EucFlux http://www.ipef.br/eucflux NC STATE UNIVERSITY Influência das plantações tropicais de eucaliptos sobre os ciclos do carbono, da água e dos nutrientes: avanços recentes no Brasil e no Congo J-P Laclau, Y Nouvellon, JLM Gonçalves, JL Stape, J Ranger, G le Maire, AV Krushe, MC Piccolo, MZ Moreira, L Mareschal, H da Rocha, LEG Barrichelo, J-P Bouillet, + números alunos de pós-graduação São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Por quê estudar plantações de eucaliptos? Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Por quê estudar plantações de eucaliptos? Alta relevancia socio-econômica e ambiental: Precisamos de alternativas para reduzir a pressão sobre as florestas nativas. > 20 milhões de hectares no mundo; Incremento forte no Brasil: 4,5 milhões de ha em 2009; Uma mesma silvicultura para um uso multiplo da madeira: Industrial: celulose, carvão, paneis,… Pequenos produtores: lenha, construção,… São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Por quê comparar o funcionamento das plantações no Brasil e na Africa? Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Por quê comparar o funcionamento das plantações no Brasil e na Africa? O principal papel do CIRAD: contribuir a melhorar a agricultura das regiões tropicais. 3 pesquisadores na USP (desde 2002) sobre este téma; Um projeto do IPEF aprovado na agência brasileira de cooperação; Excelentes infrastruturas na USP para pesquisa; Um objetivo comum com os parcerios na USP: melhorar a silvicultura nas regiões tropicais a partir da comprehensão do funcionamento das árvores São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Produção das plantações de Eucalyptus Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Produção das plantações de Eucalyptus © C. Marsden Crescimento muito rapido! Possibilidade de manipulação do ecossistema. 1 ano 3 anos > 25 m 2 anos © C. Marsden 6 anos © C. Marsden © C. Marsden São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Aguas superficiais e lençol freático Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Baixa produtividade no Congo 15-20 m3 ha-1 ano-1 Alta produtividade no Brasil 40-50 m3 ha-1 ano-1 Produção de biomassa Aguas superficiais e lençol freático CO2 ATMOSFÉRICO Recursos naturais Água Nutrientes Manejo florestal São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Biodiversidade é um aspecto importante que deve ser considerado na escala da paisagem, mas não foi estudado por nossa equipe Area de proteção permanente + Reserva legal: 20% © J.L. Stape São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Uma abordagem biofísica da sustentabilidade do manejo florestal Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Uma abordagem biofísica da sustentabilidade do manejo florestal Ciclo do carbono Sequestro de carbono Principais fluxos (fotossíntesis, respiração, alocação de C) Produção de biomassa,… Ciclos dos nutrientes Entradas e saidas no solo, Fluxos no ecossistema, Balanços para a rotação,... Monitoramento Intensivo nos sistemas escolhidos © Y. Nouvellon Ciclo da água Evapotranspiração, regulação estomática, dinâmica da água no solo, eficiência de uso da água, influencia sobre o lençol freático,.. São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Conjunto de abordagens experimentais, modelagem e sensoriamento remoto Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Conjunto de abordagens experimentais, modelagem e sensoriamento remoto generalização Processos Eddy covariance: Medições continuas dos fluxos de CO2 e H2O Monitoramento intensivo em plantações comerciais (Congo & Brasil) Fluxos na escala das árvores (fotossíntesis, fluxo de seiva,…) © Nouvellon Monitoramento biogeoquímico: fluxos de água e nutrientes nas plantas e no solo Medições leves numa rede de talhões comerciais This ULCOS project made it possible to assess the influence of contrasted management practices on nutrient fluxes throughout the ecosystem over a full rotation in Congo and in Brazil. Such intensive studies carried out over full rotations are exceptional under the Tropics. The 2 study sites are at the bounds of the range of yield for commercial eucalypt plantations and made it possible to assess tree behavior in Congolese stands are representative of low productive plantations on poor sandy soils. Brazilian stands studied are among of the most productive plantations in the world. Their sensitivity to nutrienty deficiencies was investigated in Brazil. © Y. Nouvellon © Laclau Sensoriamento remoto e modelagem para generalizar os resultados experimentais Imagens satelites de resolução media, alta e muito alta G’DAY modelo C-H2O-N no ecossistema © le Maire São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Projeto EucFlux, Duratex, Itatinga, SP Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Projeto EucFlux, Duratex, Itatinga, SP This ULCOS project made it possible to assess the influence of contrasted management practices on nutrient fluxes throughout the ecosystem over a full rotation in Congo and in Brazil. Such intensive studies carried out over full rotations are exceptional under the Tropics. The 2 study sites are at the bounds of the range of yield for commercial eucalypt plantations and made it possible to assess tree behavior in Congolese stands are representative of low productive plantations on poor sandy soils. Brazilian stands studied are among of the most productive plantations in the world. Their sensitivity to nutrienty deficiencies was investigated in Brazil. © Floragro 02/08 09/09 11/09 Até o final da rotação Colheita Plantio São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Trocas de carbono entre atmosféra e floresta quantificadas por « Eddy-covariance » Net radiation Incident Shortwave e long-wave IR radiation Rainfall LI7500 [CO2], [H20], 20hz 3D Sonic anemometer U, V, W, T (20Hz) Reflected Shortwave radiation and outgoing longwave IR radiation Diffuse PAR, Direct PAR, Total PAR Wind speed, Tair, Air relative humidity São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Itatinga, SP Fev 2008 até Ag 2009 (5 a 6 anos) Kissoko, Congo Nos 3 povoamentos Evapotranspiração real (ETR), fluxos de calor sensiveis (H), e fluxos de CO2 foram estimados por “eddy-covariance” Em Itatinga, ETR foi também estimado por balanço no solo Young 81000V Li7500 Eddy fluxos: Li-7500; 3D sonic anemometers Young 81000V Dados brutos processados com EdiRe Fev 2008 até Ag 2009 (5 a 6 anos) Kissoko, Congo Hinda, Congo Abr 2004 até Abr 2006 (2 a 4 anos) Jan 2001 até Jan 2002 (2 a 4 anos)

O desafio: quantificar os componentes do C emitido Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas O desafio: quantificar os componentes do C emitido Respiração Fotossíntesis Inverno Outros estudos no Brasil: Amazonia + eucalipto-cerrado-cana São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Variabilidade dos fluxos de C Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Variabilidade dos fluxos de C na escala do talhão 750m 725m 1 2 3 4 6 5 7 8 9 11 10 12 Balanço de Carbono em 12 parcelas Biomassa destrutiva (n=55) Decomposição de tocos (n=20) Respiração de solo (a cada 15 dias) Queda de serapilheira (15 dias) Serapilheira depositada (anual) Torre São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Projeto EUCFLUX, Itatinga (SP) Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Projeto EUCFLUX, Itatinga (SP) WNPP (produção de madeira) aumenta com a GPP (fixação bruta de C) devido a: um aumento de carbohidratos produzidos(GPP); (B) um aumento da partição para WNPP. (C) O TBCF não muda com GPP no gradiante de produtividade. Consistente com outros resultados no Brasil (rede BEPP) Otávio C. Campoe et al. 2010 São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Medições automáticas da Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Medições automáticas da Respiração do solo Chuva Chuva São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Uso de água = evapotranspiração real Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Uso de água = evapotranspiração real Opinião pública Florestas nativas: alta ETR é bom! ? Eucaliptos: alta ETR é mal! Para plantações de Eucalyptus, altas ETR significam: POSITIVO: Perdas de nutrientes baixas Úmidade da atmosféra NEGATIVO: Se ETR > chuvas: vazão dos rios São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Copa das árvores vista de 10 m de profundidade Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Copa das árvores vista de 10 m de profundidade São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Não teve drenagem a prof. > 5 m Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Não teve drenagem a prof. > 5 m The time course of soil water content measurements over the rotation at the two sites made it possible to parametrize an hydrological model (Hydrus 1D). Results showed that deep drainage occur in the Congolese sandy soils with low stocking density (530 trees ha-1) but not in the Brazilian stand from age 1 year onwards. It is important to keep native vegetation or other land uses in the catchments afforested with eucalypts in Brazil if the maintenance of the stream flow is required for socio-economical constraints. São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas ETR medida por eddy-covariance ETR corr. (mm d-1) Chuvas (mm) CAS 0-10 m (mm) Dias desde o 01/01/2008 The time course of soil water content measurements over the rotation at the two sites made it possible to parametrize an hydrological model (Hydrus 1D). Results showed that deep drainage occur in the Congolese sandy soils with low stocking density (530 trees ha-1) but not in the Brazilian stand from age 1 year onwards. It is important to keep native vegetation or other land uses in the catchments afforested with eucalypts in Brazil if the maintenance of the stream flow is required for socio-economical constraints. São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Comparação entre ETR acumulada avaliada por eddy-covariance e por balanço de água no solo ETR acumulada (mm) Dias desde 01/01/2008 Boa correspondência entre ETR estimada pelo método de eddy-covariance e ETR estimado pelo balanço de água no solo até 10 m de profundidade (corrigindo pelo balanço radiativo) Absorção baixa de água além de 10 m de profundidade ou no lençol freático. São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Medições na escala da folha no Congo Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Medições na escala da folha no Congo y = 14.642x + 0.1058 R 2 = 0.72 y = 9.0948x + 0.0195 = 0.64 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 A*RH/Ca Conductancia (mol.m-2.s-1) PF1 UG PF1 1-41 Para uma mesma fotossíntesis e condições ambientais, a conductancia estomática (e a perda de água por área de folha) é maior para o clone PF1 que o clone UG. UG Eficiência de Uso da Agua do UG > EUA do PF1 São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas 1 2 3 BRASIL Itatinga Kissoko Hinda Radiações globais (MJ m-2 ano-1) 6342 4494 4220 Radiações líquidas (MJ m-2 ano-1) 3834 2754 2724 Pluviometria anual (mm ano-1) 1360 1125 1200 ETR (mm ano-1) 747 648 Drenagem profunda (mm ano-1) 378 552 LAI (m2 m-2) 3,2 2,4 1,4 Produção de madeira do tronco (t MS ha-1 ano-1) 18,5 16,6 11,4 EUA para produção de madeira do tronco (g MS kg-1 H20) 2,2 1,8 BRASIL CONGO 1 Fortes variações de ETR em função da distribuição das chuvas, solo, adubação, material vegetal,… 2 ETR aumenta com a produção de madeira e o sequestro de C 3 Entretanto, achamos fortes variações de EUA => perspectivas: produção de madeira e ETR São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Nivel do lençol freático Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Nivel do lençol freático Piezometro instalado até 20 m de profundidade + 4 m 3 piezometers were installed in a commercial plantation before clear cutting and the water table was observed at a depth of 18-19m. A rise of 4 m of the water table was observed after clear cutting. A recharge of the soil occurs after the harvest. This large pool of water will have be used by the trees during the first years after planting and we be important to maintain the growth during dry periods. Subida de 4 m do lençol freático após colheita Corte raso © Floragro São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Exploração do solo pelas raizes finas (diâm. < 1 mm) Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Exploração do solo pelas raizes finas (diâm. < 1 mm) 100 200 300 400 500 600 100 200 300 400 500 600 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Idade : 1 ano Idade : 2 anos Fine root development: a major role to explain the behaviour of Eucalyptus trees ! Original aspect of CIRAD work Mean densities of fine roots (diameter < 1 mm) counted in squares of 25 cm2 on trench walls (down to the depth of 10 m) in Brazil. A very fast soil exploration by roots is shown (down to 6 m 1 year after planting). It has probably a strong functional role to take up water in deep soil layers during droughts and to avoid losses of nutrients by deep drainage in nutrient-poor soils. Soil solution chemistry monitoring showed that eucalypt trees behave as filters of nutrients: losses by deep drainage are < atmospheric deposits throughout the rotation 20% Argila 40% Argila Eucalyptus: um filtro eficiente! Idade : 3.5 anos Idade : 6 anos

Um crescimento simétrico em cima e abaixo do solo durante a rotação Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Um crescimento simétrico em cima e abaixo do solo durante a rotação Altura das árvores Altura media (m) Profundidade máxima das raizes = 85% da altura das arvores Quantitative data on fine root densities in very deep soil layers are very scarce. We showed in Brazil a strong relationship between tree height and the maximum depth reached by fine roots throughout the rotation. At our study site, the water table was reached by fine roots 3.5 years after planting but the density of fine roots remained very low up to the end of the rotation. Prof. da fronte radicular (m) Prof. maxima das raizes Idade do povoamento (meses) São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Balanços de nutrientes e fertilidade do solo Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Balanços de nutrientes e fertilidade do solo No Congo, os balanços de nitrogênio são fortemente negativos e dependem muito do método de colheita Tronco sem casca colhido Arvore enteira colhida Cenários de colheita: Cenario 1: Tronco sem caca. Cenario 2: Tronco sem caca + galhos. Cenario 3: Tronco com casca. Cenario 4: Arvore enteira. Entradas – saidas (kg ha-1 rotação-1) In Congo: budgets over the rotation are highly unbalanced for nitrogen (in red). Important to limit biomass removal from the plots: only de-barked stemwood (+ firewood if necessary for socio-economical purposes). N fertilizer inputs will have to increase over successive rotations. Cenário 1 Cenário 2 Cenário 3 Cenário 4 Método de colheita Mais conservativo São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Balanços de nutrientes e fertilidade do solo Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Balanços de nutrientes e fertilidade do solo Em Itatinga, as adubações conduzem a um aumento dos estoques de nutrientes no solo. excepto para nitrogenio se a casca e os galhos são exportados dos talhões. Balanços (kg ha-1) N P K Ca Mg ITATINGA - Tronco sem casca colhido - Tronco com casca colhido - Tronco + galhos grossos colhidos - Arvore enteira colhida 24 -11 -21 -124 20 15 14 7 99 81 76 51 406 306 299 276 220 199 197 184 Positive budgets in brazil for most of the nutrients are a result of large fertilizer applications. In some situations liming could probably be reduced. However, soil solution chemistry throughout the rotation showed the lack of chemical pollution of surface waters. Possibilidade de reduzir a adubação? São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Lixiviação de nutrientes e parcelamento da adubação Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Lixiviação de nutrientes e parcelamento da adubação Fluxos de K+ (kg ha-1 ano-1) CONGO ITATINGA Deposição total CsD + Et Em solos arenosos (90% de areia no Congo e 75% em Itatinga) as perdas a 3 m de profundidade são < deposições atmosféricas. Abaixo Serap. Prof. 15 cm Prof. 50 cm Prof. 100 cm In Congo: budgets over the rotation are highly unbalanced for nitrogen (in red). Important to limit biomass removal from the plots: only de-barked stemwood (+ firewood if necessary for socio-economical purposes). N fertilizer inputs will have to increase over successive rotations. Prof. 200 cm Qual é o parcelamento da adubação a aplicar nas empresas? 0-1 AP 6-9 AP 1-2 AP 2-3 AP 3-4 AP Prof. 300 cm Prof. 400 cm Prof. 600 cm Laclau et al., 2010 São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Substituição do K+ pelo Na+ Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Substituição do K+ pelo Na+ Madeira do tronco (Mg MS ha-1) Idade do povoamento (anos) Primeira vez que uma resposta positiva ao aporte de NaCl foi demostrada em floresta; Custo do NaCl < 20% do custo do KCl; Uma adubação misturando KCl e NaCl poderia ser promissora para as empresas; Pesquisas necessarias para entender os processos envolvidos. In Congo: budgets over the rotation are highly unbalanced for nitrogen (in red). Important to limit biomass removal from the plots: only de-barked stemwood (+ firewood if necessary for socio-economical purposes). N fertilizer inputs will have to increase over successive rotations. Almeida et al., 2010 Na idade de 6 anos: Biomassa de madeira x 1,5 com aplicação de NaCl; Biomassa de madeira x 2,2 com aplicação de KCl. São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Modelagem espacial dos balanços de C, água e nutrientes Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Modelagem espacial dos balanços de C, água e nutrientes Sensoriamento remoto Inventario florestal Mapas de solo Meteorologia Modelo ecofsiológico na escala do talhão Mudança de escala Simulações dos balanços de C, água e nutrientes na escala do talhão Parameterização do modelo para cada talhão Simulações na escala regional São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas O modelo G’Day “Simples” mas com uma descrição dos principais processos biofísicos entre as plantas e o solo. Doutorado: C. Marsden São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Parameterização sobre uma rotação completa em Itatinga (E.E. Esalq) representativa da silvicultura nas empresas 04 05 06 07 08 09 10 5 15 20 25 30 35 Yearly cumulative flux (tC ha -1 yr ) Cumulative net primary production 03 100 200 300 400 500 600 Plant Available Water (mm) Soil Water 0-5m 40 50 Ano tC ha Carbon in biomass compartments 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Deposição de serapilheira simulated leaf fall measured leaf fall simulated branch fall meaured branch fall simulated bark fall measured bark fall simulated Stem C measured Stem C simulated leaf C measured leaf C simulated plant C measured plant C measured PAW500 simulated PAW500 simulated NPP measured NPP Produtividade primaria líquida acumulada Agua no solo 0–5 m Carbono nos compartimentos das árvores São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Integração no modelo G’Day Validação com medições destructivas Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Integração no modelo G’Day Validação com medições destructivas LAI estimado inversando as imagens MODIS São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Biomassa do tronco (t C ha-1) Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Biomassa do tronco (t C ha-1) G’Day com LAI forçado pelo sensoriamento remoto 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Sim = 0.86*Med+ 6.79 r 2 =0.91; p<0.001; RMSE=3.99 tC ha-1 Simulado (t C ha-1) Proportion de la variance expliquée par l’âge seule, âge + SW, age+SW+LAI Variance accounted for 0.67 ; 0.73 ; 0.8 Medido (t C ha-1) São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI

Pesquisas prioritárias ao curto prazo: Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Pesquisas prioritárias ao curto prazo: Estudar os efeitos das interações entre os ciclos de C, água e nutrientes sobre o funcionamento das árvores; Experimento cruzando redução de chuva com disponibilidade de nutriente (E.E. da Esalq em Itatinga) Very simplified conclusions !

Pesquisas prioritárias ao curto prazo: Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Pesquisas prioritárias ao curto prazo: A intensificação ecológica da produção; Experimentos com plantações consorciadas de eucaliptos e acacias (E.E. da Esalq em Itatinga + empresas florestais) Very simplified conclusions !

Muito obrigado pela atenção Introdução Carbono Água Nutrientes Modelagem Perspectivas Muito obrigado pela atenção Desde 2008: Recursos: - Obtidos: Empresas do IPEF (10), ANR - CIRAD (França), + apoio técnico da USP; - Submetidos: Temático FAPESP, Agreenium (França); Bolsas de doutorado: FAPESP (2), CNPq (1), CAPES (1), CIRAD-INRA (2); Publicações: > 20 artigos em revistas internacionais; A lista está disponivel sob demanda! If you are interested, you can check out our scientific publications, which explain our work, procedure and results in much more detail ! São Paulo, 14 de outubro de 2010 - Bunge Fundação - CIRAD-USP-CRDPI