Análise de footprint e eficiência no uso da água em pastagem natural

Abstract

As pastagens naturais são consideradas um importante bioma devido a sua grande biodiversidade, importante função no ciclo do carbono, produção de gado e outros serviços ambientais. Devido à importância ecológica e econômica das pastagens naturais, é necessário estudar como a variabilidade climática e as práticas de manejo influenciam os fluxos de carbono e energia. O estudo da interação entre os fluxos de carbono e energia é necessário para compreender a interação pastagem natural-atmosfera. A associação entre os fluxos de CO 2 e H 2 O pode ser feita estudando a eficiência do uso da água (WUE). Os objetivos desta tese são suscitar as peculiaridades das estimativas de WUE em nível de folha, planta e ecossistema; analisar a origem dos fluxos de massa e energia em uma pastagem natural por meio de um modelo de footprint e quantificar a WUE de uma pastagem natural. A meta- análise indicou que as estimativas de WUE em diferentes escalas demandam instrumentos precisos e muitas vezes caros, por exemplo, o método eddy covariance (EC). A estimativa da WUE com os isótopos estáveis representa o único método que pode ser utilizado para estimar a WUE da folha à escala de ecossistema. Fluxos de CO 2 e energia foram obtidos pelo método EC em um local pertencente à Rede Nacional de Observação Ecológica (NEON) na Estação Biológica da Konza Prairie (KPBS) em 2017, 2018 e 2019. Uma parametrização de um modelo de footprint (FFP) foi utilizada para determinar a área de influência dos fluxos turbulentos. Foi observado que em 2018 a área agregada de contribuição para os fluxos no sítio foi igual a 146,1 hectares e em 2017 e 2019 esse valor foi 29% e 25% menor, respectivamente. Em todos os anos, o footprint apresentou uma área maior em condições estáveis de estabilidade atmosférica e menores valores de comprimento de rugosidade. Os resultados indicam que as bacias hidrográficas K2A, C3SA, K20A, C3SB e K1B contribuíram com 83%, 12,4%, 2,7%, 1% e 0,5%, para os fluxos medidos, respectivamente. A eficiência do uso da água pelo ecossistema (WUE e ) foi calculada para os anos de 2017, 2018 e 2019 utilizando a relação entre a produtividade primária bruta e a evapotranspiração real. A WUE e média foi igual a 2,02; 2,86 e 2,28 g C kg -1 H 2 O, nos anos de 2017, 2018 e 2019, respectivamente. A pastagem natural se comportou como sumidouro de carbono no triênio avaliado, sendo o maior GPP igual a 1007,20 gC m -2 e observado em 2019, ano com maior disponibilidade hídrica no solo na KPBS. Em 2017 e 2018, a WUE e foi dependente da disponibilidade de água no sítio (razão de Bowen (β) > 0). Já em 2019, a WUE e foi dependente da disponibilidade de energia (β < 0). A WUE e representou uma resposta biofísica da pastagem natural aos anos secos (2017 e 2018) e ao ano úmido (2019) na KPBS. Medições de fluxos adicionais são necessárias para estudar outras bacias hidrográficas da KPBS sob diferentes condições de manejo. Palavras-chave: Condições Aerodinâmicas. Carbono. Evapotranspiração.

Grasslands are an important biome due to their large biodiversity, important role in the carbon cycle, livestock production and othe ecosystem services. Due to the ecological and economic importance of grassland’s ecosystems, it is necessary to study how the climate variability and management practices affect carbon and energy fluxes. Studying the interaction between carbon and energy fluxes is necessary to understand the grassland-atmosphere interaction. The association between CO 2 and H 2 O fluxes can be made by studying the water use efficiency (WUE). The objectives of this thesis are to analyze the peculiarities of WUE estimatives at the leaf, plant and ecosystem level; analyze the origin of mass and energy fluxes in a grassland ecossystem using a parameterization of a footprint model and calc the WUE of a grassland ecossystem. The meta-analsys indicate that WUE estimates at different scales demand precise and often costly instruments, for example, the eddy covariance (EC) method. The estimate of the WUE with the stable isotopes represents the only method that can be used to estimate WUE from leaf to ecosystem scale. Fluxes of CO 2 and energy were obtained by the EC method at a site belonging to the National Ecological Observation Network (NEON) at Konza Prairie Biological Station (KPBS) in 2017, 2018 and 2019. A parameterization of a footprint model (FFP) was used to determine the area of influence of turbulent fluxes. It was observed that in 2018 the aggregate area of contribution to the fluxes at the site was equal to 146.1 hectares and in 2017 and 2019 this value was 29% and 25% smaller, respectively. In all years, the footprint presented a larger area under stable conditions of atmospheric stability and shorter roughness length values. The results indicate that the watersheds K2A, C3SA, K20A, C3SB and K1B contributed 83%, 12.4%, 2.7%, 1% and 0.5%, to the measured fluxes respectively. The ecosystem water use efficiency (WUE e ) was calculated for the years of 2017, 2018 and 2019 using the ratio of gross primary productivity to actual evapotranspiration. The mean WUE e was equal to 2.02; 2.86 and 2.28 g C kg -1 H 2 O, in the years 2017, 2018 and 2019, respectively. The grassland behaved as a carbon sink in the three-year period evaluated, with the highest GPP equal to 1007.20 gC m -2 observed in 2019, the year with the greatest soil water availability at KPBS. In 2017 and 2018 WUE e was dependent on water availability (Bowen Ratio (β) > 0), in 2019 WUE e was dependent on energy availability (β<0). The WUE e represented a biophysical response from grassland to dry years (2017 and 2018) and wet year (2019) at KPBS. Additional flux measurements are needed to study other watersheds at KPBS under different management conditions. Keywords: Aerodynamic conditions. Carbon. Evapotranspiration.