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EuPTCVAg0870-63522010000200006

EuPTCVAg0870-63522010000200006

National varietyEu
Country of publicationPT
SchoolLife Sciences
Great areaAgricultural Sciences
ISSN0870-6352
Year2010
Issue0002
Article number00006

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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 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), 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.


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