Avaliação das Potencialidades da Utilização de Dendrocronologia no Estudo dos
Impactes Climáticos sobre a Fixação de Carbono no Estrato Arbóreo de
Ecossistemas de Pinheiro-bravo no Nordeste de Portugal
Introdução
A concentração de dióxido de carbono na atmosfera tem vindo a aumentar, com um
incremento de 80 ppmv, nos dois últimos séculos, como resultado da queima de
combustíveis fosseis e das alterações na utilização do solo (Schimel et al.,
1995). Sabe-se que o aumento da concentração de dióxido de carbono na atmosfera
provoca um aumento da fotossíntese nas plantas (DeLucia et al., 1999). Prevê-se
também que com o aquecimento futuro se intensifique a produtividade (Churkina e
Running, 2000) em ecossistemas temperados e que assim aumente o sequestro de
carbono (Cox et al., 2000; Dufresne et al., 2002). Por outro lado, crê-se que,
com as alterações climáticas futuras, se reduza a captação de carbono pelos
solos (Cramer et al., 2001). Estas reduções poderão constituir um processo de
retro-alimentação positivo que foi estimado em diversos estudos baseados em
simulações, nomeadamente simulações que consideram o acoplamento clima-carbono
obtidas com o modelo climático HadCM3 do Hadley Center, acoplado com um modelo
de ciclo de carbono (Cox et al., 2000) e simulações com modelos de circulação
geral acoplados oceano-atmosfera a modelos de carbono em terra e no oceano
(Dufresne et al., 2002).
Por outro lado, com o aumento da temperatura, será de esperar um aumento da
evaporação, conducente a um balanço negativo da água, que será mitigado pela
diminuição da perda da água dos estomas das plantas (característica de um mundo
com excesso de CO2). Desta forma, o resultado líquido dependerá essencialmente
da capacidade de armazenamento de água pelo solo, da distribuição vertical do
carbono, das raízes no solo e da sensibilidade geral da vegetação às condições
de stress hídrico (Heimann e Reichstein, 2008); tendo-se que as limitações em
água podem até suprimir a resposta da respiração à temperatura (Reichstein et
al., 2007). Sob condições de seca severa, alguns cenários climáticos apontam
para um aumento do sequestro do carbono através da supressão da respiração, bem
como da redução da perda de carbono devido à diminuição da actividade
fotossintética (Saleska et al., 2003; Ciais et al., 2005). Ciais et al. (2005)
mostraram que durante a onda de calor que assolou a Europa no verão de 2003 a
acumulação de carbono durante os cinco anos precedentes, foi anulada em apenas
alguns dias de condições atmosféricas extremas. Estes autores mostraram que a
respiração, em vez de aumentar com a temperatura, diminuiu juntamente com a
produtividade; tendo destacado ainda que as secas e as ondas de calor podem
modificar a produtividade da vegetação e transformar, por curtos períodos,
sumidouros em fontes, conduzindo, desta forma, a um mecanismo de retro-
alimentação positivo do sistema climático. Os efeitos prejudiciais de tais
eventos extremos podem mesmo ser amplificados por meio de impactes retardados,
tais como aqueles associados à morte das árvores e à recuperação lenta da
vegetação em caso de incêndios florestais (Heimann e Reichstein, 2008; Le Page
et al., 2008).
Neste contexto, o interesse pela Produção Primária Líquida (NPP, mantendo o
acrónimo anglo-saxónico) aumentou recentemente devido à consciencialização
crescente pelas alterações climáticas e pela necessidade de compreender os seus
impactes no ambiente. Cao e Woodward (1998) sustentam que a duplicação da
concentração de dióxido de carbono na atmosfera sem que ocorram alterações
climáticas iria aumentar a NPP, embora estes autores afirmem que esta resposta
varia largamente consoante as zonas climáticas e de vegetação consideradas. Por
outro lado, os mesmos autores mostram que uma alteração no clima sem aumento da
concentração de dióxido de carbono na atmosfera provocaria uma redução geral
global da NPP, com um aumento nos ecossistemas a Norte, e uma redução nos
ecossistemas temperados e tropicais. Inversamente, Nemani et al. (2003) referem
que as alterações climáticas globais irão provavelmente aumentar a NPP. Piao et
al. (2009) mostram que a NPP aumentou 14% no último século, sendo este aumento
mais notório depois de 1970. De 1980 até 2002, a NPP global aumentou com uma
taxa de 0,4%/ano. À escala global, este incremento parece ser atribuído
principalmente ao aumento da concentração de CO2, e consequentemente às
alterações da precipitação. Nas últimas duas décadas as alterações climáticas e
o aumento de CO2 provocaram um aumento dos reservatórios de carbono superior às
emissões de carbono resultantes das alterações do uso do solo, originando um
aumento líquido dos reservatórios no solo. No entanto, o aquecimento global já
começou a acelerar as perdas de carbono pelos ecossistemas terrestres,
aumentando a decomposição do carbono orgânico do solo. Assim, torna-se evidente
a necessidade de encontrar metodologias que permitam a monitorização da NPP de
forma prática e precisa. Neste contexto, também a avaliação da produtividade da
floresta em climas temperados e do correspondente sequestro de carbono se
mostram prementes, bem como da sua relação com os parâmetros climáticos.
Em Portugal, a floresta é muito importante sob os pontos de vista ambiental,
económico e social, constituindo em Portugal continental cerca de 36% da
utilização do território, de acordo com o mais recente inventário nacional de
floresta. Por outro lado, o pinheiro-bravo (Pinus pinasterAit.) constitui um
dos mais importantes ecossistemas em Portugal, visto que os povoamentos puros
desta espécie representam cerca de 29% do total da área de floresta nacional
(DGF, 2007). A floresta portuguesa de pinheiro-bravo é muito heterogénea, tem
sido sujeita a intervenção humana muito limitada e abrange uma larga
diversidade de estruturas, desde uma grande variedade no que respeita o número
de árvores por hectare, dimensões médias e grupos etários. Existem poucos
ecossistemas com um padrão de estabilidade semelhante e taxas de produção
análogas na Europa (Lopes, 2005).
Em simultâneo, a NPP é uma variável cuja avaliação é trabalhosa e demorada.
Para a sua estimativa são necessárias duas medições consecutivas, que medeiem
entre si pelo menos um ano fisiológico - preferencialmente o período de tempo
deve ser o mais longo possível. Como em Portugal a instalação de parcelas
permanentes ou semi-permanentes não é muito usual, a utilização de
dendrocronologia poderá colmatar estas lacunas. Neste âmbito, o objectivo deste
trabalho é a avaliação das potencialidades da utilização de dendrocronologia no
estudo dos impactos climáticos sobre a fixação de carbono em ecossistemas de
pinheiro-bravo, utilizando dados de povoamentos localizados no Nordeste de
Portugal. O objectivo principal deste trabalho é o estudo da contribuição dos
parâmetros climáticos, nomeadamente a precipitação e a temperatura, sobre a
série temporal de NPP, determinada previamente através da utilização de séries
dendrocronológicas de Pinus pinaster Ait.
Dados e métodos
Caracterização da região de estudo
Este estudo foi desenvolvido com dados obtidos em povoamentos de Pinus pinaster
Ait. localizados no Nordeste de Portugal, a Norte de Vila Real, na região do
Vale do Tâmega, entre Boticas e Chaves. A área de Pinus pinaster Ait.
corresponde a um rectângulo de 60 km2 (10 km x 6 km) de povoamento extensivo
desta espécie, e as suas coordenadas limite são (238, 520) no canto inferior
esquerdo e (248, 526) no canto superior direito, no sistema de coordenadas
Hayford Gauss Militares (km).
A região tem uma topografia muito acidentada com altitudes entre cerca de 300 e
900 m. A área de estudo é caracterizada por dois vales que a atravessam na
diagonal, representando os pontos de menor altitude, e geralmente com a
orientação nordeste-sudoeste. As áreas de maior altitude localizam-se na região
interfluvial. Os pontos mais elevados, correspondentes a 900 m de altitude,
localizam-se a sudoeste, na região em estudo. O tipo de solo dominante no Norte
de Portugal é do tipo cambisolo. Resultados obtidos em estudos prévios a partir
de amostras de solo obtidas para análise mostraram que se tratam de solos
ácidos (pH=4,4) (Lopes, 2005). A idade actual média das árvores de pinheiro-
bravo é de 43±14 anos.
Identificação da árvore média
Os estudos de dendrocronologia foram efectuados apenas na árvore média. Tendo
previamente sido instaladas 31 parcelas de amostragem de 500 m2, como descrito
em Lopes (2005), na região de Boticas, em todas elas se procedeu à medição de
todos os diâmetros à altura do peito. Com base nessa informação foi possível
determinar a média quadrática, com base no formulário comummente indicado e
identificada a árvore que mais se aproximava desse valor. A arvore média cuja
idade mais se aproximava da arvore média de todas as parcelas de amostragem foi
a considerada neste estudo.
Estimativa da fixação de carbono pelo estrato arbóreo
A NPP anual corresponde à quantidade líquida de carbono capturado pelas plantas
através da fotossíntese durante o período de um ano (Melillo et al., 1993; Cao
e Woodward, 1998). Assim, a NPP expressa os fluxos líquidos de carbono entre a
atmosfera e a vegetação terrestre, através de fotossíntese, num determinado
intervalo de tempo a (Goetz e Prince, 1996). Objectivamente, a NPP pode ser
definida e medida tanto mediante (i) a quantificação de acréscimos de biomassa
e (ii) as trocas de dióxido de carbono (Field et al., 1995). Ambas as
aproximações estão relacionadas, sendo que a segunda, (ii), é aproximadamente
equivalente a metade da primeira, (i), já que alguns investigadores consideram
que, em geral, 50% do total de matéria seca é carbono (Atjay et al., 1979;
Gower et al., 1997; Goetz e Prince, 1998).
Nesta secção pretende-se primeiramente determinar a NPP, utilizando para o
efeito as equações alométricas para estimar variações na biomassa, de modo a
estimar de seguida a fixação de carbono, seguindo os resultados de Lopes e
Aranha (2004).
Para obter a NPP, o primeiro passo foi a obtenção de medições dendrométricas e
posterior determinação do diâmetro à altura do peito da árvore média (d) com
base nas verrumadas obtidas com uma verruma de Pressler de cada lado da árvore
média. De seguida, através de uma digitalização de uma fotografia das
verrumadas e de técnicas e aplicativos de tratamento de imagem, obtiveram-se
medições precisas para a estimativa da evolução, ao longo do tempo, do diâmetro
à altura do peito da árvore média.
Posteriormente, foi calculada a biomassa parcial e total desta árvore média com
base nas equações alométricas de Lopes (2005):
Finalmente, esta metodologia permite obter a série temporal de carbono fixado
anualmente pela árvore média. De acordo com Lopes e Aranha (2006), foi
utilizado um valor ponderado para o teor de carbono médio do estrato arbóreo do
pinheiro-bravo, obtido considerando que 49,3% da biomassa da copa é carbono
(valor ponderado considerando ramos e folhas) e 44,3% da biomassa do tronco é
carbono. No caso do teor de carbono por quilograma de matéria seca da raiz,
assumiu-se o valor de 48,1% (Ritson e Sochacki, 2003). Com base nestas
aproximações foi estimado o teor de carbono fixado por cada uma destas
componentes, que contribuem para a determinação do teor de carbono total.
Dados climáticos
Para o estudo da variabilidade climática espacial e temporal da região da
Península Ibérica foi utilizada uma Análise em Componentes Principais (PCA)
(von Storch e Zwiers, 2002; Wilks, 2005), método estatístico multivariado que
permite decompor um determinado campo climatológico, para a sua caracterização
espacio-temporal ' obtendo-se padrões espaciais (as funções empíricas
ortogonais, EOF) e respectivos coeficientes temporais (as componentes
principais, PC). De facto, as EOF permitem obter uma regionalização dos campos
de forma a obterem-se padrões climáticos, ou seja permitindo a identificação de
regiões homogéneas i.e. com padrões de variabilidade espacial similar. Esta
técnica permite transformar um campo de dados, caracterizado por um número
elevado de variáveis, num outro contendo um número menor, mas que, contudo,
mantenha ainda uma fracção apreciável da variabilidade existente no conjunto
original. As EOF, por terem correlação nula entre si, podem ser encaradas como
componentes independentes de variabilidade.
A PCA foi realizada aos campos de anomalias mensais de temperatura média do ar
a 1000 hPa e de precipitação total, de larga escala, obtidos para a região
Euro-Atlântica, definida pelos paralelos 33,5°N e 48,75°N e pelos meridianos
13,75°W e 6.25°E. A análise é realizada com base em campos de temperatura
obtidos a partir dos dados de re-análise sinóptica disponibilizados pelos
National Center for Environmental Prediction ' National Center for Atmospheric
Research (NCEP'NCAR) (Kalnay et al., 1996; Kistler et al., 2001), numa malha
regular de 2,5 graus de latitude e longitude. O campo da precipitação utilizado
foi disponibilizado pelo Climate Prediction Center (Xie e Arkin, 1997). Ambos
os campos foram utilizados para o período comum disponível (1979 ' 2007).
Finalmente foram efectuadas as correlações entre as primeiras componentes
principais (PC) obtidas, que representam mais de 65% (95%) da variância
explicada de precipitação (temperatura) e a série temporal de carbono fixado
anualmente pela árvore média.
Resultados
Série de fixação anual de carbono
Seguindo a metodologia acima descrita, obteve-se a série dos incrementos anuais
do diâmetro à altura do peito da árvore média. A Figura 1 ilustra a série
temporal dos incrementos anuais do diâmetro à altura do peito da árvore média,
para o período 1964-2008. Cada ano considerado corresponde a um ano
fisiológico. Apesar de se verificar grande variabilidade interanual, é nítido o
forte crescimento inicial do diâmetro à altura do peito da árvore e a sua
posterior diminuição. A linha de tendência (na figura) indica que o acréscimo
do diâmetro tende a diminuir cerca de 0,15 mm por ano. É ainda interessante
observar que, relativamente à fase adulta da árvore, este acréscimo se torna
tendencialmente mais homogéneo, ocorrendo pontualmente momentos em que o
acréscimo se destaca acentuadamente. O estudo de correlação com os parâmetros
climáticos aqui realizado incide sobre este período final de 1979-2008.
Figura 1 - Série temporal dos incrementos anuais do diâmetro à altura do peito
da árvore média, para o período 1964-2008
Finalmente, foram estimados os valores anuais de carbono fixado pela árvore
média, num ano fisiológico (kg.ano-1), como descrito na metodologia e
apresentados na Figura 2. Da sua análise verifica-se que a elevada
variabilidade interanual dos acréscimos do diâmetro se reflecte nos acréscimos
de fixação do carbono, facto que não surpreende uma vez que, com base na
metodologia aplicada, os últimos são função dos primeiros. Contudo, verifica-se
ainda que a tendência da evolução do acréscimo na fixação do carbono é
crescente com a idade da árvore, sendo este comportamento contrário ao do
acréscimo do diâmetro, descrito na Figura 1. Este facto pode ser facilmente
explicado na medida em que, para árvores adultas, pequenos acréscimos em
diâmetro se traduzem em acréscimos significativos na biomassa total da árvore
e, consequentemente, do carbono fixado.
Figura 2 - Série temporal dos incrementos anuais de carbono fixado pela árvore
média (kg/ano), para o período 1964-2008
Parâmetros climáticos
Os dados de temperatura média à superfície e de precipitação sobre o sector
Euro Atlântico foram utilizados para avaliar a influência de factores
climáticos de larga escala sobre o crescimento da árvore e consequente fixação
de carbono, mediante uma PCA dos campos das anomalias mensais da temperatura de
superfície e da precipitação (Figura 3). Os três primeiros padrões de EOF para
a temperatura de superfície (painel esquerdo) e para a precipitação (painel
direito) são apresentados, respectivamente. Os erros de amostragem dos valores-
próprios foram calculados de acordo com a Regra de North mostrando que as três
primeiras EOF se encontram bem separadas em ambos os campos. As EOF 1, 2 e 3 da
temperatura explicam, respectivamente, 87,8%, 5,1% e 2,9% da variabilidade
total, enquanto que as EOF 1, 2 e 3 da precipitação explicam, respectivamente,
30,5%, 24,9% e 10,0% da variabilidade total.
Figura 3 - Três primeiros padrões de EOF, no sector Euro Atlântico, para a
temperatura média de superfície (painel esquerdo) e a precipitação (painel
direito), para o período 1979-2007
Por análise da Figura 3 fica evidente o contraste oceânico (gradiente zonal) na
Península Ibérica, na EOF1 dos dois campos meteorológicos considerados. No caso
da EOF2 da temperatura pode observar-se o contraste Norte-Sul (gradiente
meridional de temperatura) e a EOF3 evidencia o aumento de temperatura no
interior da Península Ibérica. No caso da precipitação, a EOF2 destaca as zonas
de maior precipitação característica das Montanhas Luso-Galaicas, no noroeste
da Ibéria, enquanto que a EOF3 torna evidente o efeito da topografia (Pirinéus)
no regime de precipitação.
A análise de correlação entre as séries temporais dos incrementos anuais de
carbono fixado pela árvore média e dos coeficientes das PC do ano precedente
apresenta valores significativos para as primeira e terceira PC (PC1 e PC3;
Quadro 1). Deste modo foram seleccionadas as correlações com significância
estatística a 5% que consistem na PC3 da temperatura (Julho e Dezembro), na PC1
da precipitação (Agosto) e na PC3 da precipitação (Novembro). No que concerne a
temperatura, embora o padrão da EOF3 explique apenas cerca de 3% da
variabilidade total, parece descrever as condições meteorológicas decorrentes
da característica baixa térmica que domina as condições atmosféricas na
Península Ibérica durante o Verão. Embora a depressão térmica na Península
Ibérica seja mais frequente no Verão, também tem sido detectada no início do
Outono e até mesmo durante os últimos dias de Inverno e início da Primavera
(Font, 1983). Contudo estes casos raros parecem estar associados a condições
sinópticas pouco intensas, a longos períodos de seca e fortes fluxos de calor à
superfície. As correlações negativas obtidas para os meses de Julho (-0,47) e
de Dezembro (-0,37) do ano precedente sugerem que em anos em que estas
condições ocorrem a árvore ficará sujeita a stress térmico, correspondendo a
uma diminuição dos valores de carbono fixado pela árvore. A correlação positiva
obtida com a PC1 da precipitação para o mês de Agosto (0,39) sugere que a
precipitação do Verão precedente poderá ter um impacte relevante no aumento da
fixação de carbono no ano fisiológico seguinte. Por outro lado, a EOF3 da
precipitação evidencia a influência da topografia na precipitação, de modo
que a correlação negativa obtida com a PC3 para o mês de Novembro (-0,40)
sugere que um excesso (diminuição) de precipitação durante o mês de Novembro
poderá contribuir para a diminuição (incremento) da fixação de carbono.
Quadro 1 - Valores de correlação entre incrementos anuais de carbono fixado
pela árvore média e: PC3 da Temperatura (Julho e Dezembro do ano n-1), PC3 da
Temperatura (Fevereiro do ano n), PC1 da Precipitação (Agosto do ano n-1), PC3
da Precipitação (Novembro do ano n-1), PC2 da Precipitação (Setembro do ano n).
Os valores têm significância estatística a 5%
Discussão e conclusões
Este estudo pretende avaliar as potencialidades da utilização de
dendrocronologia no estudo dos impactos climáticos sobre a fixação de carbono
no estrato arbóreo de ecossistemas de pinheiro-bravo (Pinus pinaster Ait.) no
nordeste de Portugal. Para tal são utilizadas séries dendrocronológicas de
Pinus pinaster Ait., que permitiram obter uma série temporal de NPP, a partir
da qual foi obtida uma série temporal de acréscimos de fixação anual de carbono
de uma árvore média. De seguida procedeu-se à PCA dos campos das anomalias
mensais da temperatura de superfície e da precipitação total sobre o sector
Euro-Atlântico, sendo finalmente calculados os valores de correlação entre o
carbono fixado pela árvore e as primeiras 3 PC com maior variância explicada.
Pode dizer-se que foi possível, com uma técnica não-destrutiva, reconstruir a
evolução do diâmetro à altura do peito da árvore média, que corresponde à única
variável de medição exigida pelos modelos alométricos de cada espécie.
Contornou-se assim o facto de, no sector florestal em Portugal, a instalação de
parcelas permanentes não ser habitual, o que não está por certo dissociado de,
num contexto de mediterraneidade, os incêndios florestais serem um grave
impeditivo para a manutenção, por longos períodos temporais, de parcelas de
amostragem. Este trabalho comprova que é possível desenvolver estudos com
séries temporais longas, ultrapassando as referidas dificuldades.
No que respeita o estudo dos impactos climáticos sobre a fixação de carbono no
estrato arbóreo, os resultados vêm confirmar que os parâmetros climáticos
influenciam fortemente o ritmo de crescimento desta espécie, no ecossistema em
estudo, identificando-se os parâmetros e meses que poderão ser mais
condicionantes desse ritmo de crescimento e, consequentemente, da fixação de
carbono no estrato arbóreo, ao longo de um ano fisiológico. O estudo sugere que
a temperatura e a precipitação do verão anterior são os parâmetros mais
relevantes para a fixação de carbono da Pinus pinaster Ait. no ecossistema
estudado no nordeste de Portugal.
Finalmente, é importante referir que este estudo resulta de um trabalho ainda
preliminar, sendo desejável a confirmação e sistematização dos resultados
mediante a utilização de outras séries dendrocronológicas.
