Sistema Solo - Planta- Atmosfera

1. Sistema Solo - Planta- Atmosfera

2. 1. Conceito • Série de processos complexos que se inter-relacionam com atributos físicos, químicos e biológicos do solo, da água, da planta e da atmosfera. • Essas interações biogeoquímicas definem diversos ciclos de nutrientes de extrema importância para a vida de animais e vegetais, dentre os quais se destacam o ciclo do nitrogênio, carbono, enxofre e de nutrientes no sistema solo-planta. • As trocas entre a superfície terrestre, solo, planta e a atmosfera são componentes cruciais nos ciclos de praticamente todos os elementos biogeoquimicamente ativos, incluindo água, carbono, nitrogênio, metano, compostos orgânicos voláteis, entre outros. • Esses ciclos são de extrema importância, uma vez que definem mudanças nas condições climáticas às possíveis alterações na composição dos biomas e, consequentemente, na ciclagem dos elementos a eles associados. Nota de aula da disciplina de ciclos biogeoquímicos globais /CCST/INPE. Prof° Dr. Jean Pierre H.B. Omettoe Prof° Dr. AntonioDonato Nobre

3. 2. Equilíbrio Dinâmico (steadystate) 1-) Substancias inorgânicas (gases, minerais, íons) 2-) Produtores (plantas-conversão de alimentos) 3-) Consumidores (animais) 4-) Decompositores (microrganismo) • O homem tem o potencial de alterar esses equilíbrios, interferindo no comportamento das leis básicas que regem essa dinâmica. • Interferindo na ciclagem de nutrientes e modificando os ciclos biogeoquímicos, responsáveis pela manutenção da qualidade de vida na terra.

4. 3. Alterações humanas - Aumento da demanda por alimentos e consequente pressão na agricultura (criação da Agricultura Sustentável); - Problemas de poluição ambiental; - Armazenamento e tratamento de lixo; • Contaminação de lençóis freáticos; • Aumento das emissões de GEE para a atmosfera; • Interferência nos ciclos biogeoquímicos, entre outros.

5. 4. Fatores de Influência- Água • A água possui capacidade de trabalho ou movimento, que é conferido por moléculas (Potencial Hídrico), sendo responsável pelo principal componente de transporte de nutrientes e gases. • A estrutura da molécula de oxigênio é importante na interação solo-planta, uma vez que as transformações e formações de compostos se dão a nível aquoso, principalmente nas chamadas pontes de hidrogênio (mantém coesão) onde ocorrem as interações intermoleculares Polo - Polo + Livro: Solo, planta e atmosfera: Conceitos, processos e aplicações . Klaus Reichardt e Luís CarllosTimm ,2004.

6. A interação da água no sistema solo-planta-atmosfera se dá de diversas maneiras nos ciclos biogeoquímicos, no ciclo da água e na movimentação de nutrientes entre os sistemas. • De uma maneira geral, a chuva é responsável pela recarga hídrica do solo, podendo se infiltrar ou escoar superficialmente pelo terreno, com potencial de causar erosão. • A parcela infiltrada fica armazenada nos poros do solo, disponível para as plantas, podendo ser percolada para horizontes mais profundos quando há a saturação do meio, contribuindo para a recarga dos aquíferos. (Precipitação interna) Artigo: InteractionsBetweenBiogeochemistryandhydrologic systems . Kathleen A. Lohse ., et al, 2009.

7. A água dentro do solo não permanece estática, uma vez que parte dos poros é preenchida por ar, fundamental para a respiração dos microrganismos e das raízes de plantas. • A água no solo se movimenta em todas as direções, mas principalmente de regiões úmidas para mais secas. • Horizontes mais superficiais se encontram mais secos que os horizontes mais profundos pode-se observar a ascensão capilar. Livro: Solo, planta e atmosfera: Conceitos, processos e aplicações . Klaus Reichardt e Luís CarllosTimm ,2004.

8. Caso do semiárido Brasileiro • O semiárido é uma das regiões brasileiras marcadas pelo histórico de secas, com efeitos adversos sobre a população. A irregularidade nos níveis pluviométricos e má distribuição de chuvas gera um cenário agravante relacionado aos recursos hídricos. • Os solos das regiões áridas e semiáridas são caracterizados por solos com altos teores de sais (Solos Halomórficos) compreendendo uma área de 91.000 km² do Nordeste.

9. Esse tipo de solo é desenvolvido em condições imperfeitas de drenagem, • Baixa precipitação pluvial; • Presença de camadas impermeáveis • Elevada evapotranspiração • Esses fatores contribuem para o aumento da concentração de sais solúveis na solução do solo (salinidade) e/ou o aumento da percentagem de sódio trocável (sodicidade).

10. A evapotranspiração elevada favorece a ascensão capilar dos sais para a superfície, sendo um processo natural nas regiões áridas e semiáridas (Ribeiro, 2010); Foto: Brasil de fato, 2013 Diagrama do processo de salinização no semiárido (adaptado de Fanning, 1989) • A intensificação da agricultura tem resultado no aumento da área de solos degradados por salinidade nas regiões mais pobres do país. • A irrigação inadequada favorece a ascensão dos sais para as camadas mais superficiais Livro: Manejo de salinidade na agricultura: Estudos básicos e aplicados. Mateus R. Ribeiro, 2010.

11. Na ocorrência de irrigações elevadas (manejo inadequado) ou chuvas atípicas os sais, em especial o Nitrato (NO-3) é lixiviado para as camadas mais profundas do solo, podendo contaminar o lençol freático • As águas subterrâneas são as principais fontes hídricas para a população dessas regiões, o que gera um impacto social a contaminação desses açudes. Nota de aula da disciplina de ciclos biogeoquímicos globais /CCST/INPE. Prof° Dr. Jean Pierre H.B. Omettoe Prof° Dr. AntonioDonato Nobre

12. Excesso de nitrato em águas Metahemoglobina No organismohumano o nitrato se converteemnitrito, quecombina-se com a hemoglobina, formando a metahemoglobina. Estasubstância impede o transporte de oxigênio no sangue. Cianoseinfantil Existemevidências de associações entre consumo de água com altaconcentrações de nitrato e doençasgástricas. Nota de apresentação de qualificação /CCST/INPE. Doutoranda no curso de Ciência do Sistema Terrestre . Karinne Reis Deusdará Leal, 2012

13. Importância da água para os vegetais • Age como solvente e transporte para nutrientes minerais e substâncias orgânicas; • Contribui fundamentalmente para a absorção e transporte de minerais das raízes para as folhas; • Forma o ambiente adequado onde a maioria das reações bioquímicas ocorre, participando em muitas delas como reagente (hidrólises). É também a fonte de elétrons na fotossíntese; • Influencia a estrutura e, conseqüentemente, a função de macromoléculas (proteínas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, etc.) e de membranas.

14. • Contribui para o crescimento e para a manutenção da forma e estrutura dos tecidos tenros; • Contribui para que as plantas não sofram tanto com as flutuações de temperatura do ambiente. b a Principais interações entre o ciclo hidrológico e ciclos biogeoquímicos na interface entre os ambientes terrestre, aquático e atmosférico. (a) e (b) Deposição atmosférica úmida e seca (c) Interceptação e escoamento pelo caule; (d) decomposição; (e) lixiviação; (f) carreamento de sedimentos pelo rio. c f As setas indicam trocas de matéria e energia mediadas biologicamente. d e Nota de apresentação de qualificação /CCST/INPE. Doutoranda no curso de Ciência do Sistema Terrestre . Karinne Reis Deusdará Leal, 2012

15. 5. Fatores de Influência- Solo • capazes de sustentar plantas, • Retém e armazena água • transformar resíduos (ação de decompositores) • fonte de nutrientes para as plantas • Local de transformações físico-químicas de substancias Solos de Pastagens Solos de Floresta Horizonte O Matéria orgânica em deterioração Horizonte A Matéria mineral misturada com húmus Horizonte E Partículas minerais coloridas. Zona de eluviação e lixiviação Horizonte B Acumulação de argila transportadas de cima Horizonte C Camada mineral de material inconsolidado Rocha Nota de aula da disciplina de ciclos biogeoquímicos globais /CCST/INPE. Prof° Dr. Jean Pierre H.B. Omettoe Prof° Dr. AntonioDonato Nobre

16. A disponibilidade de água desenvolve um papel central nos processos bióticos (mineralização e decomposição) os quais, interagindo com a temperatura e gênese do solo, determinam os limites da vegetação e desenvolvimento do solo. Grosso, ácida, detritos orgânicos Serapilheira Mistura de humus e minerais Luz Minerias coloridos ácidos Tipos de vegetação interfere muito na interação do solo com o sistema planta-atmosfera Grosso, alcalina, escuro, muito rico em húmus Humus, ferro e alumínio Argila, solos e minerias Argila e componentes de cálcio Rocha mãe Rocha mãe Rocha mãe Solo de Pastagens Floresta temperada decídua Solo de Floresta de Coníferas Desprezível, porque a matéria orgânica é decomposta e reciclada rapidamente Mistura fina, humus-mineral Sendo fator limitante no desenvolvimento da vegetação Ácida, de cor clara seco, contendo acumulações variáveis ​​de argila, carbonato de cálcio, sais solúveis Compostos de ferro e alumínio misturado com argila Rocha mãe Rocha mãe Solo de Floresta Tropical Solo de Desertos Adaptado de http://www.geography.hunter.cuny.edu/~tbw/ncc/chap4.wc/soils/soil.profiles.jpg

17. A00 MO não decomposta A0 MO humificada A1 Horizonte mineral com MO A2 Horizonte de perdas (minerais) Horizonte de Eluviação (perde elementos) A3 Horizonte de transição A B1 Horizonte de transição B2 Horizonte de iluviação (ganha elementos- Fe, Al e Ca) B B3 Horizonte de transição Perde elementos químicos por lavagens sucessivas com a água da chuva C Constituintes do Solo Sólida Gasosa Líquida • O2 reduzido • CO2 elevado • Umidade saturada • Matéria Orgânica (MO) • Matéria Mineral (Rocha) • Solução de sais minerais • Componentes orgânicos

18. Fração SólidaInterações solo-planta-atmosfera • Evaporação • Transpiração • Infiltração • Escoamento Superficial • Percolação Modificado de Mtthew Pippen Porosidade Estrutura Textura Nota de aula da disciplina de ciclos biogeoquímicos globais /CCST/INPE. Prof° Dr. Jean Pierre H.B. Omettoe Prof° Dr. AntonioDonato Nobre

19. Escoamento sub-superficial e subterrâneo • Afloramento do aquífero Modificado de Mtthew Pippen Nota de aula da disciplina de ciclos biogeoquímicos globais /CCST/INPE. Prof° Dr. Jean Pierre H.B. Omettoe Prof° Dr. AntonioDonato Nobre

20. Fração Líquida Interações S-P-A Tese de Doutorado de Karinne Reis Deusdará Leal FLUXOS HIDROLÓGICOS E TRANSFERÊNCIA DE ESPÉCIES QUÍMICAS DE CARBONO E NITROGÊNIO NA INTERFACE SOLO-ATMOSFERA EM AMBIENTES DO SEMIÁRIDO BRASILEIRO Objetivo: Caracterizar as diferenças nas transferências de água e de nutrientes (espécies de carbono e nitrogênio) na interface solo-atmosfera, entre uma área com vegetação típica de caatinga e uma área de pastagem, localizadas no semiárido do Agreste Pernambucano.

21. Fazenda Riacho do Papagaio: (i) área de caatinga de 4,4 ha, em estágio de regeneração e (ii) área de pastagem de Braquiária decumbensStabf, de 16 ha. • O presente estudo será desenvolvido comparando-se os resultados entre ambos os sítios.

24. Fração Gasosa Interações S-P-A • O O2 é consumido por microrganismos e pelo sistema radicular das plantas superiores , de tal forma que a concentração é menor do que a atmosfera livre. • O CO2 é liberado em processos metabólicos que ocorrem no solo e por isso em geral seu teor é mais alto. • Adubações e fertilizações alteram esses fluxos. • Os gases se movimentam no interior dos agregados do solo, interagindo com as moléculas de água e raízes das plantas podendo ser liberados na forma de N (NH3 e N2O) , CO2, O2 e SO2 • Quando ocorre a entrada de água no espaço poroso do solo expulsa o ar liberando ele para a atmosfera. A difusão dos gases baseado na diferença de pressão é outro fator importante na movimentação dos gases no solo.

25. Nota de aula de biogeoquímica do nitrogênio em ecossistemas tropicais – CENA/USP. Profª Dr. Marisa de Cássia Piccolo

26. Projeto de Pesquisa apoiado pela FAPESP (CCST/INPE) MEDIDA DE FLUXO DE GEE DO SOLO EM AMBIENTES COM DIFERENTES COBERTURAS VEGETAIS NO ESTADO DE PERNAMBUCO • Objetivos • Obter fluxos de gás carbônico, metano e óxido nitroso em dois diferentes ambientes no estado de Pernambuco: caatinga natural e áreas transformadas em pastagens; • Determinar a existência de variação sazonal entre os períodos de chuva e seca em cada ambiente; • Analisar a influência da alteração do uso da terra na emissão destes gases do efeito estufa; • Disponibilizar os dados de fluxo de massa de carbono e nitrogênio para a determinação do balanço biogeoquímico regional do ecossistema caatinga. Estação Chuvosa PASTAGEM CAATINGA Estação Seca PASTAGEM CAATINGA

27. Estação Seca Estação Chuvosa

28. 6. Fatores de Influência- Planta • As comunidades vegetais desempenham importante papel na circulação de nutrientes orgânicos e minerais na biosfera, acumulando-os em sua biomassa e devolvendo-os ao ambiente através de diversos mecanismos (Larcher, 2006). Livro: A economia da Natureza. Robert E. Ricklefs, 2003.

29. Elo de ligação entre a água do solo e a água da atmosfera (ciclo da água) • As raízes dão sustentação e absorvem água e nutrientes do solo Transpiração Evaporação de água para o ar diminui o potencial hídrico da folha Evapotranspiração Transpiração + evaporação Coesão Coluna de água no xilema (elemento condutor) é mantida por coesão das moléculas de água nos elementos dos vasos Evaporação Perda de água na forma de vapor, através da superfície do solo Tensão Baixo potencial hídrico na raiz provoca a entrada de água no solo, que se desloca por osmose até a medula Fonte: Adaptado de http://304turma.blogspot.com.br/2010/07/fisiologia-vegetal.html

30. Macronutrientes • Nitrogênio (NO-3 e NH4+) • Fósforo (H2PO-4 e HPO2-4) • Potássio (K+) • Cálcio (Ca2+) • Magnésio (Mg2+) • Enxofre (SO42-) • Micronutrientes • Zinco (Zn2+) • Cobre (Cu2+) • Manganês (Mn2+) • Ferro (Fe2+) • Boro (ácido bórico H3BO3) • Molibdênio (MoO41-) • Cloro (Cl-) Carbono + Oxigênio + Hidrogênio Fonte: Adaptado de http://www.profpc.com.br/ciclos_biogeoqu%C3%ADmicos.htm

31. Perdas por lixiviação são, geralmente, maiores em ecossistemas perturbados. Impacto do ácido na Floresta Cada H+adicionados ao solo pela chuva ácida substitui uma quantidade equivalente de um elemento nutriente, tais como K Floresta Chilena: A quantidade de elementos derivados da precipitação que saem do sistema é igual a que chega Nutrientes dissolvidos na entrada da precipitação As folhas das árvores tornam-se amareladas, assim como os nutrientes tornam-se escassos no solo Árvore leva os nutrientes do solo, alguns de intemperismo de rocha, alguns de fontes atmosféricas Íons H+do ácido substituem os elementos nutrientes no solo: para cada unidade de ácido adicionado ao solo, na quantidade equivalente um elemento nutriente é removidos Azul = precipitação derivada de nutrientes Vermelho = Precipitação derivada de rochas Mais elementos nutrientes são lixiviados do solo do que chegam do intemperismo de rochas ou da precipitação. A floresta entra em declive Saída de nutrientes para as águas subterrâneas e córregos Nota de aula da disciplina de ciclos biogeoquímicos globais /CCST/INPE. Prof° Dr. Jean Pierre H.B. Omettoe Prof° Dr. AntonioDonato Nobre

32. Tipos de fotossíntese • Plantas C3 Plantas C3 são as mais numerosas do planeta e apresentam as melhores condições de frescor e umidade com luz normal. O dióxido de carbono, que é respirado pela planta converte a luz em alta energia e açúcares e é incorporado a um composto de três carbono. A fotossíntese ocorre em todas as partes da folha em plantas C3. Livro: A economia da Natureza. Robert E. Ricklefs, 2003.

33. Tipos de fotossíntese • Plantas C4 Plantas do tipo C4 incluem milho, cana de açúcar e vários tipos de grama. Estas plantas absorvem o dióxido de carbono através de seus estômatos (poros na superfície da folha por meio dos quais o dióxido de carbono entra e água e oxigênio saem) taxa mais rápida do que as plantas C3, permitindo que o dióxido de carbono seja entregue mais rapido para a fotossíntese nas células internas. A C4 indica que o dióxido de carbono é incorporado em um composto de quatro carbonos. Livro: A economia da Natureza. Robert E. Ricklefs, 2003.

34. Tipos de fotossíntese • Plantas CAM O dióxido de carbono é armazenado como um ácido durante a noite, quando os estômatos estão abertos. Plantas CAM, como cactos, têm melhor desempenho em condições áridas, onde o ácido é dividido para liberar o dióxido de carbono durante o dia para a fotossíntese, quando os estômatos estão fechados.  Desenvolveram um método que permite a sua sobrevivência e o seu crescimento em condições onde outros tipos de plantas se tornariam dormentes e até mesmo perderiam suas folhas. Livro: A economia da Natureza. Robert E. Ricklefs, 2003.

35. O metabolismo da planta se comporta de maneira distinta de acordo com as características do seu processo de fotossíntese. Fonte: Livro “A economia da natureza“ Robert E. Ricklefs, 5ª edição 2003 (pag. 54)

36. 7. Fatores de Influência- Atmosfera • Constituintes da atmosfera Fonte: Reichardt, 1993 Composição média do ar seco próximo ao solo, em porcentagem de volume ou ppm, segundo a Organização Meteorológica Mundial (OMM)

37. A deposição atmosférica é uma importante via de recarga de nutrientes para o solo e pode ser dar forma seca (poeira) e úmida (precipitação pluviométrica e neblina) Os eventos de chuva apresentam grande importância no processo, uma vez que durante a precipitação, ocorre a “lavagem” de partículas de aerossol e a dissolução de gases pelas gotas (Shimshok & De Pena, 1989). Regiões Costeiras Na, Mg e S Regiões semi-áridas Ca Em contrapartida a deposição seca sobre as folhas podem danificar os tecidos vegetais e dificultar as atividades fotossintéticas. http://algarve-saibamais.blogspot.com.br/2009/12/preservar-natureza-combater-poluicao-do.html

38. São as principais fontes de C e N na interface superfície-atmosfera Principais interações entre o ciclo hidrológico e ciclos biogeoquímicos na interface entre os ambientes terrestre, aquático e atmosférico. (a) e (b) Deposição atmosférica úmida e seca (c) Interceptação e escoamento pelo caule; (d) decomposição; (e) lixiviação; (f) carreamento de sedimentos pelo rio. (g) Escoamento pelo tronco g As setas indicam trocas de matéria e energia mediadas biologicamente.

39. 8. Exemplos de Interação Solo-Planta-Atmosfera • O ciclo do nitrogênio: processo pelo qual o nitrogênio circula através das plantas e do solo pela ação de organismos vivos, podendo culminar em liberações para a atmosfera Livro: Ecologia. Eugene P. Odum, 2012.

40. Formas quimicamente disponíveis de N: amônio (NH4+), nitrato (NO3-), e uréia ((NH2)2CO) • Elemento versátil que pode ser encontrado na forma orgânica e inorgânica • Os microrganismos (notadamente bactérias) têm um papel fundamental na ciclagem do N Livro: Ecologia. Eugene P. Odum, 2012.

41. Fixação do N • N2Amônia (NH4+)ou Nitrato (NO3-) • Forma que os organismos conseguem obter N da atmosfera • Utilização de bactérias na agricultura (Rhizobium) : convertem o N da atmosfera na forma assimilável pela planta • Uma forma artificial de disponibilizar N para a planta é através da adubação nitrogenada com incremento de NPK • Causa impactos com emissão excessiva de N2O • Com utilização de fixadores biológicos há uma redução nas emissões atmosféricas Fonte: Adaptado de http://www.acervodigital.unesp.br/bitstream/123456789/262/1/o_ciclo_do_nitrogenio.pdf

42. Absorção do N • NH4+(Amônia) N orgânico • NH4+ é rapidamente incorporado em proteínas e outros compostos nitrogenados orgânicos pelas plantas ou organismos do solo • Consumidores no topo da cadeia alimentar usam esse nitrogênio fixado Mineralização do N • N orgânico NH4+ • Decomposição: N orgânico transformado em N inorgânico (NH4+) por fungos e bactérias • Esse NH4+ pode então ser usado por plantas ou transformado a NO2- e NO3- via nitrificação Fonte: Adaptado de http://www.acervodigital.unesp.br/bitstream/123456789/262/1/o_ciclo_do_nitrogenio.pdf

43. Nitrificação • NH4+ NO2- NO3- • Bactérias transformam amônio a nitrato ganhando energia • Ocorre apenas em ambientes aeróbicos • NH4+ se adsorve as partículas de solo com carga negativa • NO3- é lixiviado com redução da fertilidade do solo e contaminação do lençol freático Desnitrificação • NO3- NO2- NO N2O N2 • Processo anaeróbico feito por bactérias desnitrificadoras dando origem ao N2O • Esta é a única transformação que remove N dos ecossistemas (irreversível) e faz o balanço do ciclo do N Fonte: Adaptado de http://www.acervodigital.unesp.br/bitstream/123456789/262/1/o_ciclo_do_nitrogenio.pdf

44. Exemplo de Interação Solo-Planta Serrapilheira Precipitação interna Artigo: InteractionsBetweenBiogeochemistryandhydrologic systems . Kathleen A. Lohse ., et al, 2009.

45. Conclusões • O sistema solo-planta-atmosfera é muito complexo e envolve diversos fatores interligados em forma de ciclo. • Esta diretamente relacionado com os principais ciclos biogeoquímicos existentes. • Atividades antrópicas podem interferir nesses sistemas causando degradação dos meios onde ocorrem como o solo, a água e o ar. • São sistemas sensíveis e devem ser manejados com técnicas adequadas evitando prejuízos a qualidade do meio ambiente.

46. Obrigado