Modelagem da ciclagem rizosférica de carbono e nitrogênio em eucalipto
| Autor: | Valadares, Rafael Vasconcelos |
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| Přispěvatelé: | Neves, Júlio César Lima |
| Jazyk: | angličtina |
| Rok vydání: | 2018 |
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| Zdroj: | LOCUS Repositório Institucional da UFV Universidade Federal de Viçosa (UFV) instacron:UFV |
| Popis: | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico O papel destes compostos tem sido estudado visando elucidar os benefícios da transferência de matéria/energia das árvores para os microrganismos da rizosfera. Atualmente, sabe-se que os resultados da interação entre as árvores e a microbiota podem ser positivos, neutros ou negativos, a depender da espécie vegetal, população microbiana associada e do ambiente. Em última instância, o saldo dessas interações pode determinar a taxa de crescimento dos povoamentos e, até mesmo, a permanência ou não de uma dada espécie no ambiente. Nesse particular, o efeito da ativação de populações microbianas rizosféricas pelas rizosdeposições, o chamado efeito priming rizosférico, tem sido o foco de muitas pesquisas. Esse processo desencadeia mudanças na estrutura e na atividade das comunidades rizosféricas que repercutem na dinâmica de decomposição e formação da matéria orgânica do solo (MOS). No caso específico dos solos sob eucalipto, esse processo ocorre predominantemente no sentido de acelerar a decomposição da MOS e, por conseguinte, tem um retorno positivo para a planta, aumentando o suprimento de nitrogênio para as árvores (M. D. Costa, informação pessoal 1 ). A despeito disso, ainda não existem modelos matemáticos que quantifiquem esse processo para as plantações florestais do gênero Eucalyptus. Dessa forma, a presente tese teve por objetivo desenvolver um modelo mecanístico para estimar a ciclagem de carbono (C) e nitrogênio (N) no solo rizosférico de agroecossistemas com essas árvores. Para a elaboração dessa representação matemática, levou-se em conta que o sistema rizosférico é inteiramente dependente da atividade das raízes. Por isso, não faria sentido sua modelagem sem a predição do crescimento das mesmas e a estimativa do processo de rizodeposição. Sendo assim, teve-se também como objetivo do presente trabalho a apresentação e o aprimoramento de um modelo de crescimento para o eucalipto na plataforma de modelos agrícolas APSIM (next generation). Tal modelo tem, entre outras vantagens, a maior sensibilidade ao fator solo, o que inclui o efeito do suprimento de N por processos de mineralização e de decomposição do litter. No capítulo I, procurou-se apresentar uma revisão de literatura sobre os principais assuntos da temática em estudo, de forma que o leitor pudesse entender os processos e os fatores que estão relacionados à representação matemática da ciclagem de C e N na rizosfera. Na sequência, no capítulo II, realizou-se a apresentação e a validação do modelo APSIM Eucalyptus para 12 sítios florestais, sendo que nove deles apresentam localização geográfica no Brasil e os outros três estão localizados na Austrália. O modelo APSIM apresentou tratamento satisfatório dos processos de crescimento, considerando as diversas condições climáticas e edáficas e os diferentes manejos culturais. Todavia, visando aprimorar a sua performance, sugeriram- se ajustes com relação à partição de carbono para as raízes, bem como a inserção de outras limitações nutricionais além do N, e outros fluxos de nutrientes, a exemplo daqueles que ocorrem no ambiente da rizosfera. O capítulo III foi dedicado à elaboração conceitual, apresentação, avaliação e análise de sensibilidade do modelo Forest Plantation Rhizosphere Available Nitrogen (ForPRAN) para estimativas dos fluxos de mineralização de C e N no solo rizosférico. Como resultado, observou-se que o desempenho do modelo foi satisfatório quantitativamente e qualitativamente quando comparado aos dados observados na literatura. As variáveis de entrada que mais influenciaram a mineralização rizosférica do N foram (em ordem de importância decrescente): diâmetro da raiz > espessura da rizosfera > temperatura do solo > teor de argila. A mineralização rizosférica de N em plantação típica de eucalipto produzindo 42 m³ ha -1 a -1 de massa de parte aérea, com perdas de N assumidas de 40 % por processos diversos, foi estimada em 24,6 % da demanda de N do plantio (parte aérea+raiz+litter). A partir disso, concluiu-se que o modelo de ciclagem de rizosfera deve ser considerado para adaptação de outros modelos de produção florestal e agrícola, como o APSIM Eucalyptus, onde a inclusão de tais processos oferece o potencial de melhorar o desempenho das estimativas. Por fim, o capítulo IV foi elaborado com o objetivo de testar, por meio da modelagem matemática, a hipótese de que o efeito priming da rizosfera (RPE) é quantitativamente importante para a nutrição nitrogenada do eucalipto. Para testar essa hipótese, foi simulado o crescimento do eucalipto utilizando o modelo geral de APSIM Eucalyptus e os processos de rizosfera utilizando o modelo ForPRAN. Foi projetado o crescimento do eucalipto em quatro locais, sendo dois no Brasil - Aracruz/ES e Curvelo/MG - e outros dois na Austrália - Wagga Wagga/NSW e Coffs Harbour/NSW. No final de sete anos de rotação simulada, considerando a ciclagem na camada de 0-20 cm de profundidade, estimou-se que 12, 11, 10 e 5 % do volume de solo total foi ocupado pela rizosfera nos sítios de Aracruz, Coffs Harbour, Wagga Wagga e Curvelo, respectivamente. Como resultado da rizodeposição, o modelo ForPRAN sugere nos quatro locais aumento na biomassa microbiana (BM) rizosférica, cujos valores BM médios estiveram entre 70,3 μg cm -3 e 246,1 μg cm -3 de C. Em geral, o RPE tem potencial para explicar de 15 a 38 % do N acumulado no ecossistema florestal (parte aérea+raiz+litter), considerando as situações estudadas. Temperaturas e volumes de precipitação mais elevados contribuem para maior suprimento de N por meio da mineralização rizosférica, em valores absolutos, nos sítios brasileiros do que nos australianos, o que também explica parte da menor limitação por N nas plantações de eucalipto no Brasil. Eucalypts as well as other trees allocate large amounts of fixed carbon to produce roots and rhizodepositions, which include exudates, secretions, lysates and gases. The role of these compounds has been studied to elucidate the benefits for the trees of the transfer of matter/energy to the rhizosphere microorganisms. It is currently well known that the results of the interaction between the trees and the microbiota can be positive, neutral or negative, depending on the plant species, associated microbial population, and environmental conditions. This can ultimately determine the growth rate, planting stand, and even whether or not a given tree species will survive in the environment. Numerous studies have been carried out to investigate the effect of the activation of rhizosphere microbial communities previously in a state of oligotrophy or quasi-dormancy by the rhizodepositions, in the so-called rhizosphere priming effect. This process triggers changes in the structure and activity of rhizosphere communities that affect the dynamics of soil organic matter (SOM) decomposition and formation. In the particular case of the soil under eucalypts, this process predominantly accelerates the decomposition of the SOM inside the rhizosphere and, therefore, may present a positive return to the trees by the increase of the nitrogen supply (M.D. Costa, personal information¹). Despite this, there are still no models to measure the quantitative importance of this process for forest plantations of the Eucalyptus genus. Thus, the present thesis aimed to develop a mechanistic model to estimate the carbon (C) and nitrogen (N) cycling in the rhizosphere soil under eucalypts. Before this, for the elaboration of this mathematical representation, it was necessary to take into account that the rhizosphere system is entirely dependent on the activity of the roots and, therefore, it does not make sense its modeling without the prediction of the plant root growth and estimation of the rhizodeposition process. For this reason, the objective of the thesis was also to present and improve a growth model for Eucalyptus in the APSIM (next generation) agricultural models platform. This model has, among other advantages, greater sensitivity to the soil factor, which includes the effect of the N supply by processes of SOM mineralization and litter decomposition. Thus, in Chapter I, it was reviewed the main processes and factors involved in the subsequent chapters, which are more related to the mathematical representation of key processes for rhizosphere mineralization. In Chapter II, the APSIM model was presented and validated for 12 forest sites; out of those 12 sites, nine are geographically located in Brazil and the other three are located in Australia. The APSIM model presented a satisfactory treatment of the growth processes, considering the diverse climatic and edaphic conditions and the different forest managements. However, in order to improve its performance, adjustments were suggested regarding carbon partitioning for the roots, as well as considering other nutritional limitations besides N; and other nutrient flows such as those occurring in the rhizosphere environment. Chapter III, on the other hand, was devoted to the conceptual elaboration, presentation, evaluation and sensitivity analysis of the Forest Plantation Rhizosphere Available Nitrogen model (ForPRAN) for estimates of the C and N mineralization fluxes in the rhizosphere soil. The performance of the model was quantitatively and qualitatively satisfactory when compared to the data observed in the literature. The input variables that most influenced the increase of N by rhizosphere mineralization were (in order of decreasing importance): root diameter> rhizosphere thickness> soil temperature> clay concentration. The rhizosphere mineralization in a typical eucalypt plantation producing 42 m³ ha -1 a -1 of shoot biomass, with assumed N losses of 40 % by different processes, was estimated in 24.6 % of the amount of N accumulated in the plantations (shoot+root+litter). From this point of view, it was concluded that the rhizosphere cycling model should be considered for adaptation of other models of forest and agricultural production, such as APSIM Eucalyptus, where the inclusion of such processes offers the potential to improve the growth predictions. Finally, in Chapter IV, it was tested the mathematical modeling hypothesis that the rhizosphere priming effect (RPE) is quantitatively important for nitrogen nutrition of eucalypts in different climatic and soil conditions. To test this hypothesis, the eucalypts growth was simulated using the general APSIM Eucalyptus model and the rhizosphere processes using the ForPRAN model. Eucalyptus growth was projected at four sites, two in Brazil - Aracruz/ES and Curvelo/MG - and the other two in Australia - Wagga Wagga/NSW and Coffs Harbour/NSW. At the end of the 7-year rotation, considering the cycling in the 0- 20 cm depth layer, it was estimated that 12, 11, 10 and 5 % of the total soil was occupied by the rhizosphere at Aracruz, Coffs Harbour, Wagga Wagga and Curvelo, respectively. Because of the rhizodeposition and of the different pedoenvironments, the ForPRAN model suggested an increase in the rhizosphere microbial biomass in the four sites, whose average values were between 70.3 μg cm -3 and 246.1 μg cm -3 of C. In general, the RPE has the potential to explain between 15 and 38 % of the N demand of the forest ecosystem (shoot+root+litter), considering the studied cases. Higher temperatures and rainfall volumes cause increase in the N rhizosphere supply, in absolute values, in Brazilian sites as compared with the Australian ones, which also explains part of the observed smaller N limitation in eucalypts plantations in Brazil. |
| Databáze: | OpenAIRE |
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