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Título: Limitação de fósforo e aumento de CO2na atmosfera: uma perspectiva dos mecanismos de aquisição de nutrientes na floresta Amazônica
Autor: Martins, Nathielly Pires
Orientador: Quesada, Carlos Alberto
Coorientador: Fuchslueger, Lucia
Palavras-chave: Ciclos biogeoquímicos
Mudanças Climáticas
Data do documento: 29-Jun-2023
Programa: Ciências de Florestas Tropicais - CFT
Abstract: The Amazon rainforest is the largest continuous tropical forest in the world and plays an important role in the global carbon (C) dynamics, particularly as a carbon sink. The highly weathered soils found in approximately 60% of these forests have low phosphorus (P) availability, which has the potential to limit net primary productivity (NPP) at various scales, including the ecosystem level. Global climate models, which simulate the effects of climate change, including increased concentrations of carbon dioxide (CO2) in the atmosphere, suggest that the forest has a great capacity to assimilate carbon into its biomass and thereby mitigate the effects of climate change. However, this capacity may be overestimated as most models do not include a nutrient response, particularly phosphorus in the Amazon. Therefore, a greater understanding and representation of the processes involving nutrient cycling and multiple nutrient acquisition strategies will be extremely relevant for a better understanding of how the Amazon will respond to the increase in atmospheric CO2 concentrations, reducing uncertainties in projections related to the response of tropical forests to climate change. The cycling and decomposition of fresh aboveground organic matter (leaves, woody debris) are among the main sources of nutrients, especially phosphorus, in these areas. The high diversity of tree species commonly found in tropical forests has developed multiple strategies to enhance the efficiency of nutrient availability and acquisition. However, there are knowledge gaps related to these strategies, particularly in the Amazon forest considering the increase in atmospheric CO2 concentrations. In order to enhance the understanding of these different processes, two different experiments were proposed for this thesis. In Chapter 1, we evaluated the effect of the presence of fine roots and increased phosphorus availability on the decomposition of woody debris from different species. We observed a positive effect of root presence and a reduction in the C:P ratio in the decomposition and nutrient release, particularly for the lower density debris. However, the effect of root presence on nutrient release was only observed in the later stages of the experiment. These results suggest that the proliferation of fine roots and microbial decomposition may contribute to alleviating nutrient limitation in the Amazon, but under natural conditions of phosphorus limitation, nutrient mobilization may occur over decades, directly influencing carbon fluxes. In Chapter 2, to understand the effect of increased atmospheric CO2 concentrations on the phosphorus cycle and nutrient acquisition mechanisms in the Amazon, an experimental increase of 200ppm in CO2 concentrations relative to ambient conditions was simulated in the forest understory. We evaluated multiple nutrient acquisition mechanisms related to the fine root dynamics in the litter layer and soil, decomposition and nutrient release from leaf litter, microbial activity, and soil nutrient concentrations. We observed different nutrient acquisition strategies in the fresh litter and soil in response to increased CO2. In the litter layer, plants increased investment in direct phosphorus acquisition through phosphatase exudation and changes in root morphological traits without changes the productivity. In the soil, however, we observed a reduction in fine root productivity, decreased root length and specific area, accompanied by an increase in the arbuscular mycorrhizal fungi colonization. Furthermore, the reduction in total P concentration in the litter without changes in decomposition rate under increased CO2 conditions indicates an increase in biochemical mineralization. The same process may be related to the reduction of organic phosphorus in the soil under increased CO2 conditions, which may indicate an increase in phosphorus uptake by plants, considering that this ix reduction in the organic fraction did not result in changes on the inorganic fractions or microbial P mobilization. In summary, our results indicate that woody debris and leaf litter represent a crucial nutrient source for plants, and the presence of fine roots acts as an efficient mechanism to enhance direct nutrient acquisition in the litter layer, directly influencing the availability and interception of these nutrients. Additionally, with the increase in atmospheric CO2 concentrations, we observed that plants exhibit plasticity in directing the extra carbon use towards different acquisition strategies in the litter layer and soil, optimizing efficiency in acquisition and availability, especially of phosphorus. Under conditions of higher atmospheric CO2 concentration, this ability of plants to alter P availability and increase efficiency through multiple strategies is an important mechanism that can influence the resilience of the Amazon rainforest to climate change, impacting the global C cycle.
Resumo: A floresta Amazônica é a maior extensão de floresta tropical contínua do planeta, exercendo papel importante na dinâmica de carbono (C) global, sobretudo pela sua capacidade de atuar como sumidouro de C. Os solos altamente intemperizados presentes em aproximadamente 60% destas florestas apresentam baixa disponibilidade de fósforo (P), o que potencialmente pode limitar a produtividade primária líquida (PPL) em diversas escalas, incluindo a nível de ecossistema. Modelos climáticos globais, que dentre o efeito das mudanças climáticas simulam o efeito de aumento nas concentrações de gás carbônico (CO2) na atmosfera, sugerem uma grande capacidade da floresta em assimilar C em sua biomassa e consequentemente auxiliar na mitigação dos efeitos causados pelas alterações no clima. Entretanto, essa capacidade pode estar sendo superestimada, já que a maioria dos modelos não incluem uma resposta dos nutrientes, em particular do P para a Amazônia. Portanto, uma maior compreensão e representatividade dos processos que envolvem o ciclo dos nutrientes e suas múltiplas estratégias de aquisição será de extrema relevância para um maior entendimento de como a Amazônia poderá responder ao aumento nas concentrações atmosféricas de CO2. Reduzindo as incertezas nas projeções relacionadas à resposta das florestas tropicais às mudanças climáticas. A ciclagem e decomposição da matéria orgânica fresca acima do solo (folhas, detritos de madeira) é uma das principais fontes de nutrientes – em especial P - para esses locais, e a grande diversidade de espécies arbóreas comumente encontrada em florestas tropicais desenvolveram múltiplas estratégias para aumentar a eficiência na disponibilização e aquisição destes nutrientes. Contudo, existem lacunas de conhecimento relacionadas a essas estratégias, principalmente na floresta Amazônica e considerando o aumento nas concentrações de CO2 na atmosfera. Com o objetivo de ampliar a compreensão destes diferentes processos, foi proposto para esta tese dois diferentes experimentos. No capítulo 1, avaliamos o efeito da presença das raízes finas e aumento na disponibilidade de P na decomposição de detritos de madeira de diferentes espécies. Foi observado um efeito positivo da presença de raízes e uma redução na razão C:P na decomposição e liberação de nutrientes, principalmente para os detritos de menor densidade. No entanto, o efeito da presença das raízes na liberação dos nutrientes foi observado somente nas últimas coletas do experimento. Esses resultados sugerem que a proliferação das raízes finas e decomposição microbiana podem contribuir para aliviar a limitação de nutrientes na Amazônia, no entanto em condições naturais de limitação de P a mobilização dos nutrientes poderá ocorrer ao longo de décadas influenciando diretamente os fluxos de C. No capítulo 2, para compreender o efeito do aumento nas concentrações de CO2 da atmosfera no ciclo do P e mecanismos de aquisição de nutrientes na Amazônia, foi simulado experimentalmente um aumento nas concentrações de CO2 em aproximadamente 200ppm em relação a concentração ambiente no sub-bosque da floresta. Nós avaliamos os múltiplos mecanismos de aquisição de nutrientes relacionados a dinâmica das raízes finas na serapilheira e no solo, decomposição e liberação de nutrientes da serapilheira das folhas, atividade microbiana e concentração de nutrientes no solo. Observamos diferentes estratégias de aquisição de nutrientes na serapilheira fresca e no solo em resposta ao aumento de CO2. Na serapilheira as plantas aumentaram o investimento para aquisição direta de P através da exsudação de fosfatases e alterações nos traços morfológicos das raízes sem mudanças na produtividade. No solo, por outro lado, observamos uma redução na produtividade de raízes finas, redução no comprimento a área específica das raízes, acompanhada de uma maior colonização por micorrizas arbusculares. Além disso, a redução na concentração do P total na serapilheira sem mudanças na taxa de decomposição registrada em condições de aumento de CO2 indica vii um aumento na mineralização bioquímica. O mesmo processo pode estar relacionado com a redução do P orgânico no solo em condições de aumento de CO2, que pode indicar um aumento na absorção de P pelas plantas, considerando que essa redução na fração orgânico não resultou em alteração nas frações inorgânicas ou mobilização de P na biomassa microbiana Em síntese, os nossos resultados indicam que os detritos de madeira e a serapilheira foliar representam uma fonte crucial de nutrientes para as plantas, e a presença das raízes finas atua como um eficiente mecanismo para aumentar a aquisição direta de nutrientes na camada da serapilheira, influenciando diretamente a disponibilidade e interceptação desses nutrientes. Além disso, com o aumento nas concentrações de CO2 na atmosfera, observamos que as plantas apresentam uma plasticidade direcionando o uso do C extra em diferentes estratégias de aquisição na camada da serapilheira e solo, de modo a otimizar a eficiência na aquisição e disponibilidade, principalmente do P. Em condições de maior concentração de CO2 na atmosfera, essa capacidade das plantas em alterar a disponibilidade do P e aumentar a eficiência na aquisição através de múltiplas estratégias é um importante mecanismo que pode influenciar a resiliência da floresta Amazônica às mudanças climáticas, impactando o ciclo de C global.
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