aula4

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Fluxo e Balanço de Energia 
nos Ecossistemas 
Universidade Federal do Paraná 
Setor de Ciências Agrárias 
Departamento de Solos e Engenharia Agrícola 
AL321 – ECOLOGIA AGRÍCOLA 
Profa. Fabiane Machado Vezzani 
Energia 
• Cinética: associada ao movimento - matéria em 
movimento tem E Cinética. 
– Ex: água corrente, eletricidade (elétrons que fluem através 
de um fio ou outro material condutor) e vento (uma massa de ar em 
movimento, que podemos usar para produzir eletricidade). 
• Potencial: armazenada e potencialmente 
disponível para uso 
– Ex: pedra que a mão segura, água em um 
reservatório atrás de uma represa, energia química 
armazenada nos átomos de C do carvão, petróleo. 
 
Energia (E) 
Capacidade de executar trabalho. 
Comportamento da Energia: 
• Descrito pelas leis da termodinâmica: 
– 1ª Lei: Conservação da E: E pode ser 
transformada de uma forma para outra, mas 
não pode ser criada, nem destruída. 
– 2ª Lei: Entropia: nenhuma transformação 
espontânea de E (luz solar) em E potencial 
(protoplasma) é 100% eficiente, porque alguma 
parte da E sempre será dispersada sob a 
forma de E térmica não disponível (calor). 
Duas Leis da Termodinâmica: 
Odum & Barrett, 2007. 
1ª Lei: conversão E sol 
em E alimentar 
2ª Lei: dissipação E 
na forma de calor 
(C < A) 
Fluxo de Energia na Cadeia Alimentar 
Uma sequencia de organismos, cada um servindo 
como fonte de energia e alimento para o próximo. 
 Determina como a E passa! 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
Teia Alimentar: 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
Consumidores: 
Alimentam-se de mais de um 
tipo de organismo. 
 
Organismos: 
Comidos ou decompostos 
por mais de um tipo de consumidor. 
rede complexa 
de cadeias alimentares. 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
Estudar 
Fluxo de E 
Rede alimentar: 
Como inicia o fluxo de energia? 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
 
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Energia 
clorofila 
E sol 
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 
Fotossíntese: 
Respiração: 
- Sintetizar proteínas 
- Manter concentração dos íons nas células 
- Mover-se 
e… calor! 
Toda energia solar é transformada 
 em biomassa? 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
De toda a radiação solar que chega na superfície da Terra, apenas 
uma fração pode ser convertida, através da fotossíntese, 
para energia do ecossistema. 
Fotossíntese 
Radiação Solar 
Eficiência da conversão de 
E solar em biomassa 
Vegetação 
% Radiação Solar atinge a superfície 
convertida em biomassa / ano (safra) 
Trigo 0,2 
Arroz 0,3 
Milho 0,5 
Dados citados em Gliessman, 2000. 
- Eficiência muito baixa – variações: morfologia, fisiologia e eficiência FS; condições cultivo. 
- Plantas agrícolas mais eficientes, mas raramente > 1%. 
Eficiência da conversão de 
E solar em biomassa 
Vegetação 
% Radiação Solar atinge a superfície 
convertida em biomassa / ano (safra) 
Trigo 0,2 
Arroz 0,3 
Milho 0,5 
Dados citados em Gliessman, 2000. 
- Eficiência muito baixa – variações: morfologia, fisiologia e eficiência FS; condições cultivo. 
- Plantas agrícolas mais eficientes, mas raramente > 1%. 
Produtividade Primária Bruta: 
taxa em que os produtores podem 
converter energia solar em energia química. 
Ricklefs, 2003. 
Produtividade Primária 
Taxa na qual a energia solar é convertida, pela 
fotossíntese, em substâncias orgânicas. 
 
 
• Ocorre por meio dos produtores: 
– Plantas 
– Algas 
– Algumas bactérias 
 
Base das 
cadeias alimentares 
• Produtividade Primária Bruta – PPB: 
 E total assimilada durante a FS. 
 
• Produtividade Primária Líquida – PPL: 
 PPB - E utilizada para a Respiração. 
 
– Energia acumulada na planta 
que está disponível para os outros níveis tróficos. 
Produtividade Primária 
Variação na capacidade dos 
ecossistemas produzir biomassa 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
PPL 
x 
Temperatura 
x 
 Precipitação 
Tyller Miller, 2013. Porque organismos diferentes vivem em lugares diferentes!!! 
Quantidade de E na base define a 
cadeia alimentar! 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
Ricklefs, 2003 
N
ív
e
is
 t
ró
fi
c
o
s
 
Pirâmide de Energia 
– Modelo de Cadeia Trófica – 
Ricklefs, 2003 
N
ív
e
is
 t
ró
fi
c
o
s
 
Pirâmide de Energia 
– Modelo de Cadeia Trófica – 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
Pirâmide de Energia 
% PPL para Herbívoros e Matéria Orgânica Morta 
– diagramas de caixa – 
Towsend et al., 2010. 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
Por que a eficiência da cadeia alimentar é de apenas 10 % ? 
Odum & Barrett, 2007. 
La=luz absorvida pela cobertura vegetal 
A=assimilação total 
SP=produção secundária (consumidor) 
NU= E não utilizada 
E= E não digerida (egestão) 
I= ingestão 
B=biomassa 
kcal m-2 dia-1 
Diagrama fluxo de E em 3 níveis tróficos: 
Eficiência da cadeia alimentar depende destas relações !!! 
10 % 
Biomassa: 
crescimento e 
reprodução 
Por que a eficiência da cadeia alimentar é de apenas 10 % ? 
Eficiências de Transferência 
• As proporções de PPL que fluem ao longo 
de cada uma das possíveis rotas de 
energia dependem das Eficiências de 
Transferência: 
– Eficiência de Consumo 
– Eficiência de Assimilação 
– Eficiência de Produção 
Fonte: Towsend et al., 2010. 
Eficiência de Transferência Trófica: 
…de um nível trófico para outro é: 
 
E.T.T. = E.C. * E.A. * E.P. 
 
 
E.T.T. 10 % - Tyller Miller & Spoolman, 2012 
E.T.T. ~ 10 % - Towsend et al., 2010 
E.T.T. 5 a 20 % - Odum & Barret, 2007 
Fonte: Towsend et al., 2010. 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
Por isso... não mais que 4 – 5 níveis! 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
Diversas fontes! 
 
…menos tigres do que 
insetos nas florestas tropicias! 
 Animais a campo: locais inapropriados à agricultura, 
 conversão que humanos não fazem. 
Eficiência da conversão de 
E solar em biomassa 
Vegetação 
% Radiação Solar atinge a superfície 
convertida em biomassa / ano 
Trigo 0,2 
Arroz 0,3 
Milho 0,5 
Dados citados em Gliessman, 2000. 
Animais confinados 
(> perda E manutenção e respiração) 
Biomassa em PR: 0,8 a 5% 
0,004% 
- Eficiência muito baixa – variações: morfologia, fisiologia e eficiência FS; condições cultivo. 
- Plantas agrícolas mais eficientes, mas raramente > 1%. 
Eficiência na produção de alimentos 
 
Quantidade de pessoas que podem se alimentar em 1 ha: 
Produção vegetal Energia Proteína 
Soja 5,0 14,0 
Milho 10,4 5,2 
Arroz 14,0 7,0 
Trigo 8,4 6,3 
Batata 16,5 9,5 
Produção animal Energia Proteína 
Leite 2,5 3,0 
Carne aves 1,0 2,5 
suínos 2,0 1,4 
bovinos 1,0 1,0 
ovinos 1,0 1,0 
Fonte: Spedding, 1979 apresentado por Funes-Monzote. 
Possibilidade de alimentar pessoas 
em 1 ha 
 11-15 
 pessoas 
2-3 
 pessoas 
produção 
vegetal 
produção 
 animal 
Apresentado por Funes-Monzote. 
Tempo de Residência 
• 2º índice de dinâmica de E 
 
• Tempo de residência da E em cada nível 
trófico. 
– Quanto maior o tempo, maior a quantidade 
acumulada 
 
• Exemplo: matéria orgânica do solo 
 = sequestro de C 
Pirâmide de Energia x Qualidade da Energia 
• Quantidade E diminui 
– medida em calorias, joules, watts 
• Qualidade E aumenta 
– medida em eMergia 
Odum & Barrett, 2007. 
E dispersa E concentrada 
(> qualidade) 
Diagramarepresentativo de uma cadeia alimentar 
kcal m-2 
Diminuição da quantidade de E 
eMergia 
• Soma das energias disponíveis já usadas, 
direta ou indiretamente, para criar um 
serviço ou produto = realizar TRABALHO. 
 
– Medida da qualidade de energia ou concentração 
quanto à quantidade de um tipo de energia (como luz 
solar) necessária para desenvolver determinada 
quantidade de outro tipo (como petróleo). 
Apresentado em Odum & Barret, 2007. 
• A metodologia emergética (Odum, 1996) se propõe medir todas as 
contribuições (moeda, massa, energia, informação) em termos 
equivalentes (eMergia solar): 
– insumos: os fluxos estão em unidades diferentes! 
 
• Converter os insumos para um mesmo tipo de energia: 
– é possível somar os fluxos 
– obter o valor da energia necessária para a produção do recurso. 
– unidade de referencia a energia solar (Joules). 
– Para fazer a conversão para os fluxos equivalentes expressos em Joules 
de energia solar devemos usar os fatores de conversão obtidos por outros 
pesquisadores. 
 
 
Exemplo: para calcular a energia agregada na produção de um lápis 
devemos considerar a madeira, a tinta, o grafite, a mão de obra e os 
serviços necessários. Os fluxos desses materiais estão expressos em 
diversas unidades, possivelmente em: kg de madeira/lápis, kg de tinta/lápis, 
J de grafite/lápis, J de trabalho/lápis, $ de serviços/lápis. 
Fonte: Enrique Ortega - http://www.unicamp.br/fea/ortega/ 
Fonte: Enrique Ortega - http://www.unicamp.br/fea/ortega/ 
Fonte: Enrique Ortega - http://www.unicamp.br/fea/ortega/ 
Cadeia alimentar 
Tyller Miller & Spoolman, 2012. 
... e o SOLO neste processo? 
Funções do Solo no Fluxo de E: 
• Quantidade de Energia na base da cadeia 
– Oferecer condições biológicas, físicas e químicas 
para as plantas expressarem o potencial produtivo. 
• Cadeia decompositores: 
– Proporcionar complexidade: diversidade, resistência 
e funcionalidade. 
• Tempo de Residência: 
– Condições para “Sequestro de C” 
 
microagregação 
macroagregação 
RAÍZES 
HIFAS 
CO2 CO2 CO2 
O2 
CO2 
O2 CO2 
O2 CO2 
Adequado Funcionamento do Sistema 
Solo – Plantas – Organismos 
Funções do Solo no Fluxo de E: 
• Quantidade de Energia na base da cadeia 
– Oferecer condições biológicas, físicas e químicas 
para as plantas expressarem o potencial produtivo. 
• Cadeia decompositores: 
– Proporcionar complexidade: diversidade, resistência 
e funcionalidade. 
• Tempo de Residência: 
– Condições para “Seqüestro de C” 
 
Manejo do Solo: 
• Cultivo intensivo de plantas – espécies diferentes 
• Sem revolvimento do solo 
Gliessman, 2000. 
Fluxo de energia nos Ecossistemas Naturais 
- acionado por E solar - 
Balanço: SOL - calor 
calor 
- Trabalho 
- Fertilizantes 
- Agrocidas 
- Água irrigação 
- Combustível 
calor 
produtos 
Fluxo de energia nos Ecossistemas Agrícolas 
Gliessman, 2000. 
- acionado E solar e subsidiado pelo homem - 
Balanço: SOL + insumos energéticos - calor - produtos 
Balanço de Energia: 
Ecossistemas naturais: 
 SOL – calor 
 
Ecossistemas agrícolas: 
 SOL + insumos energéticos – calor – 
colheita / consumo 
Entradas – Saídas 
Fontes de E para produção de alimentos 
Energia Ecológica 
E solar 
p/ produção biomassa 
Energia Cultural 
E suprida pelos humanos 
p/ otimizar produção biomassa 
(fontes externas ou internas ao agroecossistema) 
Energia Cultural Biológica 
E derivada fontes humanas e animais: 
Trabalho humano e animal, esterco, sementes, ... 
Energia Cultural Industrial 
E derivada fontes não biológicas: 
Combustível, eletricidade, 
maquinários, fertilizantes, agrocidas. Gliessman, 2000. 
Balanço de Energia: 
Ecossistemas naturais: 
 SOL – calor 
 
Ecossistemas agrícolas: 
 SOL + insumos energéticos – calor – 
colheita / consumo 
Entradas – Saídas 
Importante para analisar a eficiência!! 
Eficiência do uso de E Cultural = 
quantidade E contida na matéria viva colhida 
quantidade E Cultural exigida para produzi-la 
O uso da E Cultural vale a pena ? 
A quantidade de E adicionada retornará como o produto pretendido? 
Eficiência do uso de E Cultural 
Dados apresentados em Gliessman, 2000. 
Exigência de E Cultural 
 
 
Nível de modificação 
dos processos naturais 
Fontes de E para produção de alimentos 
Energia Ecológica 
E solar 
p/ produção biomassa 
Energia Cultural 
E suprida pelos humanos 
p/ otimizar produção biomassa 
(fontes externas ou internas ao agroecossistema) 
Energia Cultural Biológica 
E derivada fontes humanas e animais: 
Trabalho humano e animal, esterco, sementes... 
Energia Cultural Industrial 
E derivada fontes não biológicas: 
Combustível, eletricidade, 
maquinários, fertilizantes, agrocidas. Gliessman, 2000. 
E Cultural Biológica 
• Trabalho humano: insumo-chave 
• Agroecossistemas que dependem desta: 
– Capazes de obter a melhor relação saída / entrada 
energia. 
– Reflexo da eficiência do trabalho humano**. 
• Agricultura de roçado: 10:1 a 40:1 
• Pastoreio: 3:1 a 10:1 
 
 
** cálculo valor energético trabalho humano = calorias de alimento 
pessoa queima enquanto trabalha. 
Plantação tradicional de milho de roçado, México. 
produção de 
machado e enxada
3%
produção sementes
7%
trabalho humano
90%
Aporte total de E Cultural Biológica: 553.678 kcal ha-1 
Conteúdo E da colheita: 
6.901.200 kcal ha-1 
Dados apresentados em Gliessman, 2000. 
12,5:1 
Eficiência aporte E Cultural Biológica 
– trabalho humano – 
Percentagem de E: 
Fontes de E para produção de alimentos 
Energia Ecológica 
E solar 
p/ produção biomassa 
Energia Cultural 
E suprida pelos humanos 
p/ otimizar produção biomassa 
(fontes externas ou internas ao agroecossistema) 
Energia Cultural Biológica 
E derivada fontes humanas e animais: 
Trabalho humano e animal, esterco,... 
Energia Cultural Industrial 
E derivada fontes não biológicas: 
Combustível, eletricidade, 
maquinários, fertilizantes, agrocidas. Gliessman, 2000. 
E Cultural Industrial 
• Direta – 1/3 do uso nos sistemas convencionais 
– Combustível para mover maquinários 
• Indireta – 2/3 do uso nos sistemas convencionais 
– Produção de maquinários, insumos, bens e serviços. 
– Produção fertilizantes – nitrogenados – maior parte. 
– Produção agrocidas: 15% 
• Qualidade mais alta que E solar ou E Cultural 
Biológica 
– Mais concentrada - maior capacidade de realizar 
trabalho: 
• Exemplo: 1 kcal combustível fóssil produz 2 mil vezes mais 
trabalho que 1 kcal radiação solar. 
Eficiência aporte E Cultural Industrial 
Produção de milho, Estados Unidos, 1980 
Dados apresentados em Gliessman, 2000. 
Conteúdo E 
da colheita: 
24.333.175 kcal ha-1 
2,9:1 
EXERCÍCIO 
Eficiência Energética 
 - no Paraná – 
(saída/entrada) 
Tipos de 
Tração* 
Milho e Feijão 
Convencional Ecológico 
Tração Mista 
Irati-PR 
3,65 5,43 
Tração Animal 
Rebouças-PR 
2,42 9,33 
Quadros, 2005. 
* Preparos do solo e semeadura. 
-Fertilizantes: 
conforme análise solo 
- Herbicidas 
- A.Verde: 
 vica, aveia 
- Sementes 
certificadas 
-Adubação 
agroecológica** 
- A.Verde: “coquetel” 
- Sementes 
próprias 
** Adubo da independência, Super-magro, fosfato natural. 
Adubo da Independência 
Apresentado em Quadros, 2005. 
Adubo Supermagro 
Apresentado em Quadros, 2005. 
Eficiência Energética 
 - no Paraná – 
(saída/entrada) 
Tipos de 
Tração* 
Milho e Feijão 
Convencional EcológicoTração Mista 
Irati-PR 
3,65 5,43 
Tração Animal 
Rebouças-PR 
2,42 9,33 
Quadros, 2005. 
* Preparos do solo e semeadura. 
-Fertilizantes: 
conforme análise solo 
- Herbicidas 
- A.Verde: 
 vica, aveia 
- Sementes 
certificadas 
-Adubação 
agroecológica 
- A.Verde: “coquetel” *** 
- Sementes 
próprias 
** Adubo da independência, Super-magro, fosfato natural. Quadros, 2005. 
Coquetel adubo verde 
Apresentado em Quadros, 2005. 
Ervilhaca 
Aveia 
Espérgula 
Nabo forrageiro 
Trevo vermelho 
Trevo vesiculoso 
Eficiência Energética 
 - no Paraná – 
(saída/entrada) 
Tipos de 
Tração* 
Milho e Feijão 
Convencional Ecológico 
Tração Mista 
Irati-PR 
3,65 5,43 
Tração Animal 
Rebouças-PR 
2,42 9,33 
Quadros, 2005. 
* Preparos do solo e semeadura. 
-Fertilizantes: 
conforme análise solo 
- Herbicidas 
- A.Verde: 
 vica, aveia 
- Sementes 
certificadas 
-Adubação 
agroecológica 
- A.Verde: “coquetel” 
- Sementes 
próprias 
** Adubo da independência, Super-magro, fosfato natural. Quadros, 2005. 
• Calcular a Eficiência do uso da E Cultural 
• Qual componente do sistema avaliado tem 
maior influência na Eficiência do uso da E 
Cultural? 
• Com base na análise destes sistemas, 
quais práticas vocês sugerem para 
aumentar a Eficiência do uso da E Cultural 
do sistema de produção agrícola? 
Exercício 
Aportes de E para produção de feijão 
em tração animal: 
Aportes de E 
Convencional Ecológico 
------------- % ------------- 
NPK 20 - 
Uréia 23 - 
Semente adubos 
verdes 
13 24 
Semente feijão 18 10 
Mão-de-obra 17 51 
Calcário 4 3 
Herbicida 5 - 
Adubação Ecológica - 12 
Adaptado de Quadros, 2005. 
Aportes de E 
Tração Mista Tração Animal 
------------- % ------------- 
Semente adubos 
verdes 
19 24 
Semente feijão 8 10 
Mão-de-obra 25 51 
Calcário 3 3 
Adubação Ecológica 10 12 
Óleo diesel 36 - 
Adaptado de Quadros, 2005. 
Aportes de E para produção 
ecológica de feijão: 
Aportes de E 
Tração Mista Tração Animal 
------------- % ------------- 
Semente adubos 
verdes 
19 24 
Semente feijão 8 10 
Mão-de-obra 25 51 
Calcário 3 3 
Adubação Ecológica 10 12 
Óleo diesel 36 - 
Adaptado de Quadros, 2005. 
Aportes de E para produção 
ecológica de feijão: 
Contribuição do óleo diesel (%) 
 na entrada de energia 
Milho Feijão 
Conv. Ecol. Conv. Ecol. 
-------------------------- % -------------------------- 
Tração 
Mista 
23 31 32 36 
Adaptado de Quadros, 2005. 
Fertilizantes - N 
Campos et al. 
Balanço E – produção feno de alfafa em SILP – Embrapa Gado de Leite 
16,3 
Fonte: Souza et al., 2007. 
Produção Batata 
Eficiência Energética produção de milho 
em sistemas orgânico e convencional em Cascavel 
Campos et al. 
62 
Santos & Simon, 2010. 
Balanço E – agroecossistema milho em plantio direto – Itaberá (SP) 
72,17 
Santos & Simon, 2010. 
Balanço E – milho em plantio direto X plantio convencional – Itaberá (SP) 
Gliessman, 2000. 
Aportes E X Retirada E 
Que forma utilizar ?? 
Sustentabilidade Agroecossistemas 
 X Balanço de E 
Forma de utilizar a E Cultural para direcionar a conversão 
da E Ecológica em biomassa. 
Diminuir E Cultural Industrial: 
- Sistemas de cultivo mínimo: menos operações 
- Práticas para redução perdas de água: ↓ irrigação 
- Rotações/associações de culturas:  resistência - ↓insumos 
 
Aumentar E Cultural Biológica: 
- utilização resíduos da propriedade 
- FBN, estercos, adubação verde 
- culturas adaptadas ao local 
Produção de alimentos com 
MAIOR Eficiência Energética: 
Gliessman, 2000. 
- Trabalho 
- Fertilizantes 
- Agroquímicos 
- Água irrigação 
- Combustível 
Funções do solo no Balanço de E ? 
Funções do Solo no Balanço de E: 
• Disponibilizar nutrientes - MOS 
• Disponibilizar água - porosidade 
• Oferecer meio adequado desenvolvimento 
plantas e organismos. 
- Reduz necessidade de E Cultural Industrial 
- Favorece os componentes da E Cultural Biológica 
Tyler Miller & Spoolman, 2012 
Os 3 princípios da Sustentabilidade: 
DEPENDER 
 do sol = fotossíntese 
REDUZIR 
o desperdício 
FOMENTAR 
 as várias 
 formas de vida 
Funções do Solo no Balanço de E: 
• Disponibilizar nutrientes - MOS 
• Disponibilizar água - porosidade 
• Oferecer meio adequado desenvolvimento 
plantas e organismos. 
Manejo do Solo: 
• Cultivo intensivo de plantas – espécies diferentes 
• Sem revolvimento do solo 
- Reduz necessidade de E Cultural Industrial 
- Favorece os componentes da E Cultural Biológica 
microagregação 
macroagregação 
RAÍZES 
HIFAS 
CO2 CO2 CO2 
O2 
CO2 
O2 CO2 
O2 CO2 
Adequado Funcionamento do Sistema 
Solo – Plantas – Organismos 
Bibliografia Complementar: 
• Capítulos de livros: 
– BEGON, M.; TOWSEND, C. R.; HARPER, J. L. Ecologia de 
indivíduos a ecossistemas. 4 ed. Porto Alegre: Editora Artmed, 2007. 
752 p. Capítulo 17 
– GLIESSMAN,S.R. Agroecologia. Porto Alegre: Ed. 
Universidade/UFRGS, 2000. Capítulo 18 
– ODUM, E.P.; BARRET, G.W. Fundamentos de Ecologia. São Paulo: 
Thomson Learning, 2007. Capítulo 3 
– RICKLEFS, R.E. A economia da natureza. Rio de Janeiro: Ed. 
Guanabara Koogan S.A., 2003. Capítulo 6 
– TOWSEND, C. R.; BEGON, M.; HARPER, J. L. Fundamentos em 
Ecologia. 3 ed. Porto Alegre: Editora Artmed, 2010. Capítulo 11 
– TYLER MILLER, G. Ciência Ambiental. Trad. 11. ed. norte-americana. 
São Paulo: Cengage Learning, 2013. Capítulo 3 
– TYLER MILLER, G.; SPOOLMAN, S.E. Ecologia e sustentabilidade. 
Trad. 6. ed. norte-americana. São Paulo: Cengage Learning, 2012. 
Capítulo 3