Separação do fluxo de CO 2 em respiração e assimilação para uma cultura de soja no Sul do Brasil

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1 Separação do fluxo de CO 2 em respiração e assimilação para uma cultura de soja no Sul do Brasil Roberta Goergen, Débora Regina Roberti 2, Virnei Moreira 2, Geovane Webler 2, Jackson E. Fiorin 3, Hans Zimermann 2, Cláudio A. Teichrieb 2, Osvaldo L. L. de Moraes 2, Telmo C. Amado 2 IFF Panambi-RS; roberta_goergen@yahoo.com.br; 2 Universidade Federal de Santa Maira UFSM; 3 Fundacep Cruz Alta -RS; ABSTRACT: In this work, a function that describes the behavior of nocturnal breathing (Re) in relation to temperature is used to estimate the system respiration during daytime. Another function that represents the behavior of gross primary production (GPP) in relation to photosynthetic active radiation (PAR) is used to estimate the gaps in measures of daytime Net exchange system, NEE. An estimate of Re, GPP and NEE in an system soybean in southern Brazil is performed. The NEE was estimated a net return of 84 mgcm -2 s - from the atmosphere to the surface. Palavras-chave: Fluxo de CO 2, NEE, GPP, Respiração INTRODUÇÃO Estudos recentes relatam as mudanças nas condições climáticas atribuível à adição induzida pelo homem de gases provenientes da queima de combustíveis fósseis, desmatamento e mudanças nas práticas da produção agrícola (Karl et al., 29 apud Suyer & Verma, 2). O conhecimento de quanto um ssistema contribui para o aumento do dióxido de carbono na atmosfera é um desafio atual e tema de pesquisa de diversos grupos de pesquisa no mundo (Hollinger et. al., 25; Suyer & Verma, 2; Lopez, et. al., 28; Alberto et. al., 29; Zeeman, et. al., 2). Medidas de troca líquida de CO 2 do ssistema (NEE) entre o ssistema e a atmosfera são o reflexo entre a assimilação bruta de CO 2 (produção primária bruta (GPP)) e respiração do ssistema ( R ). Embora o GPP seja uma medida da fotossíntese, e, portanto só ocorre quando da presença da radiação solar, a sempre ocorrendo e é diretamente ligada a temperatura do ambiente. Para o entendimento dos mecanismos de resposta do ssistema aos processos de mudanças climáticas é importante separar estas duas componentes de fluxo. Problemas relativos a falta de dados devido a problemas de mal funcionamento de sensores também devem ser abordados pelas técnicas de separação das componentes de fluxo. Neste sentido, inúmeros trabalhos estão sendo realizados para que o sistema seja descrito de forma o mais correta possível (Lasslop et. al., 2; Moffat, et. al., 27; Falge et. al., 2). Neste trabalho, um sistema de plantio direto de soja na região Noroeste do Rio Grande do Sul é avaliado em relação às componentes do fluxo de CO 2. Medidas do fluxo de CO 2 foram obtidas pela técnica de covariância dos vórtices. Uma técnica matemática é utilizada para estimar a relação entre o NEE medido no período noturno e a temperatura noturna e a relação entre o GPP diurno e a radiação fotossinteticamente ativa (PAR). 2 - MATERIAL E MÉTODOS 2. SÍTIO DE ESTUDO O experimento foi desenvolvido na Fundação Centro de Experimentação e Pesquisa (FUNDACEP), Cruz Alta, RS. A FUNDACEP localiza-se na região do planalto médio do Rio R está

2 Grande do Sul latitude de 28 o 36 S, longitude de 53 o 4 W, com altitude média de 49 m. O solo é classificado como Latossolo Vermelho distrófico típico, com textura franco argilosa (EMBRAPA, 999). Na FUNDACEP experimentos com diferentes manejos do solo são realizados com as principais culturas da região desde 985. A partir de novembro de 28 uma torre micrometeorológica do Laboratório de Micrometeorologia da UFSM monitora a troca de massa e energia entre um sistema de plantio de soja e a atmosfera. Tal sistema é conhecido como plantio direto, onde a palha e os demais restos vegetais de outras culturas são mantidos na superfície do solo. O monitoramento é feito por uma torre micrometeorológica (medidas de alta frequência) pertencente ao projeto Sulflux ( e equipada com os seguintes sensores (utilizados neste trabalho) de alta frequência (altura e modelo): Temperatura do ar (2,5 m; Campbell Scientific - CSAT 3); Componentes do vento (2,5m; Campbell Scientific - CSAT 3); Radiação Fotossinteticamente ativa incidente (PAR) ( m; Kipp & Zonen - PAR LITE); H 2 O/CO 2 (2,5 m; LiCor- LI75. Os fluxos de CO 2 foram obtidos pela técnica de covariância do vórtice turbulentos (eddy covariance). Neste trabalho, dados referentes a safra da soja de 29/2 são estudados MODELO ESTIMATIVA DA RESPIRAÇÃO As trocas líquidas de CO 2 entre um ssistema e a atmosfera (NEE), pode ser particionado entre a assimilação bruta de CO 2 (produção primária bruta ( GPP) devida a fotossíntese) e respiração do ssistema ( R ). Neste sentido, o GPP é assumido como sendo zero durante os períodos noturnos (definido aqui como o PAR < 5 µmolm -2 s - ) e NEE é composto inteiramente por R. Um modelo do tipo Arrhenius é usado para descrever a dependência da R com a temperatura (Falge et. al., 2): R rbexp E Tref T Tar T () onde rb é a respiração na temperatura de referência (µmol C m -2 s - ), E é a temperatura de sensibilidade (ºC), Tar é a temperatura do ar º(C), T ref 5º C e T 46,2º C obtidos de Lloyd & Taylor (994). Pode-se determinar os valores de rb e E a partir da curva entre e T ar. Um método para determinar os valores de rb e E, é a linearização da eq. (). Tomando o logaritmo natural (ou neperiano) l n, de ambos os lados da eq. (), tem-se ln R ln rb E E (2) Tref T Tar T Portanto, uma boa aproximação, para a expressão acima, (eq. (2)) é assumir a forma: ln R AZ (3) B E Tref T Logo, obtêm-se os valores das constantes rb e E, onde onde A e B as constantes: B lnrb r b e E B Tref T ESTIMATIVA DO GPP e A E, sendo E Z T A ar e T (4) R

3 No período diurno o ssistema realiza fotossíntese, ou seja, ocorre a assimilação bruta de CO 2, GPP. O GPP diurno é a diferença entre o NEE e a R, ou seja: GPP NEE R. (5) O sistema de medidas de alta frequência para a estimativa de NEE, pelo método eddy covariance, pode sofrer problemas de mal funcionamento de sensores, falha humana ou queda de energia. Nestes casos pode-se estimar o GPP a partir da relação entre o GPP e a radiação fotossinteticamente ativa (PAR). Esta relação pode ser representada por uma equação hiperbólica retangular (Falge et. al., 2) PAR GPP (6) PAR onde é a eficiência de utilização de luz pelo dossel e representa a inclinação inicial da curva de resposta de luz (µmol C J - ) e, é a taxa máxima de CO 2 absorvida pelo dossel na saturação da luz ( µmol C m -2 s - ). A eq. ( 6) apresenta uma restrição matemática quando PAR. O método de linearização pode ser aplicado na eq. (6) para encontrar os valores de e. Primeiramente, faz-se o inverso da eq. (6):. (7) GPP PAR Uma boa aproximação para a equação (7) é: Y a bx (8) onde Y, a, b e X. Logo, os coeficientes e podem ser escritos GPP PAR como e a b As curvas de linearização foram obtidas utilizando a função polyval do software GNU Octave RESULTADOS E DISCUSSÃO Os parâmetros das eq. () e eq. ( 6) foram estimados para os diferentes estágios fenológicos da cultura de soja. As Figuras (a), (b), 2(a) e 2(b) mostram a linearização (eq. (3)) e a curva ajustada (eq. ()) para a respiração no período noturno. As Figuras (c), (d), 2(c) e 2(d) apresentam a linearização (eq. (9)) e a curva ajustada (eq. ( 6)) para o GPP no período diurno. A Figura representa o Período, que é da semeadura (4/2/29) até a emergência (9/2/29). A Figura 2 representa o Período 2, que é o estágio da fase reprodutiva de desenvolvimento da soja, que são o R 5. (5/3/2) e até o R 5.2 (2/3/2). Neste estágio os grãos ficam perceptíveis ao tato de % do enchimento da vagem. A correlação média entre os dados experimentais e o ajuste é de aproximadamente.4. A Tabela apresenta os valores dos parâmetros das eq. ( ) e ( 6) para cada estágio fenológico aqui apresentado. Da definição destes parâmetros nota-se que a respiração e a taxa máxima de absorção de CO 2 do sistema aumentam no período. Enquanto a respiração aumento o dobro, a absorção aumenta quase. Comparando as Figuras (b) e 2(b) nota-se o aumento da respiração do ssistema quando dos diferentes estágios fenológicos. Para uma mesma temperatura, por exemplo, 2 C, a respiração que era de aproximadamente 2 µmolcm -2 s - no período da semeadura até a emergência, ou seja, solo descoberto, passa a aproximadamente 5 µmolcm -2 s -, na fase

4 reprodutiva. Nas figuras (d) e 2(d), pode-se perceber o aumento na fotossíntese do ssistema, que para o solo descoberto, era praticamente nula, chega a aproximadamente -3 µmolcm -2 s -, ou seja, quase 6 vezes maior que a respiração. O sinal negativo no GPP indica uma absorção de carbono pelo ssistema. Tabela Valores dos parâmetros das eq. () e (66) 4/2/29 a 9/2/29 5/3/2 a 2/3/2 rb 2, 4, 22 E 52, 32 3, 55, 5, 36 4, 7 45, 33 4 CONCLUSÕES Este trabalho apresentou uma função que descreve o comportamento da respiração noturna ( R ) e uma função que representa o comportamento da produção primária bruta (GPP). Os resultados demonstram uma satisfatória relação entre os dados experimentais e as curvas de ajuste. Os valores de GPP, R e NEE, para uma cultura de soja do Sul do Brasil, foi de -29,5X 3 µmolcm -2 s -, 22,5X 3 µmolcm -2 s - e -7,X 3 µmolcm -2 s -, respectivamente. Desta forma, pode-se concluir que o ciclo da soja absorve aproximadamente 84 mgcm -2 s -. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALBERTO, M. C. R.; WASSMANN, R.; HIRANO, T.; et al. CO 2 /heat fluxes in rice fields: Comparative assessment of flooded and non-flooded fields in the Philippines. Agricultural and Forest Meteorology, 49, , 29. FALGE, E.; GOVE, J. H.; HEIMANN, M.; et. al. Comprehensive comparison of gap-filling techniques for eddy covariance net carbon fluxes. Agricultural and Forest Meteorology, 47, , 27. FALGE, E.; BALDOCCHI, D.; OLSON, R.; et. al.; Gap filling strategies for defensible annual sums of net system exchange. Agricultural and Forest Meteorology, 7, 43 69, 2. HOLLINGER, S. E.; BERNACCHI, C. J.; MEYERS, T. P. Carbon budget of mature no-till system in North Central Region of the United States. Agricultural and Forest Meteorology, 3, 59-69, 25. LASSLOP, G.; REICHSTEIN, M.; PAPALE, D.; et al. Separation of net system exchange into assimilation and respiration using a light response curve approach: critical issues and global evaluation. Global Change Biology, 6, 87 28, 2. LOPEZ, C. M. L.; GERASIMOV, E.; MACHIMURA, T.; et al. Comparison of carbon and water vapor exchange of forest and grassland in permafrost regions, Central Yakutia, Russia. Agricultural and Forest Meteorology, 48, , 28. MOFFAT, A. M.; PAPALE, D.; REICHSTEIN, M.; HOLLINGER, D. Y.; RICHARDSON A. D.; BARR, A. G.; BECKSTEIN, C.; BRASWELL, B. H.; CHURKINA, G, DESAI, A. R.; SUYKER, A. E.; VERMA, S. B. Coupling of carbon dioxide and water vapor exchanges of irrigated and rainfed maize soybean cropping systems and water productivity. Agricultural and Forest Meteorology, 5, , 2. ZEEMAN, M. J.; HILLER, R.; GILGEN, A. K.; MICHNA, P.; PLÜSS, P.; BUCHMANN, N.; EUGSTER, W. Management and climate impacts on net CO 2 fluxes and carbon budgets of three grasslands along an elevational gradient in Switzerland. Agricultural and Forest Meteorology, 5, 59-53, 2.

5 ln(rec o).5.5 (a) Rec o (µ m ol C -2 m s - ) (b) /(Tar + T) Tem peratura (ºC) /G P P (c) G P P(µ m ol C -2 m s - ) (d) /P A R x P A R (µm ol m -2 s - ) Figura (a) earização da respiração noturna em relação a temperatura (eq. (3)); (b) Relação entre a respiração e a temperatura pelos dados experimentais e pela eq. (); (c) earização do GPP diurno em relação ao PAR (eq. (9)); (d) Relação entre o GPP e o PAR pelos dados experimentais e pela eq. (7). Período ln(rec o) (a) Rec o (µ m ol C -2 m s - ) (b) /(Tar + T) Tem peratura (ºC) /G P P (c) G P P(µ m ol C -2 m s - ) (d) /P A R x P A R (µm ol m -2 s - ) Figura 2 (a) earização da respiração noturna em relação a temperatura (eq. (3)); (b) Relação entre a respiração e a temperatura pelos dados experimentais e pela eq. (); (c) earização do GPP diurno em relação ao PAR (eq. (9)) (d) Relação entre o GPP e o PAR pelos dados experimentais e pela eq. (7). Período 2