhora no valor nutritivo da forragem adotando IL95% e da forragem pastejada no período da tarde. Assim, o pastejo no período da tarde deve ser adotado juntamente com IL95% como ajuste fino em sistemas intensivos de produção de leite à base de pasto.

Made available in DSpace on 2016-08-15T20:27:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ValdirMFF_TESE.pdf: 1925544 bytes, checksum: 2c6adf20cb05d72a5da15ba8f9a6a638 (MD5) Previous issue date: 2015-02-26
To study the thermal balance associated to methane emission in goats in a tropical environment, it was used nine Anglo Nubian females weighing in average 53.89 kg. The animals were observed during nine consecutive days from 08:00 to 17:00. An indirect open calorimetry system was used with a facial mask adjusted on the animal s muzzle and the volume of O2, CO2, CH4 and water vapor in the inspired and expired air were determined as well as the respiratory rate, respiratory volume and the temperature of expired air. Several parameters were also collected such as rectal temperature, body surface and hair coat temperature, air temperature and humidity and black globe temperature. The results showed that when the air temperature was below 26 °C the heat exchange for long-wave radiation and convection were effective to maintain the thermal equilibrium of the animals, since respiratory rate, respiratory volume, rectal temperature and metabolic heat production parameters did not change. When the air temperature increased to 28 °C, there was a slight change in physiological responses. When air temperature was higher then 30°C the variation in the physiological parameters was significant. These results demonstrated that the thermal balance in Anglo Nubian goats protected from direct solar radiation for an air temperature between 20 and 25 °C is maintained primarily by the sensible heat loss and when these temperature reaches values higher then 30 °C can only be maintained by latent heat loss for a cost of significant changes in respiratory rate and volume, hence thermal comfort zone was varying from 20 to 27 °C. In this environment, methane emission from enteric fermentation was in average 8.41 kg year-1 animal-1. There was no significant correlation between the methane emission and with physiological and environmental parameters but with individual characteristics of each animal, such as body weight
Com objetivo estudar o equilíbrio térmico associado à emissão de CH4 em caprinos em ambiente tropical, o presente trabalho utilizou nove fêmeas da raça Anglo Nubiano com peso corporal médio de 53,89 kg, que foram observadas durante nove dias consecutivos entre às 08:00 até 17:00 horas. Um sistema de calorimetria indireta aberta com auxílio de máscara facial ajustada ao focinho dos animais foi utilizado para determinar o volume de O2, CO2, CH4 e H2O (vapor) no ar inspirado e expirado. Simultaneamente a esses volumes também foram determinados nos animais à frequência e volume respiratório, além das temperaturas do ar expirado, retal, superfície da pele e pelame, enquanto no ambiente foram determinados a temperatura do ar e umidade, além da temperatura do globo negro. Os resultados mostraram para uma temperatura do ar inferior a 26°C as trocas de calor por radiação de ondas longas e convecção foram eficazes para manter o equilíbrio térmico dos animais, pois frequencia respiratória e volume respiratório, além da temperatura retal e produção de calor metabólico não se alteraram, mas quando a temperatura do ar passou de 28 °C, ocorreu uma leve alteração nas respostas fisiológicas e acima 30 °C essa alteração foi bem significativa. Esses resultados demonstraram que o equilíbrio térmico dos caprinos da raça Anglo Nubiano protegidos da radiação solar direta para uma faixa de temperatura do ar entre 20 a 25 °C é mantido basicamente pela perda de calor sensível e, após 30 °C, somente pode ser conseguido via perda de calor latente à custa de alterações significativas na frequência e volume respiratório, consequentemente sua faixa de zona de conforto térmico estaria variando entre 20 a 27 °C aproximadamente quando manejados protegidos da radiação solar. Nestas condições sua emissão de CH4 é da ordem de cerca de 8,41 kg ano-1 animal-1, sendo essa emissão não correlacionada de forma significativa com as variáveis fisiológicas e ambientais avaliadas e sim com características individuais de cada animal, como seu peso corporal

Entre as principais oleaginosas eleitas para a produção de biodiesel, encontra-se a mamona (Ricinus communis L.), por possuir elevado teor de óleo, conhecido como óleo de rícino, extraído pela prensagem das sementes, contendo 90% de ácido graxo ricinoléico, o qual confere ao óleo suas características singulares, possibilitando ampla gama de utilização industrial. A produção brasileira de mamona concentra-se na caatinga baiana. A agricultura desta região, embora seja feita sem o uso de insumos agrícolas mantém uma produtividade regular. Com isso, tornou-se importante avaliar o efeito ambiental desta cultura sobre os estoques de C (carbono) e N (nitrogênio) no solo e os mecanismos de sua manutenção. Este trabalho foi realizado em solos de uma fazenda na região de Irecê-BA, tendo como objetivos calcular os estoques de C e N no solo; calcular o fluxo de gases do efeito estufa dos resíduos de mamona; calcular os valores C e N da biomassa microbiana no solo (BMS) e analisar o perfil da comunidade de bactérias fixadoras de N2 no solo por PCR-DGGE. Os resultados indicaram a ausência de variações nos estoques de C entre os tratamentos de mamona com 10, 20 e 50 anos de cultivo (48 Mg ha-1) sendo superados pelos valores encontrados na caatinga (90 Mg ha-1); mesma condição para o estoque de N (5,3 Mg ha-1 nos tratamentos de mamona e 8 Mg ha-1 na caatinga). Já os valores de C-microbiano foram superiores na caatinga, mas não apresentaram diferenças entre os cultivos de mamona; para o N-microbiano, os valores não sofreram diferenças entre as camadas, porém foram inferiores no tratamento de mamona com 10 e 50 anos de cultivo. O fluxo de gases de N-N2O e C-CO2 foram maiores para o tratamento com aplicação de resíduos orgânicos de mamona chegando a 160 mg m-2 h-1 de C-CO2 e 600 mg m-2 h-1 de N-N2O. O teste de redução de acetileno (ARA) e a análise de DGGE indicaram que o perfil da comunidade de bactérias diazotróficas do solo nos diferentes tratamentos sofreu alteração e permitiu a estocagem de N no solo durante os 50 anos de cultivo viabilizando, ambientalmente, a produção de mamona nesta região.
Among the main oils elected for biodiesel production is the castor bean (Ricinus communis L.) for its high oil content, known as castor oil extracted by pressing the seeds containing 90% ricinoleic acid, which gives the oil its unique features, allowing a wide range of industrial use. Brazilian production of castor oil is concentrated in the tropical dry forest of Bahia. Farming in this region, although it is made without the use of agricultural inputs remains a regular productivity. With this, it became important to assess the \"environmental effect\" of this culture on the stocks of C (carbon) and N (nitrogen) in soil and the mechanisms for its maintenance. This work was carried out in soils of a farm in Irecê-BA, aimed to calculate the stocks of C and N in soil, calculated the flows of greenhouse gases from oil waste; to figure out the values of carbon (C) and nitrogen (N) of microbial biomass in soil (BMS and to analyze the profile of the community of N2-fixing bacteria in soil through denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). Results indicated the absence of changes in C stocks between treatments of castor oil with 10, 20 and 50 years of cultivation (about 48 Mg ha-1) being outweighed by values found in the tropical dry forest (90 Mg ha-1); same condition verified for the stock of N (5.3 Mg ha-1 treatments of castor and 8 Mg ha-1 in tropical dry forest). As for values of microbial-C, they were higher in the tropical dry forest and did not present differences between the cultures of castor oil; regarding microbial-N values, there have not been differences between the layers, but they were lower for castor oil with 10 and 50 years of cultivation. The gases flow accumulated N-N2O was significantly higher than that of CCO2 and higher for the treatment of soil with organic fertilizer castor reaching 160 mg m- 2 h-1 of C-CO2 and 600 mg m-2 h-1 of N-N2O. ARA analysis and DGGE indicated that the profile of the diazotrophic community of soil in different treatments had change, allowing the storage of N in soil during the 50 years of cultivation enabling, in environmental terms, the production of castor oil in this region.

Pasture-based systems are important milk suppliers to dairy industry and thereby will play relevant role to support the growing demand for food. However, this additional milk supply must be obtained through higher yields resulting from intensification of existing farming systems through strategies environmentally friendly and economically profitable towards sustainable intensification. The central hypothesis of this study was that simple grazing management strategies can improve the efficiency while reduce the key environmental issues of tropical pasture-based dairy systems. Two experiments were carried out on a rainfed and non-irrigated elephant grass (Pennisetum purpureum Schum. cv. Cameroon) pasture in Piracicaba, SP, Brazil. The objective of the first experiment was to investigate the influence of two pre-grazing targets (95% and maximum canopy light interception during pasture regrowth; LI95% and LIMAX, respectively) on sward structure and herbage nutritive value, dry matter intake (DMI), milk yield, stocking rate, enteric methane (CH4) emissions by Holstein × Jersey dairy cows, and nitrous oxide fluxes from the soil. Results indicated that pre-grazing canopy height was greater for LIMAX (≈135 cm) than LI95% (≈100 cm) and can be used as a reliable field guide for monitoring sward structure. Grazing management based on the LI95% target improved herbage nutritive value and grazing efficiency, allowing greater DMI, milk yield and stocking rate by dairy cows. Daily enteric CH4 emission was not affected; however, cows grazing elephant grass at LI95% were more efficient and emitted 21% less CH4/kg of milk yield and 18% less CH4/kg of DMI. The 51% increase in milk yield per hectare overcame the 29% increase in enteric CH4 emissions per hectare for the LI95% target. Nitrous oxide fluxes were not affected by pre-grazing targets. Overall, strategic grazing management is an environmentally friendly practice that improves the use efficiency of allocated resources through optimization of processes involving plant, ruminant and their interface, and enhances milk production efficiency of tropical pasture-based systems. Once the ideal pre-grazing target was established during he first experiment (LI95%), the second step consisted of a refinement of the first phase. The second objective was to describe and measure the influence of two timings of new paddock allocation to cows (AM and PM) on herbage chemical composition and DMI, milk yield, milk compostion, and enteric CH4 emissions of Holstein × Jersey dairy cows. Results supported the general understanding of diurnal variation in herbage chemical composition towards greater concentrations of dry matter and non-fibrous carbohydrates, and lower concentration of fiber components in the afternoon herbage. However, the higher nutritive value of the afternoon herbage did not result in increasead DMI and milk yield, or decreased intensity of CH4 emission by dairy cows. Our findings also indicate that new paddock allocation in the afternoon can be a simple and useful grazing strategy that results in greater N partitioning to protein yield, and lower excretion of urea N in milk. The association of LI95% pre-grazing target and PM allocation could bring economic, productive and environmental benefits towards sustainable intensification of tropical pasture-based systems.
Sistemas baseados no uso de pastagens são importantes fornecedores de leite para a indústria de latícinios e, dessa forma, terão papel relevante para suportar a crescente demanda por alimentos. No entanto, essa oferta adicional de leite deve ser obtida através de maiores produtividades resultantes da intensificação de sistemas de produção já existentes por meio de estratégias ambientalmente seguras e economicamente rentáveis em direção à intensificação sustentável. A hipótese central deste estudo foi que estratégias simples de manejo do pastejo podem melhorar a eficiência e, ao mesmo tempo, reduzir os principais impactos ambientais dos sistemas de produção animal em pastagens tropicais. Foram realizados dois experimentos em pastagem de capim-elefante (Pennisetum purpureum Schum. Cv. Cameroon) não-irrigada em Piracicaba, SP, Brasil. O objetivo do primeiro experimento foi avaliar a influência de duas metas pré-pastejo (95% e máxima interceptação de luz pelo dossel durante a rebrotação; IL95% e ILMáx, respectivamente) sobre a estrutura do pasto e valor nutritivo da forragem, consumo de matéria seca (CMS), produção de leite, taxa de lotação, emissões de metano entérico (CH4) de vacas HPB × Jersey, e o fluxo de óxido nitroso dos solos. Os resultados indicaram que a altura pré-pastejo foi maior para ILMáx (≈135 cm) do que IL95% (≈100 cm) e pode ser usada como um guia de campo confiável para monitorar a estrutura do pasto. O manejo do pastejo com base nos critérios de IL95% melhorou o valor nutritivo da forragem e a eficiência de pastejo, permitindo maior CMS, produção de leite e taxa de lotação. A emissão diária de CH4 entérico não foi afetada; no entanto, as vacas que pastejaram o capim-elefante manejado por IL95% foram mais eficientes e emitiram 21% menos CH4/kg de leite e 18% menos CH4/kg de MS consumida. O aumento de 51% na produção de leite por hectare superou o aumento de 29% nas emissões de CH4 entérico por hectare para a meta IL95%. Os fluxos de óxido nitroso não foram afetados pelas metas pré-pastejo. De maneira geral, o manejo do pastejo com base na meta IL95% é uma prática ambientalmente segura que melhora a eficiência de uso dos recursos alocados por meio da otimização de processos envolvendo plantas, ruminantes e sua interface, e aumenta a eficiência da produção de leite em sistemas baseados em pastagens tropicais. Uma vez que a meta pré-pastejo ideal foi estabelecida durante o primeiro experimento (IL95%), a segunda etapa consistiu-se em um refinamento da primeira. O segundo objetivo foi descrever e medir a influência de dois horários de alocação de novos piquetes aos animais (AM e PM) sobre a composição química da forragem, CMS, produção e composição do leite, e emissões de CH4 entérico de vacas HPB × Jersey. Os resultados confirmaram a compreensão geral da variação diurna na composição química da forragem em direção a maiores concentrações de matéria seca e de carboidratos não-fibrosos, e menor concentração de componentes da fibra na forragem amostrada pela à tarde. No entanto, o maior valor nutritivo da forragem da tarde não aumentou o CMS e a produção de leite, nem diminuiu a intensidade de emissão de CH4 das vacas leiteiras. Os resultados também indicaram que a alocação à tarde pode ser uma estratégia de manejo simples e útil que resulta em maior partição de N para produção de proteína, e menor excreção de N ureico no leite. A associação da meta pré-pastejo IL95% e a alocação do rebanho para um novo piquete à tarde poderia trazer benefícios econômicos, produtivos e ambientais para a intensificação sustentável de sistemas baseados em pastagens tropicais.

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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
Universidade Federal Fluminense. Instituto de Química. Programa de Pós-Graduação em Geociências - Geoquímica. Niterói, RJ
As taxas de produção, transformação, emissão e sedimentação de carbono na interface terra-mar são significantes globalmente, porém pobremente quantificadas nas regiões tropicais. O aumento acelerado nas concentrações atmosféricas de dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4) alerta a importância do monitoramento e quantificação das concentrações e fluxos desses gases do efeito estufa na zona costeira. A redação da presente tese foi separada em capítulos. Os capítulos 1 e 2 apresentam a introdução geral do trabalho e o estado da arte do conhecimento da temática da tese, sobre a dinâmica de CO2 e CH4 em estuários. O capítulo 3 contém a descrição do sistema de medição contínua e on-line da pressão parcial do CO2 (pCO2) e comparações entre as medições contínuas com estimativas indiretas calculadas a partir da alcalinidade total (AT) e pH da água em dois estuários contrastantes: a Baía de Guanabara, Rio de Janeiro, e o estuário do Rio São Francisco, AL. Na Baía de Guanabara, um estuário dominado pela forçante marinha e altamente impactado por atividades antrópicas, os valores calculados e medidos da pCO2 mostraram excelente concordância (R2 = 0.95, p < 0.0001). Em contraste, no estuário do Rio São Francisco, onde o gradiente salino completo foi amostrado, importantes superestimativas foram verificadas nos valores calculados em algumas amostras de água doce. A superestimativa média foi de 72%, chegando ao valor extremo de 737%. Esses erros foram atribuídos à contribuição da alcalinidade orgânica e à baixa capacidade de tamponamento do sistema carbonato sob condições de água doce, de baixo pH e baixa AT. Os capítulos 4 e 5 apresentam os resultados das variações temporais e espaciais nas concentrações e fluxos de CO2 e CH4 na interface água-atmosfera na Baía de Guanabara. O estudo foi conduzido entre Abril de 2013 e Abril de 2014 com monitoramento contínuo da pCO2, temperatura, salinidade, fluorescência e oxigênio dissolvido (OD). Amostragens discretas foram realizadas para CH4, clorofila a e nutrientes inorgânicos dissolvidos. As concentrações anuais de CO2 e CH4 variaram entre 22-3715 ppmv e 18-10350 nmol L-1, respectivamente. Marcantes subsaturações da pCO2 na água em relação à pCO2 atmosférica foram prevalentes em águas rasas, confinadas e termicamente estratificadas principalmente no verão, enquanto supersaturação foi restrita às proximidades da desembocadura de rios poluídos e efluentes de esgotos. O CO2 também apresentou variações diuturnas em função dos processos de fotossíntese e respiração, com maiores valores no período noturno. O CH4 apresentou sobressaturação em todas as amostras, com as concentrações mais altas próximas de localidades com maior influência antrópica. A produção de metano pareceu ser pequena na região amostrada em função da competição com a redução de sulfato, sendo a maior parte do CH4 sustentada por fontes alóctones (rios poluídos e esgoto doméstico). Contrariamente à maioria dos sistemas estuarinos, a Baía de Guanabara foi considerada um sumidouro anual de CO2 em função da concomitância entre alta incidência de radiação fotossinteticamente ativa (PAR), estratificação térmica e alta disponibilidade de nutrientes, que promoveram grandes florações de fitoplâncton e autotrofia (metabolismo autotrófico de 52,1 mol C m-2 ano-1). Os fluxos de CO2 na interface água-atmosfera foram da ordem de -9,6 a -18,3 mol C m-2 ano-1. Os fluxos calculados de metano ficaram entre 0,20 e 0,35 mol C m-2 ano-1, e estão bem acima da média dos valores documentados em outros estuários mundiais, mostrando que a poluição pode ser um importante fator nas emissões estuarinas. Dessa forma, a eutrofização pareceu amplificar o sumidouro de CO2, enquanto a poluição orgânica pareceu amplificar a emissão de CH4. Comparando os fluxos de CO2 e CH4 em termos de emissões equivalentes de CO2 (CO2-eq), as emissões de CH4 reduziram o caráter sumidouro do CO2 em aproximadamente 16%. Esses resultados indicam que mais estudos são necessários em regiões estuarinas tropicais cobrindo diferente tipologias, pois a maioria dos trabalhos publicados até o momento se concentraram em estuários temperados e dominados por rios.
The production, transformation, emission and burial of carbon at the land-ocean interface are globally significant, but rather poorly quantified in tropical regions. The increasing atmospheric concentrations of dioxide carbon (CO2) and methane (CH4) alerts to the importance and necessity of monitoring and quantifying the concentrations and fluxes of these greenhouse gases at coastal zone. The present doctoral thesis was divided into several chapters. Chapter 1 presents a general introduction to the thesis. Chapter 2 corresponds to a general introduction which focuses on the state of art of knowledge of the thesis subject, dealing with the CO2 and CH4 dynamics in estuaries. Chapter 3 describes the system applied for the online and continuous measurements of the aquatic partial pressure of CO2 (pCO2) and compares its estimate between the method of the continuous measurements with indirect estimates based on calculations with total alkalinity and pH in two contrasting Brazilian estuaries. One being the marine dominated and highly anthropogenically disturbed Guanabara Bay (State of Rio de Janeiro, SE-Brazil) and the other, the oligotrophic Sao Francisco River Estuary (State of Alagoas, NE-Brazil), impacted by dams. For Guanabara Bay, the measured and calculated pCO2 values showed an excellent agreement (R2 = 0.95, p < 0.0001). In contrast, the Sao Francisco estuary, showed good agreements between both methods in the estuarine mixing zone but not for it´s freshwater end member samples, which yielded substantial overestimations for the calculated pCO2. The average overestimation was 72%, reaching 737%. These discrepancies were attributed to the interference of organic alkalinity in the calculations particular in acid, poorly buffered freshwaters. Chapters 4 and 5 correspond to the part of this study, addressing the results of the temporal and spatial variations of CO2 and CH4 concentrations and atmospheric exchanges in Guanabara Bay. The study was conducted between April 2013 and April 2014, with continuous on line monitoring along trajectories of pCO2, temperature, salinity, fluorescence and dissolved oxygen. In addition, discrete sampling was performed at fixed stations along the trajectories for CH4, Chlorophyll a and dissolved inorganic nutrients. The annual concentrations of CO2 and CH4 ranged between 22-3715 ppmv and 18-10350 nmol L-1, respectively. Marked undersaturations of pCO2 were prevalent in shallow, confined and stratified waters especially at summertime, whereas oversaturations were restricted to the vicinity of the polluted river mouths and effluent discharge. The CO2 presented diurnal variations related to the processes of photosynthesis and respiration, with higher values at nigh-time period. CH4 was oversaturated in all samples, with higher concentrations primarily in the polluted regions. Methanogenesis seemed to be low in the sampled regions due to the competition with sulphate-reduction, with the major part of the CH4 sustained by allochthonous sources, derived from the sewage network. In contrast to the major part of the world´s estuarine systems, Guanabara Bay was considered a strong sink of CO2 due to concomitant effects of high photosynthetically active radiation intensity (PAR), thermal stratification and net autotrophy (autotrophic metabolism of 52.1 mol C m-2 yr-1). The air-water CO2 fluxes were between -9.6 and -18.3 mol C m-2 yr-1. The calculated methane emissions were between 0,20 and 0,35 mol C m-2 yr-1, and were well-above of the world-average documented for other estuarine systems, showing that pollution can be an important factor in coastal CH4 emissions. As such, eutrophication seemed to amplify the CO2 sink, whereas the organic pollution seemed to amplify the CH4 emissions. Comparing the CO2 and CH4 in terms of CO2 equivalent emissions (CO2-eq), emissions of CH4 reduced the CO2 sink by about 16%. These results indicate that studies of topical estuaries covering different types of systems need to be enhanced, as most part of studies were conducted in river-dominated and temperate estuaries.

Nas últimas décadas as mudanças climáticas foram evidenciadas pelo aumento da temperatura global, diminuição dos estoques de carbono terrestres, associados ao aumento nas emissões de gases de efeito estufa (GEE). A floresta Amazônica é o maior bioma tropical do mundo e desenvolve serviços ambientais estratégicos no planeta. Entretanto, há mais de duas décadas que o desmatamento na Amazônia impulsiona as emissões globais de GEE, diminuindo o armazenamento de carbono do solo com alterações na dinâmica nas populações microbianas e nos ciclos biogeoquimicos pela mudança de uso da terra. O objetivo desse estudo foi avaliar as alterações temporais dos atributos químicos do solo, quantificar as emissões de CO2, CH4 e N2O e verificar as alterações na estrutura bacteriana do solo após o corte e queima de vegetação nativa na Amazônia. O estudo foi desenvolvido em área de vegetação nativa no norte do estado de Rondônia, região sul da Amazônia no Brasil. A área de estudo consistiu-se de quatro hectares, onde foi realizado o corte e queima em 2,25 hectares. Foram realizadas amostragens para avaliação da fertilidade do solo e estoques de carbono (C) e nitrogenio (N) nas profundidades de 0-5, 5-10, 10-15, 15-20, 20-30, 30-40, 40-50, 50-60, 60-80 e 80-100 cm. As coletas foram realizadas em vegetação nativa e aos 2, 30, 60, 90, 120, 240 e 365 dias após corte e queima. Foram determinados os atributos pH, Al, H+Al, Ca, Mg, K, P, C, N e calculados os valores de soma de bases, CTC, V % e m %. As coletas para quantificar as emissões dos GEE foram realizadas simultaneamente na área de vegetação nativa e no hectare central da área de corte e queima aos 19, 31, 48, 61 e 81 dias após corte e 2 , 4, 6, 8, 15, 31, 45, 61, 88, 122, 153, 180, 240 e 350 dias após queima, com amostragens aos 0, 20, 40 e 60 minutos. Os atributos microbiológicos do solo foram avaliados pela técnica de T-RFLP com amostragens realizadas simultaneas nas duas áreas, aos 32 e 62 dias após o corte e aos 2, 15, 30, 45, 60, 90, 120, e 360 dias após queima da biomassa vegetal. Foi verificado rápido aumento da fertilidade do solo e diminuição da acidez e teores de Al+3 após a queima, entretanto esse efeito foi pouco persistente, retornando ao status inicial do solo após um ano. Houve redução de 30 % nos estoques de C e N do solo no final do estudo, evidenciando os efeitos deletérios da mudança do uso da terra nos atributos químicos do solo. Foi registrado redução de 50 % das emissões de CO2 equivalente após o corte, comparada à vegetação nativa e reduções nas emissões de GEE de 35 % após um ano de estudo. Verificou-se na camada superficial, alterações significativas na estrutura da comunidade bacateriana do solo em decorrência do impacto do fogo e das alterações nos atributos químicos em função da deposição superficial de cinzas no solo, entretanto não foi verificada alterações significativa nas camadas abaixo de 5 cm. Este estudo forneceu importantes informações para o entendimento dos impactos e as alterações causadas pelo processo de conversão florestal tropical pelo corte e queima de vegetação nativa na Amazônia.
In recent decades, climate change has been evidenced by the increase in global temperature and the decrease in terrestrial carbon stocks, associated with an increase in greenhouse gas (GHG) emissions. The Amazon rainforest is the largest tropical biome in the world and develops strategic environmental services on the planet. However, for more than two decades, deforestation in Amazon has driven global GHG emissions, reducing soil carbon storage with changes in microbial populations dynamics and in biogeochemical cycles due to land use change. The objective of this study was to evaluate the temporal alterations of soil chemical attributes, quantify CO2, CH4 and N2O emissions and verify changes in soil bacterial structure, due to the slash and burn of the native vegetation in Amazon. The study was developed in an area of native vegetation in the north of Rondônia state, southern region of Amazon in Brazil. The study area consisted of 4 hectares, where it was cut and burned in 2.25 hectares. Samples were collected to evaluate soil fertility and carbon (C) and nitrogen (N) stocks at the depths of 0-5, 5-10, 10-15, 15-20, 20-30, 30-40, 40- 50, 50-60, 60-80 and 80-100 cm. These samples were collected in native vegetation at 2, 30, 60, 90, 120, 240 and 365 days after cutting and burning. The attributes pH, Al, H + Al, Ca, Mg, K, P, C, N were determined and the values of base sum, CEC, base saturation and aluminum saturation were calculated. The samples to quantify GHG emissions were carried out simultaneously in the native vegetation area and in the central hectare of the cutting and burning area at 19, 31, 48, 61 and 81 days after cutting and 2, 4, 6, 8, 15, 31, 45, 61, 88, 122, 153, 180, 240 and 350 days after burning, with samples at 0, 20, 40 and 60 minutes. The microbiological attributes of the soil were evaluated by T-RFLP technique with simultaneous samplings in the two areas, at 32 and 62 days after cutting and at 2, 15, 30, 45, 60, 90, 120, and 360 days after plant biomass burning. A rapid increase in soil fertility and a decrease in acidity and Al+3 contents after burning were verified, however this effect was not persistent, returning to the initial soil status after one year. There was a 30 % reduction in soil C and N stocks at the end of the study, evidencing the deleterious effects of land use change on soil chemical attributes. Also, a 50 % reduction in CO2 emissions after cutting, compared to native vegetation and, a 35 % reduction in GHG emissions after one year of study, were observed. We verified in the surface layer, significant alterations in the soil bacteria structure due to the fire impact and the changes in the chemical attributes, such as surface deposition of ashes. However, we did not verified significant changes in the layers lower than 5 cm. Our study provided important information for understanding the impacts and changes of the tropical forest conversion process by slash and burning native vegetation in Amazon.

Les taux de production, transformation, émission et sédimentation de carbone à l’interface continent-océan sont significatifs à l’échelle globale, mais encore sujets à de fortes incertitudes en particulier dans les régions tropicales. De même, l’augmentation des concentrations atmosphériques de dioxyde de carbone (CO2) et de méthane (CH4), oblige la communauté scientifique à développer des méthodes pour quantifier les concentrations et les flux dans la zone côtière. Cette thèse se présente sous forme de 5 chapitres. Les chapitres 1 et 2 présentent une introduction générale et l’état de l’art sur la dynamique du CO2 et du CH4 dans les systèmes estuariens. Le chapitre 3 décrit le système de mesure en temps réel de la pression partielle en CO2 (pCO2), ainsi qu’une comparaison de ces mesures directes avec les estimations indirectes à partir de l’Alcalinité et du pH de l’eau dans deux estuaires brésiliens contrastés : la baie de Guanabara, (Etat de Rio de Janeiro), et l’estuaire du fleuve São Francisco (Etat d’Alagoas). Dans la baie de Guanabara, un estuaire à dominance marine et fortement impacté par les activités anthropiques, les valeurs de pCO2 calculées et mesurées sont très cohérentes (R2 = 0.95, p < 0.0001). Au contraire, dans l’estuaire du São Francisco, où la totalité du gradient salin a été échantillonné, des surestimations importantes des pCO2 calculées par rapport aux valeurs mesurées ont été observées dans certains échantillons d’eau douce ; la surestimation moyenne pour l’estuaire était de 74%, atteignant des valeurs extrêmes de 737%. Ces erreurs sont attribuées à une contribution d’alcalinité organique et à un faible pouvoir tampon dans les eaux douces aux pH acides et aux faibles valeurs d’alcalinité. Les chapitres 4 et 5 présentent les variations spatio-temporelles des concentrations et flux de CO2 et de CH4 à l’interface eau-atmosphère dans la baie de Guanabara. L’étude a été conduite entre Avril 2013 et Avril 2014, avec des mesures continue de pCO2, température, salinité, fluorescence e oxygène dissous (OD). Un échantillonnage discret a été réalisé pour déterminer les concentrations en CH4, Chlorophylle et nutriments inorganiques dissous. Les concentrations de CO2 et CH4 variaient entre 22 et 3715 ppmv et entre 18 et 10350 nmol L-1, respectivement. Des sous-saturations marquées en CO2 prédominaient dans les eaux peu profondes, confinées et stratifiées thermiquement principalement en été, tandis que les sursaturations en CO2 étaient restreintes aux régions proximales aux débouchés de fleuves et aux rejets d’eaux usées urbaines. Les concentrations en CO2 variaient aussi à l’échelle diurne en fonction de l’activité de photosynthése et de respiration, avec des maximaux en fin de nuit. Tous les échantillons étaient sursaturés en CH4, avec des concentrations maximales à proximité des rejets urbains. Cette distribution suggère que la production de CH4 dans les sédiments de la baie est faible du fait de la compétition entre sulfato-réduction et méthanogénèse, la majorité du CH4 provenant d’apports en provenance du réseau d’égout. Contrairement à la plupart des systèmes estuariens, la baie de Guanabara se comporte comme un puits de CO2, favorisé par de fortes radiations lumineuses, une stratification thermique et une grande disponibilité en nutriments, qui génèrent des floraisons phytoplanctoniques et un métabolisme autotrophe de 52,1 mol C m-2 an-1. [...]
The production, transformation, emission and burial of carbon at the land-ocean interface are globally significant, but rather poorly quantified in tropical regions. The increasing atmospheric concentrations of dioxide carbon (CO2) and methane (CH4) alerts to the importance and necessity of monitoring and quantifying the concentrations and fluxes of these greenhouse gases at coastal zone. The present doctoral thesis was divided into several chapters. Chapter 1 presents a general introduction to the thesis. Chapter 2 corresponds to a general introduction which focuses on the state of art of knowledge of the thesis subject, dealing with the CO2 and CH4 dynamics in estuaries. Chapter 3 describes the system applied for the online and continuous measurements of the aquatic partial pressure of CO2 (pCO2) and compares its estimate between the method of the continuous measurements with indirect estimates based on calculations with total alkalinity and pH in two contrasting Brazilian estuaries. One being the marine dominated and highly anthropogenically disturbed Guanabara Bay (State of Rio de Janeiro, SE-Brazil) and the other, the oligotrophic Sao Francisco River Estuary (State of Alagoas, NE-Brazil), impacted by dams. For Guanabara Bay, the measured and calculated pCO2 values showed an excellent agreement (R2 = 0.95, p < 0.0001). In contrast, the Sao Francisco estuary, showed good agreements between both methods in the estuarine mixing zone but not for it´s freshwater end member samples, which yielded substantial overestimations for the calculated pCO2. The average overestimation was 72%, reaching 737%. These discrepancies were attributed to the interference of organic alkalinity in the calculations particular in acid, poorly buffered freshwaters. Chapters 4 and 5 correspond to the part of this study, addressing the results of the temporal and spatial variations of CO2 and CH4 concentrations and atmospheric exchanges in Guanabara Bay. The study was conducted between April 2013 and April 2014, with continuous on line monitoring along trajectories of pCO2, temperature, salinity, fluorescence and dissolved oxygen. In addition, discrete sampling was performed at fixed stations along the trajectories for CH4, Chlorophyll a and dissolved inorganic nutrients. The annual concentrations of CO2 and CH4 ranged between 22-3715 ppmv and 18-10350 nmol L-1, respectively. Marked undersaturations of pCO2 were prevalent in shallow, confined and stratified waters especially at summertime, whereas oversaturations were restricted to the vicinity of the polluted river mouths and effluent discharge. The CO2 presented diurnal variations related to the processes of photosynthesis and respiration, with higher values at nigh-time period. CH4 was oversaturated in all samples, with higher concentrations primarily in the polluted regions. Methanogenesis seemed to be low in the sampled regions due to the competition with sulphate-reduction, with the major part of the CH4 sustained by allochthonous sources, derived from the sewage network. In contrast to the major part of the world´s estuarine systems, Guanabara Bay was considered a strong sink of CO2 due to concomitant effects of high photosynthetically active radiation intensity (PAR), thermal stratification and net autotrophy (autotrophic metabolism of 52.1 mol C m-2 yr-1). [...]
As taxas de produção, transformação, emissão e sedimentação de carbono na interface terra-mar são significantes globalmente, porém pobremente quantificadas nas regiões tropicais. O aumento acelerado nas concentrações atmosféricas de dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4) alerta a importância do monitoramento e quantificação das concentrações e fluxos desses gases do efeito estufa na zona costeira. A redação da presente tese foi separada em capítulos. Os capítulos 1 e 2 apresentam a introdução geral do trabalho e o estado da arte do conhecimento da temática da tese, sobre a dinâmica de CO2 e CH4 em estuários. O capítulo 3 contém a descrição do sistema de medição contínua e on-line da pressão parcial do CO2 (pCO2) e comparações entre as medições contínuas com estimativas indiretas calculadas a partir da alcalinidade total (AT) e pH da água em dois estuários contrastantes: a Baía de Guanabara, Rio de Janeiro, e o estuário do Rio São Francisco, AL. Na Baía de Guanabara, um estuário dominado pela forçante marinha e altamente impactado por atividades antrópicas, os valores calculados e medidos da pCO2 mostraram excelente concordância (R2 = 0.95, p < 0.0001). Em contraste, no estuário do Rio São Francisco, onde o gradiente salino completo foi amostrado, importantes superestimativas foram verificadas nos valores calculados em algumas amostras de água doce. A superestimativa média foi de 72%, chegando ao valor extremo de 737%. Esses erros foram atribuídos à contribuição da alcalinidade orgânica e à baixa capacidade de tamponamento do sistema carbonato sob condições de água doce, de baixo pH e baixa AT. Os capítulos 4 e 5 apresentam os resultados das variações temporais e espaciais nas concentrações e fluxos de CO2 e CH4 na interface água-atmosfera na Baía de Guanabara. O estudo foi conduzido entre Abril de 2013 e Abril de 2014 com monitoramento contínuo da pCO2, temperatura, salinidade, fluorescência e oxigênio dissolvido (OD). Amostragens discretas foram realizadas para CH4, clorofila a e nutrientes inorgânicos dissolvidos. As concentrações anuais de CO2 e CH4 variaram entre 22-3715 ppmv e 18-10350 nmol L-1, respectivamente. Marcantes subsaturações da pCO2 na água em relação à pCO2 atmosférica foram prevalentes em águas rasas, confinadas e termicamente estratificadas principalmente no verão, enquanto supersaturação foi restrita às proximidades da desembocadura de rios poluídos e efluentes de esgotos. O CO2 também apresentou variações diuturnas em função dos processos de fotossíntese e respiração, com maiores valores no período noturno. O CH4 apresentou sobressaturação em todas as amostras, com as concentrações mais altas próximas de localidades com maior influência antrópica. A produção de metano pareceu ser pequena na região amostrada em função da competição com a redução de sulfato, sendo a maior parte do CH4 sustentada por fontes alóctones (rios poluídos e esgoto doméstico). Contrariamente à maioria dos sistemas estuarinos, a Baía de Guanabara foi considerada um sumidouro anual de CO2 em função da concomitância entre alta incidência de radiação fotossinteticamente ativa (PAR), estratificação térmica e alta disponibilidade de nutrientes, que promoveram grandes florações de fitoplâncton e autotrofia (metabolismo autotrófico de 52,1 mol C m-2 ano-1)

Rainforests are of great importance to global carbon cycling, but the importance of deforestation and change in land use is poorly understood due to a lack of studies quantifying the difference in carbon fluxes between original rainforest and agricultural land. Furthermore, the aquatic outgassing of neotropical systems have been proven to have greater impact on global carbon cycling than previously anticipated (Richey et al 2002).In this study we investigated the aquatic concentration and daily diffusive gas flux of CO2 and CH4 from 4 pristine sites and 4 impacted sites, respectively, in 4 streams running along a gradient of anthropological impaction in the Atlantic Rainforest, Brazil. Statistically significant differences between pristine and impacted sites were found in all streams for both CO2 and CH4. On average, the impacted sites were found to be emitting almost three times as much C into the atmosphere as the pristine sites, mainly owing to CO2 emissions (14172±5226 mg C m-2 d-1). Exploring an area of the neotropical carbon cycle that is not yet fully understood, the study draws attention to the significant difference in aquatic outgassing from rivers observed at different impaction levels and highlights the need for further field studies.

Recentes publicações chamaram a atenção para o papel das florestas tropicais sobre o balanço global de alguns gases de efeito estufa. A suspeita de que estas florestas estariam atuando como sorvedouros de CO2 acumulando uma enorme quantidade de carbono em sua biomassa, ou que estas seriam capazes de emitir CH4 diretamente de folhas vivas e da serapilheira sobre condições aeróbicas, motivou a realização de vários estudos nas áreas de floresta tropical, especialmente na Amazônia. O presente estudo pretende determinar o papel das florestas de terrafirme da Amazônia no balanço regional de CH4 através da análise de sua composição isotópica (\'delta\'13CH4) e da discriminação de suas possíveis fontes no ecossistema. Em seguida, o trabalho mostrará o avanço na aplicação das medidas da atividade e do fluxo de Radônio-222 como traçador indireto dos balanços de CH4 em florestas de terra-firme. As medidas \'delta\'13CH4 foram realizadas em campanhas trimestrais no período entre 2006 e 2008, na Floresta Nacional do Tapajós (F.N.T.) e na Floresta Nacional de Caxiuanã (F.N.C.). O \'delta\'13CH4 variou entre -49,24 e - 45,50, com médias (±erro padrão) iguais a -47,63 ±0,04 e -47,32 ±0,04 para a F.N.C e F.N.T., respectivamente. A concentração de CH4 variou entre 1,82 e 3,19ppm, com média (±erro padrão) igual a 2,08 ±0,02ppm na F.N.C e 2,11 ±0,02ppm na F.N.T. As medidas de fluxo e da atividade de 222Rn usadas neste trabalho foram realizadas no período entre 2000 e 2002. Durante este período o fluxo de 222Rn do solo variou entre 6,86 e 103,30 mBq m-2 s-1. A média geral para o período foi igual a 32,48 ±14,00 mBq m-2 s-1. Os valores da atividade de 222Rn variaram no perfil vertical da floresta de 5,27 a 18,17 Bq m-3 , 3,55 a 24,02 Bq m-3 e 3,36 a 18,30 Bq m-3 durante os anos de 2000, 2001 e 2002, respectivamente. As estimativas das concentrações e do fluxo de CH4 inferidas a partir dos dados de 222Rn, apresentaram variações semelhantes às variações medidas por cromatografia gasosa, indicando que o 222Rn tem o potencial de fornecer medidas independentes das taxas de fluxos de CH4 em áreas de floresta de terra-firme
Recent publications called the attention to the role of tropical forests on the budget of some important greenhouse gases. The finding that forests would acting as sink of large amounts of CO2 or as a source of CH4 emitted directly from green and dead leaves under aerobic conditions has motivated scientists worldwide to set experiments in tropical forest areas, especially in the Amazon. This study aims to determine the role of Amazonian upland forests to the regional budget of CH4 through analysis of the stable isotopic composition of methane (\'delta\'13CH4) and the discrimination of its possible sources in the ecosystem. This study also shows the attempt to use of 222Rn soil flux and activity measurements as an indirect tracer for CH4 mixing ratios rates in the vertical profile of upland tropical forests. The measurements of \'delta\'13CH4 were carried out during quarterly campaigns in the period from 2006 to 2008 in the Caxiuana National Forest (C.N.F.) and Tapajos National Forest (T.N.F.). The \'delta\'13CH4 varied from -49.24 to -45.50, with overall means (±SE) equal to -47.63±0.04, and -47.32±0.04 for C.N.F. and T.N.F., respectively. The concentration of CH4 varied from 1.82 to 3.19ppm, with mean (±SE) equal to 2.08±0.02 ppm at C.N.F. and 2.11±0.02ppm at T.N.F.. 222Rn soil flux and activity measurements used in this work were taken in the period of 2000-2002. During this period the 222Rn soil flux varied from 6.86 to 103.30 mBq m-2 s-1, with overall mean equal to 32.49±14.00 mBq m-2 s-1. The values for 222Rn activity along the vertical profile varied from 5.27 to 18.17 Bq m-3, 3.55 to 24.02 Bq m-3, and 3.36 to 18.30 Bq m-3, during the years of 2000, 2001, and 2002, respectively. Estimates of CH4 concentrations and soil fluxes, inferred from 222Rn data, compared favorably with measurements done by gas chromatography, indicating that 222Rn has the potential to provide independent measurements of CH4 fluxes in upland forests

Seagrass meadows may play a substantial role in climate change mitigation as they are capable to sequester and store substantial amounts of anthropogenic carbon in plant biomass and, more importantly, in their underlying sediments. In this PhD thesis, the carbon-burial potential was assessed by quantifying the amount of organic carbon stored in different seagrass meadows, each dominated by one of the four major seagrass species in the Western Indian Ocean region. Impacts of anthropogenic disturbances on biomass carbon allocation, greenhouse gas emission (methane and nitrous oxide) and production of sulphide were investigated in Chwaka Bay, Zanzibar. The findings showed that east African seagrass meadows generally have high carbon sink capacity. The storage of sedimentary organic carbon, however, varied among seagrass habitats and across sites, and was up to five-fold higher in seagrass sediment to those of nearby unvegetated sediments. Seagrass meadows in eutrophicated sites had higher sedimentary organic carbon content, and substantially higher emission rates of nitrous oxides and methane, compared to more pristine meadows. Disturbances in terms of shading and simulated grazing of seagrass affected several processes, with major decreases in seagrass primary productivity, net community production and biomass carbon, in turn influencing seagrass carbon sequestration as well as stimulating anaerobic microbial processes. In addition, production of sulphide in the sediment and methane emissions from the sediment surface increased significantly when disturbed. At present, seagrass meadows in the Western Indian Ocean have high carbon sink capacity. This important ecosystem service is, however, highly threatened due to regional anthropogenic pressure, which may change the role of blue carbon rich habitats, such as seagrass meadows, from being a sink to a source of greenhouse gases.

At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 1: Manuscript. Paper 2: Manuscript. Paper 4: Manuscript. Paper 5: Manuscript.

Los suelos de los bosques tropicales desempeñan un papel importante en el clima de la Tierra mediante el intercambio con la atmosfera de grandes cantidades de gases de efecto invernadero (GEI). Sin embargo, esta importante función podría ser alterada por las actividades humanas causando el aumento en la deposición de nutrientes en los ecosistemas terrestres, especialmente en las regiones tropicales. Las causas de cómo el incremento de las cantidades de nutrientes está afectando los flujos de suelo de los GEI de los bosques tropicales es relativamente poco conocida, por ello los monitoreos de nutrientes in situ de los bosques montanos tropicales (BHT) son aún menos comprendidos. Ya que los BHT representan alrededor del 11-21% de la superficie forestal tropical, es de vital importancia predecir y cuantificar los cambios en los flujos de GEI del suelo en respuesta a la adición de nutrientes ya que podrían favorecer la retroalimentación a otros cambios globales. Esta tesis tiene como objetivo cuantificar el impacto de adición moderada de nitrógeno (N) y/o fósforo (P) en los flujos de tres GEI en suelo: dióxido de carbono (CO2), óxido nitroso (N2O) y el metano (CH4), a lo largo de un gradiente altitudinal (1000 m, 2000 m, 3000 m) de los BHT primarios en el sur de Ecuador. Desde hace más de cinco años, se ha medido los flujos de GEI del suelo en un experimento de manipulación de nutrientes (‘NUMEX’, por sus siglas en inglés), con replicas para control, y la adición de N (50 kg N ha-1 año-1), P (10 kg P ha-1 año-1) y N+P. Las mediciones in situ se realizaron mensualmente utilizando cámaras ventiladas estáticas, seguido por un análisis de cromatografía de gases para conseguir una perspectiva más profunda sobre los procesos implicados en el intercambio suelo-atmósfera de GEI. Se realizaron nuevas investigaciones incluyendo el monitoreo de factores básicos de control (i.e. temperatura del suelo, humedad y las concentraciones del N mineral), los diferentes componentes de los flujos de CO2 del suelo, tasas de reciclaje netos de N y fuentes de los flujos de N2O del suelo. Con este propósito, se utilizó la extracción de hojarasca y técnicas de excavación de zanjas (trenching technique), incubación de las muestras in situ (buried bag method) y el etiquetaje de 15N de corto plazo. Los flujos de GEI del suelo en los bosques que estudiados se mostraron en el rango de aceptado de los flujos de gases de otras BHT en elevaciones comparables, excepto para el N2O. Los flujos de N2O, que se derivan principalmente de la des nitrificación, fueron bajos para un TMF lo que se puede atribuir a los ciclos conservativos de N del suelo en nuestros sitios de estudios. Los suelos fueron fuentes de CO2 y N2O (la intensidad del recurso disminuye al aumentar la altitud) y en todas las elevaciones el CH4 es bajo. Encontramos efectos de los nutrientes en todos los flujos de GEI medidos en cada elevación. Las respuestas de los flujos de CO2 del suelo cambian con la duración y el tipo de nutrientes adicionado. En 1000 m, la adición del N no afecta los flujos de CO2 del suelo, mientras que las adiciones de P y N+P disminuyeron los flujos en el primer y cuarto a quinto año. En 2000 m., la adición de N y N+P incrementa los flujos de CO2 en el primer año; a partir de entonces, la adición del N disminuye los flujos mientras que la adición de N + P no mostro ningún efecto la adición de P carece de efectos. En 3000 m, la adición de N además incrementó los flujos de CO2 constantemente; la adición de P y N+P aumentaron los flujos sólo en el primer año a partir de entonces no existió ningún efecto. Los efectos diferenciales de los nutrientes estuvieron relacionados a un estatus del N y P y respuestas variadas de los componentes de la respiración del suelo. Las respuestas de los flujos de N2O y CH4 a la adición de nutrientes mostraron gran variabilidad entre años. Los flujos de N2O no se vieron afectados por la adición de tres a cinco años de N a pesar de las diferencias significativas observadas durante los dos primeros años del mismo experimento. Atribuimos la ausencia de las respuestas en años mas tardíos debido a los contenidos bajos de humedad del suelo en nuestro periodo de monitoreo 2010-2012. En todo el gradiente altitudinal, la adición de P disminuyó los flujos de N2O y las concentraciones de N mineral, presumiblemente debido a que alivió de la limitación del P en la producción primaria neta, lo que aumentó la captación de N a través de las plantas. La adición de N+P además mostró tendencias similares las respuestas a la adición de N solamente, pero con efectos menos fuertes debido a los efectos contrapuestos de la adición de P. Durante los dos primeros años de la adición de nutrientes, los flujos de CH4 no se vieron afectados en ninguna elevación, lo cual atribuimos a la combinación de cantidades moderadas de nutrientes añadidos, la fuerte inmovilización de nutrientes, y la separación de la más alta capacidad de absorción de CH4 en el subsuelo de la superficie del suelo donde se añaden fertilizantes. En el tercer a quinto año, la adición de nutrientes del suelo aumentaron la captación de CH4, aunque los efectos de N y P variaron a lo largo del gradiente altitudinal: en 1000 m, la adición de N y N+P aumentó la captación anual de CH4 a 20-60%; en 2000 m P y N+P incrementaron la captación a 21-50%; y en 3000 m la adición de P y N+P incrementó la captación de CH4 a 34-40%. Estos efectos diferenciales de la adición de nutrientes pueden estar relacionados con el estatus inicial de del suelo y respuesta diferenciales de otros componentes del ecosistema a la adición de nutrientes en cada elevación. Demostramos que los flujos de GEI del suelo y consecuentemente la red potencial de calentamiento global del suelo pueden cambiar considerablemente a lo largo de un gradiente de elevación, siguiendo una tendencia general de disminución con el aumento de la elevación. Los resultados indican además que la elevada deposición de N y P puede afectar los flujos de GEI del suelo en los BHT Andinos, pero las respuestas a los flujos de GEI a la adición de nutrientes depende del estatus inicial de los nutrientes del suelo, la duración de la adición de nutrientes y la variabilidad inter-anual de las condiciones climáticas. Puesto que los efectos de la adición de nutrientes fueron no lineares con el tiempo de exposición y a la par existen complejas interacciones con otros componentes del ecosistema, aún quedan muchas incertidumbres en la predicción exacta de los efectos de la deposición de nutrientes en los flujos de GEI. Sin embargo, ofrecemos los primeros datos sobre los efectos de nutrientes a medio plazo de N, P y N+P en los flujos de los tres principales gases de efecto invernadero del suelo a lo largo de un gradiente altitudinal de los BHT Andina. Nuestros resultados sugieren que la red potencial de calentamiento global de los suelos en todo el gradiente altitudinal podría aumentar ligeramente con la entrada contribución de N, mientras que podría disminuir con el aumento de la contribución de P y N+P.

Tropical forests represent major uncertainties in climate models and have the potential to act as both net carbon sources and sinks in the future. Projections that hurricanes will be an increasingly powerful disturbance in many tropical forests further complicate our ability to predict how these ecosystems will respond to climate change. By understanding how environmental variation at small spatial scales affects ecosystem processes shaping present-day forests, it may be possible to improve our predictions for how these forests will change in the future. This dissertation consists of three chapters examining the spatial patterns of tree species and soil greenhouse gas fluxes in a tropical forest in the Luquillo Experimental Forest, Puerto Rico. Disentangling the forces that drive the spatial distribution of tree species has been a foundational question in ecology and determining the relative importance of these forces is central to understanding spatial variation in soil biogeochemistry. In chapter 1, I use percolation threshold analysis to examine the clustering patterns of simulated and real tree spatial point patterns to understand the role that environmental filtering and density dependent processes play in shaping tree species distributions. I demonstrate that percolation threshold analysis successfully distinguishes thinning by random, environmental filtering, and density dependent processes. Additionally, the relative importance of these thinning processes varies by species’ traits; fast growing species with low LMA and shade intolerance have stronger evidence of density dependent processes compared to species with high LMA and shade tolerance. In chapter 2, I examine the spatial relationships between soil greenhouse gas fluxes and two proximal drivers of soil environmental variation: tree species and topography. I also examine how incorporating small-scale variation in greenhouse fluxes affects our scaled-up estimates of ecosystem greenhouse gas emissions. I show that including species effects improves estimates of soil CO2 fluxes, and including measures of topography improve estimates of CH4 and N2O fluxes. Incorporating spatial variation in GHG fluxes related to tree species and topography into our estimates of ecosystem GHG emissions decreased estimates of the total CO2-equivalent emissions in this forest by 5%. Finally, in chapter 3 I examine how the GHG fluxes in this forest change after an intense hurricane. I demonstrate that GHG emissions shift following a hurricane; this shift is primarily driven by a 176% increase in N2O emissions that represent a significant net loss of gaseous nitrogen from this forest. N2O fluxes accounted for 4.2% of the post-hurricane GHG-induced radiative forcing (compared to 1.8% pre-hurricane) and the combined increase in CO2, CH4, and N2O emissions observed translates to a 25% increase in CO2-equivalent emissions compared to pre-hurricane conditions. This dissertation focuses on the role of small-scale environmental variation in shaping forest communities and spatial patterns of GHG fluxes and aims to highlight how this variation can help us to better understand the role tropical forests play in the biosphere.