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1 L M F Lab Manejo Florestal L M F Lab Manejo Florestal L M F Lab Manejo Florestal L M F Lab Manejo Florestal NOÇÕES BÁSICAS DE MANEJO FLORESTAL Apoio CNPq e Fapeam 2 Autores Niro Higuchi Joaquim dos Santos Roseana Pereira da Silva Adriano N. Lima Liliane M. Teixeira Vilany M.C. Carneiro Cristina A. Felsemburgh Edgard S. Tribuzy Flavia Durgante 3 Índice Geral Conteúdo PARTE I ................................................................................................................................ 4 O MÍNIMO DE ECOLOGIA PARA O MANEJO FLORESTAL ....................................... 4 Capítulo 1 - conceitos básicos ............................................................................................ 5 Capítulo 2 – A árvore ......................................................................................................... 8 Capítulo 4 - Dinâmica florestal (introdução) ..................................................................... 24 Capítulo 5 - Dinâmica florestal (sucessão) ........................................................................ 28 Capítulo 6 - Análise de dimensão, produção primária líquida e Ciclagem de nutrientes .... 34 Capítulo 7 - Desenvolvimento e crescimento de plantas ................................................... 45 PARTE II ............................................................................................................................. 51 O MÍNIMO DE ESTATÍSTICA PARA O MANEJO FLORESTAL .................................... 51 Capítulo 8 – Conceitos gerais ........................................................................................... 51 Capítulo 9 – Organização dos dados ................................................................................. 58 Capítulo 10 – Medidas descritivas .................................................................................... 63 Capítulo 11 – Distribuição amostral da média ( x _ ) .......................................................... 72 Capítulo 12 - Estimando a média da população ................................................................ 80 Capítulo 13 – Algumas variáveis aleatórias utilizadas em manejo florestal ....................... 89 Capítulo 14- Cadeia de Markov para predizer a dinâmica da floresta amazônica ............ 121 Parte III .............................................................................................................................. 137 Manejo florestal na Amazônia ............................................................................................ 137 Capítulo 15- Amazônia: Mitos, as várias Amazônias e Potencialidades .......................... 138 CAPÍTULO 16- Principais tipos florestais da Amazônia brasileira ................................. 157 CAPÍTULO 17- Desenvolvimento sustentável: a experiência do setor madeireiro .......... 165 CAPÍTULO 18- Manejo florestal sustentável na Amazônia brasileira ............................ 181 1. CONCEITOS ................................................................................................................. 181 CAPÍTULO 19- O Setor Florestal da Amazônia Brasileira: Exploração Florestal Seletiva e o Mercado Internacional de Madeira Dura Tropical ........................................................ 198 CAPÍTULO 20- Convenções, Acordos Internacionais e Certificação ............................. 198 4 PARTE I O MÍNIMO DE ECOLOGIA PARA O MANEJO FLORESTAL A floresta é o conjunto de árvores. Algumas espécies arbóreas são bem conhecidas e amplamente utilizadas na indústria florestal. A maioria nem tanto. Da árvore, tudo poderia ser aproveitado (raiz, caule, casca, galhos, folhas e frutos). No entanto, a madeira do caule é o principal produto atualmente; tem escala de mercado e liquidez financeira. Aproveitável ou não, a árvore para sobreviver e se desenvolver interage com os outros seres vivos, sem perder de vista a relação intrínseca com os fatores do ambiente e do solo. Tentar manejar uma floresta sem este conhecimento é apostar no fracasso. A floresta que está sendo explorada na Amazônia tem, aproximadamente, 1500 anos de idade (Chambers, et al. 1998), que foi desenvolvida sobre solos pobres em nutrientes. A exuberância da floresta em contraste com a fertilidade dos solos pode ser explicada pela capacidade da floresta em conservar e reciclar nutrientes. A Parte I da apostila de manejo florestal apresenta algumas noções básicas de ecologia florestal. No entanto, se você considerar este mínimo de conhecimento ecológico, antes e durante o manejo florestal, você poderá minimizar os impactos ambientais ... e isto é econômico. A combinação de economia e minimização de impactos ambientais pode ser obtida utilizando-se das melhores técnicas de manejo florestal, da exploração florestal até a industrialização. A grade curricular dos cursos de engenharia florestal já contempla todas essas etapas, é tudo uma questão de foco. Portanto, dos quatro pilares da sustentabilidade do manejo florestal (técnico, econômico, ecológico e social), fica faltando apenas o social. Infelizmente, este tema não será abordado nesta apostila. A recomendação é colocar como questão de fundo para o manejo florestal, o conceito de desenvolvimento sustentável, que é apresentado na Parte III. Assuma o compromisso em deixar para as futuras gerações, a mesma oportunidade que você está tendo, hoje, em aproveitar os recursos florestais. 5 Capítulo 1 - conceitos básicos 1. Ecologia (Grego: oikos = casa; logos = estudo): é o estudo do “lugar onde se vive” com ênfase no padrão das relações entre todos os organismos e o ambiente (Odum, 1983). 2. Ambiente: é a soma de todos os fatores bióticos (vivos) e abióticos que rodeiam e potencialmente influenciam um organismo. 3. Ecossistema: abrange todos os organismos vivos que funcionam em conjunto interagindo com o ambiente (não vivo), em uma determinada área, de tal forma que um fluxo de energia produza estruturas bióticas definidas e uma ciclagem de nutrientes ocorra entre os fatores bióticos e abióticos (Odum, 1983). 4. Fisiologia da planta: é o estudo dos processos da vida de várias partes da planta. Estes processos estão relacionados com o metabolismo, desenvolvimento, movimento ou reprodução vegetal. 5. Citologia da planta: é a investigação dos eventos que ocorrem dentro das células. 6. Bioquímica: é a análise da estrutura química final dos seres vivos e dos processos da vida. 7. Auto-ecologia: lida com a adaptação e comportamento da espécie individual ou população em relação ao seu meio ambiente. Pode ser interpretado como sinônimo de ecologia fisiológica ou ecofisiologia. 8. Sinecologia: é o estudo das comunidades em relação ao meio ambiente. Sinônimos: ecologia de comunidade, fitossociologia, geobotânica ou ecologia da vegetação. 9. Vegetação: consiste de todas as espécies de plantas numa região (flora) e se refere ao padrão de como todas as espécies estão espacial e temporalmente distribuídas. 10. Forma de vida: (i) o tamanho, a duração da vida, a presença de lenho de um táxon; (ii) o grau de independência de um táxon; (iii) a morfologia de um táxon; (iv) os traços das folhas do táxon; (v) a localização dos brotos perenes e (vi) fenologia 11. Fisionomia: é a combinação da aparência externa + estrutura vertical incluindo arquitetura de copas + forma de vida das taxa dominantes. 12. Formação: um tipo de vegetação que se estende sobre uma grande região. A formação pode ser subdividida em associações. 13. Associação: é a coleção de todas as populações de plantas co-existindo com um dado ambiente. A associaçãotem os seguintes atributos: (i) composição florística relativamente 6 fixa; (ii) exibe uma fisionomia relativamente uniforme e (iii) ocorre num tipo de habitat relativamente consistente. 14. População: é um grupo de indivíduos de mesma espécie ocupando um pequeno habitat capaz de permitir o cruzamento entre todos os membros do grupo. 15. Sociologia de plantas: a descrição e o mapeamento dos tipos de vegetação e comunidades. 16. Dinâmica de comunidades: uma outra fase de sinecologia que inclui processos como transferência de nutrientes e energia entre membros, relações antagônicas e simbióticas entre membros e os processos e causas da sucessão. 7 Referencias Bibliográficas Chambers, J. Q.; Higuchi, N.; Schimel, J. P. 1998. Ancient trees in Amazon. Nature. Vol 391. Pg. 135-136. ODUM, E.P. 1983. Ecologia. Guanabara Koogan, Rio de Janeiro. 8 Capítulo 2 – A árvore Para Hallé et al. (1978), a árvore não pode considerada meramente como um indivíduo num determinado ponto no tempo, mas como um indivíduo geneticamente diverso em processo de desenvolvimento e mudanças, que responde, de várias maneiras, às flutuações do clima e micro-clima, à incidência de insetos, fungos e outros parasitas, particularmente às mudanças ao redor dela mesma. A árvore é então vista como uma unidade ativa e adaptável e, a floresta, é feita de um vasto número de tais unidades interagindo entre si e com os fatores do solo e do clima. A função de uma árvore em sua eco-unidade (unidade de regeneração) florestal deve ser considerada, pois a árvore participa na construção da eco-unidade e contribui com a sobrevivência da mesma, ou seja, a árvore reage a todos os inputs bióticos e abióticos vindos de seu biótipo natural (Oldeman, 1991). O ambiente da árvore não consiste apenas de fatores abióticos determinados pelos fatores climáticos e de solos (Oldeman, 1991). Esses fatores são filtrados pela vegetação circundante composta de um mosaico de fragmentos (manchas) de floresta jovem, em construção, madura e em decomposição. E, dentro de uma particular mancha, os nutrientes e a energia são filtrados novamente por vários organismos, antes de alcançar a árvore sob consideração. 2.1. A espécie vegetal no complexo ambiental: O desenvolvimento histórico das espécies e das formações vegetais está relacionado com uma interrelação estreita com os fatores determinantes ambientais. Essa relação se manifesta de modo que, as formações florestais mudam sua composição, por exemplo, em função da dinâmica do ambiente, dado por mudanças climáticas e desenvolvimento dos solos (Andrae, 1978) . (i) A Lei do Mínimo A presença e o sucesso de um organismo ou de um grupo de organismo em determinado ambiente dependem de complexas condições. Qualquer condição que se aproxime de ou exceda os limites de tolerância é uma condição limitante ou um fator limitante (Odum, 1983). Ou seja, se uma substância que é essencial para o desenvolvimento dos organismos estiver presente em quantidades próximas ao mínimo necessário, tende a ser um fator limitante. “O crescimento e/ou a distribuição da espécie é dependente de um fator ambiental mais criticamente em demanda”. 9 (ii) A teoria da tolerância “Toda espécie de planta é capaz de existir e reproduzir com sucesso somente dentro de um limite definido de condições ambientais.” O limite de tolerância está relacionado tanto com a insuficiência de algum material como com o excesso, sendo calor, luz e água bons exemplos de materiais essenciais. Contudo, os organismos apresentam um mínimo e um máximo ecológicos, que representam os limites de tolerância (Odum, 1983). Portando, os organismos podem apresentar uma larga faixa de tolerância para um fator e uma estreita para outro. Os organismos que tenham faixas de tolerância longas para todos os fatores serão provavelmente os mais amplamente distribuídos; quando as condições não são ótimas para uma determinada espécie em relação a um fator ecológico, os limites de tolerância poderão ser reduzidos para outros fatores ecológicos. Os limites de tolerância não podem ser determinados a partir de um exame dos fatores morfológicos; em vez disso, eles são relacionados com os fatores fisiológicos que podem ser somente medidos experimentalmente. A distribuição relativa da espécie com limites similares de tolerância aos fatores físicos é determinada finalmente pelo resultado da competição (ou outra interação biótica) entre as espécies. Ex: testes de estresse, realizados em laboratórios ou no campo, nos quais os organismos são submetidos a uma variedade experimental de condições; trabalhos que demonstram mudanças na composição das espécies, biomassa ou estrutura da floresta relacionadas com variações topográficas (Oliveira- Filho & Fontes, 2000; Castilho et al. 2006; Costa et al. 2008 ). (iii) A espécie taxonômica: Uma espécie consiste de grupos de indivíduos morfológica e ecologicamente similares que podem ou não ser cruzados, mas que são reprodutivamente isolados de outros grupos. O taxonomista tradicional enfatiza a morfologia (aparências externas), mas os biosistematas dão mais ênfase à isolação reprodutiva. (iv) A espécie ecológica: É o produto da resposta genética de uma população a um habitat – ecótipo ou tipo ecológico ou raça ecológica. São populações de uma mesma espécie que apresentam grande dispersão geográfica, mas que estão fisicamente separadas. (v) População: 10 Conjunto de indivíduos da mesma espécie que vive em um território cujos limites são em geral delimitados pelo ecossistema no qual essa população está presente. As populações são entidades reais cujos atributos distribuição espacial, densidade, estrutura etária, taxas de crescimento (produto líquido entre taxas de natalidade, mortalidade e migração) bem como suas relações de interdependência (simbioses) podem ser estimadas quantitativamente em condições naturais ou experimentais. (vi) Habitat Lugar onde uma espécie (ou mais de uma) vive. Neste local, os organismos encontrarão, além do abrigo das intempéries do meio físico e de eventuais ameaças biológicas (predação), alimento e condições para reprodução. (vii) Nicho ecológico: Além do espaço físico, inclui também o papel que determinada espécie desempenha em um habitat; papel funcional na comunidade (Odum, 1983). Na realidade, o conceito pode ser desdobrado em vários outros, dependendo do modo como é descrita a distribuição da espécie. Podem ser usados critérios ligados ao uso do espaço, à posição do organismo na cadeia alimentar ou ainda um conjunto de diferentes fatores ambientais, ex: temperatura, umidade, pH, solo, etc. 2.2. Fatores ambientais: (i) Radiação solar: Do sol vem, direta ou indiretamente, a luz que torna possível a fotossíntese, e o calor que aquece o ar e o solo permitindo a continuação dos processos de vida da planta. A árvore precisa de, pelo menos, 1 a 2% de plena luz para se manter. A briga permanente é ter o máximo de luz para acentuar os ganhos pela fotossíntese em cima das perdas pela respiração. Por meio do processo fotossintético, a energia radiante é fixada em energia química potencial utilizada por todos os componentes da cadeia alimentar para realizar os processos vitais. a) A natureza da radiação solar que atinge a Terra: A radiação solar fundamentalmente governa a temperatura do ar e, desse modo, indiretamente determina as condições térmicas ao redor e dentro da planta. A quantidade e a qualidade de luz são muito importantes para a fotossíntese. A radiação solar controla muitos processos do desenvolvimento, agindo como um sinal para, por exemplo, a germinação, o crescimento direcionado e a forma externa da planta. 11 b) O balanço de energia:O ambiente por meio dos fatores climáticos, transfere energia para todos os seres vivos. Este fluxo de energia que determina o balanço de energia da planta e que afeta a sua temperatura é acompanhado primariamente pela radiação solar e terrestre, convecção e transpiração. Cada processo pelo qual a energia é transferida entre uma planta e o meio ambiente pode causar ganho ou perda de energia, mas a soma total da energia transferida tem que estar equilibrada. A energia do ambiente captada pela planta pode ser armazenada como calor ou convertida em energia fotoquímica pela fotossíntese; e pode ser perdida ao ambiente pela radiação da planta, pela condução do calor ou convecção ou pela evapotranspiração (combinação da evaporação da superfície do solo e a transpiração das plantas). c) A luz e o crescimento das árvores A biosfera recebe a radiação solar em comprimentos de onda de 0.3µm a aproximadamente 10,0µm (Odum, 1983). Em média, 45% da radiação proveniente do Sol se encontra dentro de uma faixa espectral de 0.18-0.71µm, a qual é utilizada para a fotossíntese das plantas (radiação fotossinteticamente ativa, RFA). A importância mais óbvia da radiação solar é a dependência da vida em relação à fotossíntese, a qual, por sua vez, depende da luz. A luz é a radiação solar nas bandas do visível do espectro eletromagnético. As bandas do visível vão de 0,4 a 0,7µm (1 µm = 1 x 10-6 m), com as cores visíveis entre 0,4-0,5 (azul); 0,5-0,6 (verde) e 0,6-0,7 (vermelho). A cor, a forma e o arranjo das folhas afetam a habilidade relativa de diferentes espécies em competir sob dada condição de luz. Ponto de compensação => é o nível de CO2 que está em perfeito equilíbrio (nem tira e nem coloca), ou seja, é o ponto que os ganhos fotossintéticos se equilibram com as perdas pela respiração. d) A luz e a morfologia da árvore As plantas que crescem sob sombra desenvolvem estrutura e aparência diferentes daquelas que crescem sob plena luz, por exemplo, folhas de sol com maior assimilação de CO2 por área foliar enquanto que folhas de sombra possuem maior área foliar ( Rossato et. al, 2010). Quando as folhas sob sombra são repentinamente expostas à plena luz, no caso de desmatamento (por exemplo), elas são incapazes de sobreviver. A parte aérea das plantas recebe radiação de vários tipos e por todos os lados: radiação solar direta, radiação que sofre espalhamento na atmosfera, radiação difusa em dias nublados 12 e radiação refletida da superfície do solo. A forma de crescimento, tipo de ramificação, e a posição da folha condicionam a luminosidade da copa. A maioria das plantas ordena sua superfície de assimilação de forma que poucas folhas recebam radiação solar direta permanentemente, assim a maior parte das folhas se encontra parcialmente sombreada (Lacher, 2000). As plantas se adaptam modificando-se de acordo com as condições de radiação preponderante durante a morfogênese. A diferenciação fenotípica de órgãos e tecidos geralmente não é reversível. Se as condições de radiação mudam no caso de desmatamento (por exemplo), posteriormente, novos ramos são produzidos e as folhas dos ramos originais não adaptadas senescem e sofrem abscisão. e) Fotocontrole e a resposta da planta Fotoperiodismo => é a resposta da planta ao comprimento relativo do dia e da noite e as mudanças neste relacionamento ao longo do ano. A duração do período luminoso de um dia é denominada fotoperíodo enquanto que o período escuro corresponde ao nictoperíodo. As respostas sazonais são possíveis porque os organismos vegetais são capazes de “perceber” o período do ano em que se encontram, pela detecção do comprimento do dia. (ii) Temperatura Pouca atividade biológica ocorre abaixo de zero e acima de 50º C. Os fatores que influenciam a variação em temperatura são: latitude, altitude, topografia, proximidade à água, cobertura de nuvem e vegetação. A capacidade de grandes corpos d’água de absorver a energia solar e re-transmitir mais lentamente faz com que os extremos de temperaturas do dia e da noite não sejam tão acentuados, ou seja, verão e inverno menos rigorosos. O oposto ocorre no deserto, por exemplo, aonde a reflectância da luz é maior e a absorção é menor, deixando o dia muito quente e a noite muita fria, ou seja, da mesma maneira (velocidade) que o ambiente é aquecido, a dissipação do calor, quando cessa a incidência de luz, é igualmente rápida. As plantas regulam as suas temperaturas pela dissipação da energia absorvida e, dessa maneira, previnem-se da excessiva acumulação de calor e morte. Os 3 principais mecanismos são: re-radiação, transpiração e convecção. a) Temperatura na superfície do solo A exata temperatura da superfície do solo depende da taxa de absorção da energia solar e a taxa com que é dissipada, uma vez absorvida. Isto, por sua vez, depende 13 primariamente da quantidade de vegetação e cobertura da serapilheira e, em segundo, da cor, conteúdo de água e outros fatores físicos do solo, se exposto. b) Temperatura dentro da floresta Quando as árvores estão com todas as folhas, os extremos dentro da floresta são geralmente menores do que fora da mesma e a diminuição da radiação dentro da floresta pode resultar em menores médias da temperatura do ar. c) A temperatura e o crescimento da planta Os processos mais influenciados pela temperatura são: - a atividade enzimática que catalisa as reações bioquímicas, especialmente fotossíntese e respiração. - a solubilidade do CO2 e o O nas células das plantas - transpiração - a habilidade de raízes em absorver água e minerais do solo. Todas as fases dos diferentes regimes de temperatura – temperatura do dia, temperatura da noite, somas de calor e termoperiodismo (diferença entre as temperaturas do dia e da noite) – também afetam o crescimento da planta. O arranjo das folhas e a orientação das mesmas, uma resposta à intensidade da luz, podem reduzir a quantidade de energia solar absorvida podendo impedir o superaquecimento da folha. d) Formas de vida A importância da sobrevivência durante os períodos desfavoráveis tem levado a uma classificação ecológica das formas de vida baseada na condição de dormência da planta sob condições climáticas desfavoráveis para o crescimento. Exemplo de classificação: sempre verde, decíduas, perenes e anuais. (iii) Água A água é a substância inorgânica mais requisitada pelas plantas e a sua presença nas mesmas é muito grande, em média 40% de seu peso total (Silva, 2007). A precipitação é a principal fonte da umidade do solo, que é a principal fonte d’água que alcança a árvore. Na atmosfera, a água está sempre presente na forma de vapor d’água. A troca de vapor d’água entre a planta e a atmosfera acontece ao longo dos gradientes da pressão do vapor. A 14 transpiração ocorre quando a água é vaporizada e se move para fora das folhas (alta pressão) e se misturando com o ar circundante (baixa pressão). A precipitação ocorre quando a massa de ar quente é esfriada abaixo do seu ponto condensação. Este esfriamento pode resultar de correntes de ar que chegam a altas elevações como ocorre quando as massas de ar frio estão presas sob o ar quente ou quando o ar quente avança sobre o ar frio (frente quente); isto ocorre quando o ar úmido passa por cima das superfícies quentes da Terra (precipitação convencional) e quando as correntes de ar passam por cima das massas de terra elevada (precipitação orográfica). Se a condensação ocorre abaixo do ponto de congelamento, a neve é formada; se acima deste ponto, ocorre a chuva. A proximidade ao oceano, a temperatura e os teores de umidade das massas de ar, a elevação, latitude e o relacionamento entre as mudanças sazonais determinam a quantidade, tipo e distribuição da precipitação.Na floresta, 20% da chuva é comumente interceptada pela copa, de onde pode ser absorvida pela folhagem, ser evaporada, pode pingar diretamente no solo ou escorrer pelo tronco. A água no solo disponível à planta existe na categoria gravitacional. O fornecimento da água à planta é realizado pela matriz sólida e a água do material poroso interagindo com a capilaridade (conjunto de fenômenos que se passam quando num capilar se forma uma interface líquido-vapor) e a adsorção (fixação das moléculas de uma substância na superfície de outra substância). O movimento da água no solo depende da interação entre o potencial da água no solo e condutividade hidráulica. Alguns mecanismos que as plantas usam para minimizar o efeito do estresse hídrico: (i) decíduas de seca (folhas presentes somente durante os períodos de baixo estresse), (ii) efêmeras (dormentes, como sementes, durante o período de estresse), (iii) ripárias (aquelas que crescem perto de áreas com grande disponibilidade de água); (iv) sempre verde (quando há uma fonte perene de água). a) As relações da água da planta O solo vai secando gradualmente conforme a água é removida das raízes adjacentes; dessa maneira, restringe a absorção até que a planta não pode mais extrair a água do solo (potencial osmótico da planta = potencial da água do solo) – isto é o ponto que a planta alcança uma pressão de turgescência igual a zero e murcha. Mantendo este processo de secagem do solo, a fotossíntese gradualmente diminui como uma resistência ao aumento da tomada de CO2 por causa do fechamento dos estômatos. 15 Isso vai causar a diminuição do crescimento porque a pressão de turgescência é necessária para a expansão total de novas células. Sob severo estresse hídrico, são inibidas: a respiração, a síntese de proteínas e vários outros processos envolvendo as reações químicas – por causa da desnaturação da proteína. b) Troca de vapor d’água entre a planta e a atmosfera A água se moverá da planta para a atmosfera quando a pressão do vapor da planta é maior do que a da atmosfera. Isto é normal durante o dia sem chuvas. A água pode também mover da atmosfera para a planta quando as pressões de vapor são inversas, como num dia chuvoso ou quando o orvalho cobrir uma planta que não esteja completamente túrgida. Normalmente, não há troca de vapor d’água durante a noite. Como o ar dentro da folha é normalmente saturado sob condições de crescimento, o vapor moverá das folhas para o ar circundante a menos que o ar externo esteja também saturado na mesma ou numa temperatura maior => a transpiração acaba ocorrendo. A taxa de transpiração é diretamente dependente da planta e da temperatura do ar, da umidade relativa do ar e o movimento do ar que afeta a espessura da camada de ar que circunda a superfície da folha. A transpiração é similar a evaporação, exceto quando o movimento do vapor d’água da célula da planta é controlado a ponto de afetar a resistência das folhas que não estão envolvidas na evaporação. Este é o processo dominante na relação da água das plantas porque é assim que é fornecido o gradiente de energia que causa o movimento para dentro e por meio das plantas. (iv) A floresta e o clima da Amazônia A floresta tem uma relação intrínseca com o clima. Os processos biológicos e ecológicos que determinam a produção e a produtividade de uma floresta dependem do clima e dos solos. O clima, por sua vez, é influenciado pela floresta da seguinte maneira: diminuição da temperatura em seu interior e acima dela; diminuição da umidade relativa do ar e possível alteração no regime de chuvas em áreas com cobertura florestal. Atualmente, sob as chancelas da Convenção do Clima e Protocolo de Quioto, a interação floresta x clima passou a ser oportunidades de negócios e motivos de disputas políticas entre países ricos e pobres. As plantas que originalmente se desenvolveram graças às condições primárias do ecossistema em evolução, hoje são partes integrantes e fundamentais para o equilíbrio 16 estabelecido, fornecendo por meio da evapotranspiração os 50% do vapor d'água necessário para gerar o atual nível de precipitação. Outros 50% vêm do Oceano Atlântico (Salati e Ribeiro, 1979). Para esses autores, embora não se tenham ainda dados que permitam prever com precisão as conseqüências da substituição ou simples destruição da cobertura florestal da região, algumas previsões são possíveis: - O desmatamento reduzirá o tempo de permanência da água na bacia, por diminuir a permeabilidade do solo e conseqüentemente o seu armazenamento em reservatórios subterrâneos. A redução do período de trânsito das águas determinará inundações mais intensas durante os períodos chuvosos, enquanto que a diminuição dos reservatórios subterrâneos, reduzirá a vazão dos rios nos períodos secos. - 50% da precipitação da região é proveniente da evapotranspiração da floresta. Por meio deste processo, a floresta aumenta o tempo de permanência da água no sistema, devolvendo para a atmosfera na forma de vapor, a água presente no solo. Uma outra cobertura, cuja evapotranspiração não substitua a inicial da região determinará uma menor disponibilidade de vapor na atmosfera e, em conseqüência, uma redução na precipitação, especialmente nos períodos mais secos. - Uma redução da precipitação de 10 a 20% será suficiente para induzir profundas modificações nos atuais ecossistemas. - A energia solar que incide na região é em média 425 cal/cm2/dia e é, em grande parte (50 a 60%), utilizada no trabalho de evaporação das águas, por meio de da transpiração das plantas. No caso de desmatamento em grande escala, o balanço de energia será alterado. Dessa maneira, parte da energia que hoje é utilizada neste processo, será utilizada no processo de aquecimento do solo e do ar, fazendo aumentar a temperatura do ar. - As regiões tropicais absorvem mais radiação solar do que perdem por emissão de ondas longas. No caso de desmatamento, os padrões de evapotranspiração irão se alterar (provavelmente diminuirão). Tais mudanças acarretarão sensíveis modificações no micro, meso e clima global por meio da alteração do balanço de energia de circulação (transporte do calor dos trópicos para os pólos - células de Hadley). - A pressão parcial do CO2 na atmosfera é determinada pela interação deste gás com o oceano que libera e absorve CO2 numa velocidade muito grande. Em apenas algumas dezenas de anos, todo o CO2 da atmosfera é renovado por meio deste dinâmico processo de interação 17 por troca molecular com o oceano. No entanto, a partir do início deste século, o equilíbrio deste processo foi rompido pela atividade humana. As causas deste aumento são principalmente a queima de combustíveis fósseis, o aumento populacional e a destruição das florestas. A floresta amazônica representa aproximadamente 20% do reservatório de carbono da biomassa do planeta. De acordo com Victória et al. (1991), do total de gases causadores do efeito estufa emitidos para a atmosfera, o CO2 contribui com cerca de 50% que, por sua vez, é o gás que tem as fontes de origem mais bem definidas e estudadas. Do total de CO2 emitido, cerca de 80% vem da queima de combustíveis fósseis e 20% da queima de florestas, principalmente de países tropicais em desenvolvimento. (v) Fatores do solo O solo tem um papel de fundamental importância nos ciclos da natureza, participando, direta e indiretamente da maioria das atividades que ocorrem no planeta. A qualidade do solo pode ser amplamente definida como a capacidade do solo de aceitar, estocar e reciclar água, nutrientes e energia. O solo além de sustentar fisicamente as plantas, é intermediário no fornecimento de água, oxigênio e nutrientes às plantas, através das raízes. Seus componentessão: grãos minerais, matéria orgânica, água e ar. A primeira fase da formação do solo é a intemperização da rocha matriz e, a segunda, é a intemperização bioquímica. A formação do solo depende do clima, organismos, topografia, rocha matriz e tempo, conforme o desenvolvimento do perfil do solo, que se fecha com o desenvolvimento dos horizontes do solo. Em regiões temperadas, 4 horizontes são típicos em perfil de solo bem drenado: orgânico (O), lixiviado (A), enriquecido (B) e o horizonte não afetado (C). Os solos de regiões tropicais são normalmente altamente intemperizados e laterizados, ou seja, os horizontes não são nítidos ou paraticamente não existem. Os solos da Amazônia Central, por exemplo, são antigos, intemperizados e pobres em nutrientes, possuindo uma baixa capacidade de troca catiônica (Quesada et al. 2009). A biota do solo é composta pela macrobiota (participam da estruturação do solo facilitando a infiltração de água e a aeração do solo; é composta em sua maioria por anelídeos e cupins); a mesobiota (fragmentadores de matéria orgânica, facilitam a decomposição; composta por protozoários, nematóides, formigas e colêmbolas) microbiota (da qual fazem parte fungos e bactérias, são responsáveis pela decomposição de matéria orgânica, 18 transformando-a quimicamente). A biota do solo pode refletir o equilíbrio biológico resultante da ação de todas as propriedades físicas e químicas do solo e do ambiente. A principal rota de ciclagem de nutrientes da floresta amazônica se dá pela decomposição da serapilheira, cuja velocidade depende principalmente da época do ano. Na estação seca a decomposição é mais lenta, e ocorre acúmulo da matéria orgânica, enquanto que na estação chuvosa a decomposição é mais rápida. Outros fatores que podem influenciar na velocidade da decomposição são: a natureza da matéria orgânica, pH do solo, natureza da fração mineral, umidade e acessibilidade dos decompositores. 2.3. Interações As populações de duas espécies podem interagir de forma neutra, negativa ou positiva. A distribuição espacial da planta pode dar uma boa pista para certificar-se da interação – v. quadro 1. 19 Quadro 1 – tipos de interações, interação e exemplos. TIPOS DEFINIÇÃO EXEMPLOS COMPETIÇÃO INTER- ESPECÍFICA Ambas as espécies são prejudicadas. Para diminuir a competição as espécies ocupam nichos ecológicos diferentes. GAFANHOTO/GADO (-) (-) Vivem em um campo alimentando-se de capim, competem por esse recurso. COMPETIÇÃO INTRA- ESPECÍFICA Competição entre indivíduos da mesma espécie. PLANTAS ENDÊMICAS (-)(-) Competem entre si, mas são restritas aos habitats severos porque elas são competidoras fracas em sítios menos severos. AMENSALISMO É uma interação que prejudica um organismo enquanto o outro permanece estável. FUNGOS/BACTÉRIAS (0)(-) O fungo libera substâncias antibióticas que matam bactérias, assim o fungo evita que as bactérias venham a competir com ele por alimento. COMENSALISMO (alimento) Apenas os indivíduos de uma das espécies são beneficiados, e os de outra espécie não têm, aparentemente, nenhum prejuízo ou benefício. HIENAS/LEÕES (+)(+) As hienas acompanham, à distância, os bandos de leões, servindo-se dos restos da caça abandonados por eles. INQUILINISMO (local) EPÍFITAS/ÁRVORES (+)(+) As epífitas vivem habitualmente instaladas como “inquilinas” sobre árvores de grande porte que não sofrem qualquer prejuízo, e as epífitas conseguem, dessa maneira luminosidade. São verdes e fotossintetizantes. PROTOCOOPERAÇÃO Benefícios para ambas as espécies ainda que não seja obrigatória, ou seja, o crescimento continua ... mesmo na ausência da interação AVE/CAVALO (+) (+) A ave come os carrapatos do cavalo. MUTUALISMO É uma interação obrigatória, ou seja, a ausência da interação prejudica os dois parceiros. MICORRIZAS/PLANTAS (+)(+) Fixação simbiótica do nitrogênio (bactéria do gênero Rhyzobium) em plantas leguminosas. HERBIVORISMO É o consumo de parte ou do total de uma planta por um consumidor. GIRAFA/PLANTAS (+) (-) As girafas se alimentam das plantas, existindo, então, prejuízo para as plantas, que são devoradas parcial ou totalmente por eles. 20 Referencias Bibliográficas Andrae, F. 1978. Ecologia Florestal. Apostila de Aula. Santa Maria: UFSM Castilho, C.V.; Magnusson, W. E.; Nazaré, R.; Araújo, O. de; Luizão, R. C.C.; Luizão, F. J.; Lima, A. P.; Higuchi, N. 2006. Variation in aboveground tree live biomass in a central Amazonian Forest: Effects of soil and topography. Forest Ecology and Management 234; 85- 96. Costa, F. R. C.; Guillaumet, J-J; Lima, A. P.; Pereira, O. S. 2008. Gradients within gradients: The mesoscale distribution patterns of palms in a central Amazonian Forest. Journal of Vegetation Science 69-78. Quesada, C. A.; Lloyd, j.; Anderson, L. O.; Fyllas, N. M.; Schwarz; M.; Czimczik, C. I.. Soils of amazonia with particular reference to the rainfor sites. Biogeoscience Discussion, 6, 3851- 3921, 2009. Oliveira-Filho A. T.; Fontes, M. A. L. 2000. Patterns Of Floristic Differentiation among Atlântic Forests in Southeastern Brazil and the Influence of Climate. Biotropica 32(4b): 793- 810. Rossatto, D. R.; Takahashi, F. S. C.; Silva, L. de C. R.; Franco, A. C. 2010. Características funcionais de folhas de sol e sombra de espécies arbóreas em uma mata de galeria no Distrito Federal, Brasil. Acta Botanica Brasilica. 24(3):6 640-647. Silva, Roseana Pereira. Alometria estoque e dinâmica da biomassa de florestas primárias e secundárias na região de Manaus (AM). 2007. Tese de Doutorado. INPA/UFAM, Manaus, 152p.. 21 Capítulo 3 - Comunidades florestais (conceitos) Comunidade é um termo geral usado para designar as unidades sociológicas de certo grau de extensão e de complexidade. Formação é a maior e o mais compreensivo tipo de comunidade de plantas, como boreal, temperada, tropical etc. Cada formação é composta de várias outras comunidades distintas denominadas de associações (ex.: beech-maple, oak- hickory, pinheiro-imbuia etc.). O termo tipo florestal se refere a uma comunidade florestal definida somente pela composição do dossel. Como a comunidade ou associação pode ou não ser definida pela soma total do ecossistema, a sua designação normalmente leva em conta as características das plantas inferiores também ou, alternativamente, as características do sítio. As comunidades não são compostas de arranjos de espécies sucessivos e mutuamente exclusivos. Espécies individuais têm diferentes tolerâncias fisiológicas e genéticas e podem existir em várias comunidades diferentes. A natureza de uma dada comunidade florestal é governada pela interação de 3 grupos de fatores: (a) o sítio ou habitat disponível para o crescimento da planta; (b) as plantas e os animais disponíveis para colonizar e ocupar o sítio; (c) as mudanças no sítio e na biota durante um certo período de tempo, capaz de influenciar as estações do ano, os climas, os solos, a vegetação e os animais => em outras palavras, a história do habitat. As descrições de comunidades baseadas na fisionomia, forma de vida, superposição de nicho e outros traços funcionais são úteis porque permitem comparações de povoamentos bem separados que tem pouco ou nenhuma similaridade florística. Os tipos de chaparral da Califórnia e do Chile, por ex., têm poucas similaridades florísticas, mesmo em nível de família, mas exibem similares números de espécies, formas de crescimento, tamanho e fenologia das folhas e a % de cobertura do dossel pelas espécies suculentas e espinhentas. (i) Associação: Associação é um tipo, particular, de comunidade, que tem: (a) uma composição florística relativamente consistente,(b) uma fisionomia uniforme e (c) uma distribuição que é característica de um habitat particular. (a) A visão discreta: 22 As espécies numa associação têm os limites similares de distribuição ao longo de eixo horizontal e a maioria delas se eleva à máxima abundância no mesmo ponto – MODA. Os ecótonos (cinturões de transição) entre associações adjacentes são estreitos com uma pequena superposição do limite das espécies, exceto para poucos taxa onipresentes em várias associações. (b) A visão do continuum: Continuum significa que todas as comunidades de tipo de vegetação, por ex., floresta ou campo, poderiam ser organizadas ou ordenadas numa série abstrata da qual a composição de espécies muda gradual-tipicamente ao longo de um ou mais gradientes ambientais. A vegetação num continuum é o produto de um continuum no espaço (espécies e comunidades influenciadas pelos fatores ambientais e bióticos) e um continuum em tempo (sucessão). Entretanto, há objeções substantivas à abordagem do continuum. Alguns estudos mostram que nem a dominância de um táxon simples e nem a presença e abundância de grupos de espécies mudam abruptamente ao longo do gradiente ambiental. (ii) Métodos de amostragem de comunidades de plantas: (a) Método “releve” Cada povoamento é representado por um grande quadrado cujo tamanho tem que encontrar a exigência da área mínima. Os dados coletados incluem: cobertura, sociabilidade, vitalidade e periodicidade (importância estacional). A tabela resumo revela os traços sintetizados (presença e constância). Se a espécie X ocorre em 8 dos 10 quadrados, esta espécie tem 80% de presença. Constância, em contraste, é baseada nas espécies encontradas em transectos. A espécie X estando presente em 8 quadrados, mas em somente 6 dos 10 transectos, a constância será de 60%. (b) Métodos dos quadrados aleatórios (c) Método da distância (iii) Métodos para descrever a comunidade de plantas: (a) Tabelas As associações são definidas na base dos diferenciais ou nas espécies características que têm altos valores confiáveis e consistentes. As associações são apresentadas numa grande tabela diferenciada que é manejada para preservar a maioria dos dados originais das espécies e dos povoamentos. 23 (b) Ordenação Os dados amostrados são reduzidos em 1 ou 2 gráficos que mostra os povoamentos como pontos no espaço. Algumas limitações da forma mais simples de ordenação são parcialmente corrigidas, mas a um custo mais elevado e, às vezes, o resultado é difícil de ser interpretado ecologicamente. (c) Gradiente direto A importância das espécies é uma função de cada posição do povoamento no gradiente. Geralmente, curvas não-sincronizadas para todas espécies são produzidas. Sendo assim, o gráfico não serve para a classificação. (d) Análise de agrupamentos É o uso dos pares de coeficientes dos povoamentos para construir o dendrograma (padrões de similaridade). (e) Análise de associação Também produz um dendrograma dos relacionamentos povoamento a povoamento, mas a sua construção é baseada nas espécies diferenciais em vez dos valores dos coeficientes da comunidade. 24 Capítulo 4 - Dinâmica florestal (introdução) A população de plantas tem atributos que permite usá-los como ferramentas para avaliar o meio ambiente. Esses fatores incluem o arranjo dos indivíduos no espaço dentro de uma dada comunidade, o arranjo dos indivíduos no tempo, que é a estrutura de idade e a taxa de crescimento de uma população e o padrão de alocação de recursos dos indivíduos que caracteriza o modo de sobrevivência de uma população em um ambiente particular. Depois do corte raso, o espaço antes ocupado pela floresta, passa pelas seguintes fases: reorganização, acumulação, transição e steady-state (estabilização). (i) O arranjo dos indivíduos no espaço a) Densidade É o número de indivíduos por unidade de área. Daí = ni/A b) Padrão de distribuição O padrão de distribuição espacial de uma espécie refere-se à distribuição no espaço dos indivíduos pertencentes à dita espécie. Os indivíduos de uma espécie podem apresentar- se: aleatoriamente distribuídos, regularmente distribuídos e em grupos ou agregados. A distribuição do Poisson é usada para verificar se a distribuição é aleatória ou não. Se o teste qui-quadrado for não significante, o padrão é aleatório; caso contrário, pode ser agregado ou regular (ou uniforme). Se a população for agregada, vários quadrados poderiam ter zero ou mais do que uma planta e poucas poderia ter uma planta. Por dedução, se a população não é aleatória e nem agregada, ela é regular. O tipo de distribuição pode refletir o tipo de reprodução, irregularidade no micro-clima, os graus de competitividade e o estágio da sucessão. Uma vez que as comunidades vegetais são constituídas por um conjunto de variáveis com maior ou menor grau de inter-relação e com densidade absoluta (abundância) variável, desde comuns até raras, e dado que a maioria dos estudos fitossociológicos, se baseia em análises florísticas provenientes de amostras de comunidades que se estudam, é importante conhecer algumas das características da vegetação vinculadas ao padrão espacial das espécies e a distribuição de freqüências. (ii) Arranjo dos indivíduos no tempo: demografia 25 Demografia é a ciência ou estudo das estatísticas vitais: nascimentos, mortes, taxas reprodutivas e idades dos indivíduos na população. Diferentemente dos animais, que cessa o crescimento quando maduro (adulto), as plantas perenes possuem os meristemas primário e secundário, que, teoricamente, permitem o crescimento contínuo em comprimento e largura para sempre. Além disso, muitas plantas têm a habilidade de reproduzir-se assexuadamente. a) Ciclos de vida - Plantas anuais - Plantas bianuais - Herbáceas perenes - Arbóreas perenes - Arbustos b) Distribuições de maturidade 1) sementes viáveis 2) mudas 3) juvenis 4) imatura, vegetativa 5) madura, vegetativa 6) reprodutiva inicial 7) máximo vigor (reprodutiva e vegetativa) 8) senescente - se uma população apresentar apenas os primeiros 4 ou 5 estados, é óbvio que ela é pioneira e é parte de uma comunidade seral (em evolução). - se uma população apresentar todos os 8 estados, ela é estável e é muito provável que seja parte de uma comunidade clímax (comunidade que ganha ocupação permanente do habitat e se perpetua por si só nesse local indefinidamente). - se ela apresentar apenas os 4 últimos estados, ela pode não manter sozinha e pode ser parte de uma comunidade seral. c) Tabelas de vida 26 - Tipo I: populações têm baixa mortalidade quando jovem - Tipo II: mortalidade constante em todas idades - Tipo III: alta mortalidade quando jovem. (iii) Comportamento dos indivíduos: alocação de recursos A espécie de planta tem um padrão de alocação de recursos que minimiza as suas chances de extinção. Tais padrões têm sido mantidos e melhorados durante o processo de seleção natural. O padrão de alocação determina, em parte, o nicho de uma espécie – seu endereço funcional numa comunidade. Os organismos têm uma quantidade limitada de tempo e energia para completar o ciclo de vida. O tempo, por si só, não é alocado, mas é importante no ganho de energia fotossintética e na utilização de energia para a sua manutenção. Uma fração da energia total disponível é distribuída para cada atividade no ciclo de vida: a quantidade de tempo gasto no estado de dormência, na fase juvenil, no estágio vegetativo ou na fase madura etc. O organismo parece ficar sobre um continuum entre dois extremos de alocação de recursos: r e k. Seleção – r => planta de vida curta que amadurece rapidamente,ocupa um habitat aberto numa comunidade seral e gasta uma grande fração de seus recursos fotossintéticos para produzir flores, frutos e sementes. O tamanho de suas populações é densidade-independente, isto é, elas são reguladas por fatores físicos como fogo, inundação, congelamento, seca etc. Seleção – k => planta de vida longa que tem um prolongado estágio vegetativo, ocupa uma comunidade fechada, seral tardia ou clímax e gasta uma pequena fração de seus recursos para reprodução. O tamanho de suas populações é densidade-dependente, isto é, elas são reguladas por interações bióticas como a competição. 27 Características morfofisiológicas das estratégias evolutivas r e k (O’BRIEN & O’BRIEN, 1985) Seleção r Oportunistas Seleção k Equilíbrio Habitat Florestas sujeitas a mudanças bruscas, instáveis, de teia alimentar simples Florestas estáveis e previsíveis, com teia alimentar complexa Estágio de sucessão Início Final Mortalidade Densidade, independente, não direcionada ou catastrófica Densidade, dependente, mais direcionada Tamanho da população Não mostra equilíbrio, usualmente abaixo da capacidade de suporte do ambiente, comunidades insaturadas, recolonização periódica Em equilíbrio, constante ao longo do tempo, próximo da capacidade de suporte do ambiente, sem necessidade de recolonização Competição Variável, usualmente frouxa Usualmente forte O que a seleção favorece - Crescimento rápido - Alto índice de aumento populacional - Reprodução cedo - Porte menor - Reprodução sem padrão determinado - Diásporas pequenas em grande quantidade - Crescimento lento - Baixo índice de aumento populacional - Reprodução tardia - Porte maior - Reprodução cíclica, repetida - Diásporas grandes em pequena quantidade Dispersão Longa distância Local Longevidade Curta, poucos anos Longa, mais de 20 anos Leva à Produtividade Eficiência 28 Capítulo 5 - Dinâmica florestal (sucessão) Aos olhos dos seres humanos, a floresta amazônica parece ser estática, sem nenhuma mudança perceptível, resultando em uma paisagem monótona. Entretanto, incríveis mudanças são processadas, a todo instante, dentro de um ecossistema florestal. Das quais, nascimento e morte de indivíduos estão sempre ocorrendo. Seguindo a morte natural de uma árvore e sua queda, muitas outras são envolvidas e, ao final, aparece uma clareira. Na seqüência, há um aumento em quantidade e mudança de qualidade de luz, aumento na temperatura do solo, diminuição na umidade relativa e umidade da superfície do solo, mudanças nas propriedades do solo incluindo o aumento no processo de decomposição e disponibilidade de nutrientes, o solo mineral é exposto. Geralmente, nestas condições, as mudas estabelecidas morrem, plântulas começam a surgir, varas e arvoretas são injuriadas, algumas respondem positivamente às mudanças. As árvores crescem, a floresta é reconstruída naquela clareira, o dossel se fecha, a clareira desaparece etc. (Shuggart, 1984). Tudo muda numa clareira. A primeira resposta às mudanças é o aparecimento de mudas. Algumas são provenientes do banco de sementes, que ficam adormecidas até que as condições microclimáticas sejam favoráveis à germinação. Outras são trazidas pelo vento e encontram as condições favoráveis e germinam. E tem também a rebrota a partir de raízes ou de troncos danificados. Atrás das folhas novas e brotos surgem os animais herbívoros e atrás desses, os carnívoros, seguindo o ciclo da vida, alcançando diferentes níveis sucessionais. Para muitos ecólogos, a sucessão envolve a mudança no sistema natural e o entendimento das causas e das direções de tal mudança. “A sucessão da planta é uma mudança cumulativa direcional (em direção ao clímax) na espécie que ocupa uma dada área, com o tempo” (Barbour et al., 1980). Se mudanças significativas na composição de espécies para uma dada área não ocorrer dentro de um certo período, a comunidade é considerada MADURA ou CLIMAX. Comunidades clímax não são estáticas. As mudanças ocorrem, mas elas não são cumulativas nos seus efeitos. Se uma comunidade exibe alguma mudança direcional, cumulativa e não aleatória em um período de 1 a 500 anos, ela é considerada SUCESSIONAL ou SERAL. As comunidades serais ou espécies serão substituídas até que a comunidade CLIMAX é alcançada. A progressão inteira 29 dos estágios serais, da primeira espécie que ocupa o chão desnudo (comunidade pioneira) até a clímax, é chamada de SUCESSÃO. Os estádios sucessionais podem ser iniciais médios e avançados, nos quais pode-se observar diferentes fisionomias, distribuição diamétrica, ausência ou presença de sub-bosque, espessura da serrapilheira e diversidade biológica. (i) Tipos de sucessão: a) Primária versus secundária Primária => estabelecimento de plantas sobre áreas previamente não vegetadas. Secundária => é a invasão da terra que foi previamente vegetada; a vegetação pré- existente tendo sido destruída por perturbações naturais ou humanas. b) Autógena versus alógena Autógena (biótica) => quando a mudança do ambiente e da comunidade é causada pelas atividades dos organismos da própria comunidade. Alógena => causada pelas mudanças ambientais que vão além do controle dos organismos nativos. c) Progressiva versus regressiva Progressiva => quando a sucessão leva às comunidades a uma maior complexidade e maior acúmulo de biomassa; os habitats com mais e mais umidade (mesófilo). Regressiva => leva à direção oposta, em direção a algo mais simples, a uma comunidade mais empobrecida (com poucas espécies) e em direção a um habitat mais hidrófilo (úmido) ou a um mais xerófilo (seco) d) Cíclica versus direcional Direcional é caracterizada por uma acumulação de mudanças que levam às mudanças de comunidades amplas. Mesmo em comunidade clímax, entretanto, as mudanças sucessionais cíclicas ocorrem em uma escala muito local. Essas mudanças ocorrem porque o ciclo de vida das plantas de dossel é finito e o desaparecimento delas do dossel podem abrir o sítio para invasão de novas espécies. 30 Em algumas comunidades clímax, as formas juvenis das plantas de dossel são bem adaptadas à vida sob a árvore matriz e, quando esta morrer, ela a substituirá no dossel; em tal situação, não há sucessão local (ou cíclica). Quando o dossel pode inibir o crescimento de juvenis sob o mesmo – de sua própria espécie ou de outras – vai ocorrer a sucessão local quando a matriz morrer. e) Cronosseqüência versus toposseqüência Cronosseqüência => quando o mosaico reflete uma perturbação local e periódica ou quando reflete a exposição progressiva da nova terra, como a retração glacial – representa diferentes estágios de recuperação (estágios serais) do fogo, ventanias ou outro tipo de perturbação. Toposseqüência => quando o mosaico reflete as diferenças topográficas, como as encostas frente-sul versus frente-norte, bacias com drenagens pobres e solos de textura fina versus encostas altas com boa drenagem e solos de textura grossa etc. (ii) Métodos para documentar a sucessão A sucessão pode ser documentada usando medidas repetidas numa parcela simples ou pela referência do histórico da parcela (sítio). Um método indireto é amostragem da vegetação em várias parcelas separadas de diferentes idades. Também, a composição de espécies de mudas e arvoretas pode ser comparada com o estrato do dossel. (iii) Tendências gerais durante a sucessão a) Vegetação e qualidade do sítio - A biomassa aumenta durante a sucessão - A fisionomia aumenta em complexidade porque a variação das formas de crescimento aumenta conforme a sucessão vai avançando. - A maior armazenagem de nutrientes do sítio se move do solo para a biomassa da planta. - O papel dos desintegradores no ciclode nutrientes é potencializado durante a sucessão porque os nutrientes do solo são empobrecidos e vão ser armazenados por longo período de tempo na biomassa da planta. 31 - A velocidade do ciclo de nutrientes do solo à planta e vice-versa diminui durante a sucessão porque vários nutrientes são armazenados em partes, ainda que inertes, das plantas de longa vida. - A produção primária diminui com a sucessão - O ambiente se torna mais mesófilo (úmido) durante a sucessão. b) Estabilidade e diversidade Estabilidade = falta de mudanças => aumenta com a sucessão. Estabilidade = resistência às menores mudanças no micro-ambiente => aumenta Estabilidade = a habilidade para retornar rapidamente ao ponto de equilíbrio (homeostase) seguindo a perturbação recorrente => as comunidades pré-clímax são mais estáveis; as clímax são menos estáveis e podem levar séculos para retornar. A diversidade de espécies de plantas aumenta no início da sucessão, mas decresce em zonas temperadas na sucessão tardia conforme o dossel se fecha e um pequeno número de espécies domina o dossel. c) Autoecologia Em geral, as interações planta-animal, planta-planta e planta-micróbios ocorrem mais na sucessão tardia do que na inicial. (iv) Forças motrizes da sucessão O revezamento florístico pode ser descrito por um processo de 6 passos: 1) Desnudamento => a exposição de uma nova superfície na sucessão primária ou de corte raso na sucessão secundária. 2) Migração => de sementes, de esporos, propágulos vegetativos de áreas adjacentes; na secundária muito desses materiais já estão presentes no solo. 3) Germinação, crescimento inicial e estabelecimento de plantas. 4) Competição => entre as plantas estabelecidas 5) Reação => os efeitos autógenos das plantas sobre o habitat 6) Estabilização => clímax 32 O conceito mais simples de sucessão é aquele que a considera como um fenômeno da população que envolve a substituição gradual e inevitável de espécies oportunistas (seleção – r) com espécies de equilíbrio (seleção – k). Na ausência de qualquer perturbação, as espécies – k estão sempre em vantagem competitiva, como dominantes, sobre as espécies – r. A freqüência de perturbação espacial e temporal, entretanto, tem sido suficientemente grande para manter as espécies oportunistas e as clímax. (v) Modelos estatísticos para a sucessão florestal A maioria dos modelos tem as seguintes variáveis: - Recrutamento => brotação, produção de sementes, dispersão de sementes, germinação e crescimento de mudas até que a planta seja suficientemente grande para ser considerada como árvore. - Crescimento => aumento em altura e diâmetro da árvore - Competição geométrica => interações espaciais das árvores relacionadas à geometria atual da estrutura da árvore. Em geral, os indivíduos maiores são favorecidos na competição geométrica. - Competição por recursos => fatores limitantes de crescimento que podem limitar o desenvolvimento de todas as árvores numa floresta em um dado sítio. - Mortalidade => a morte da árvore. (vi) Modelos de clareiras Este tipo de modelo lida com nascimento ou recrutamento, crescimento e mortalidade. É muito usado para simular a composição de espécies e comportamento com o passar do tempo, em resposta às condições ambientais alteradas e para fornecer informações qualitativas das florestas. Clareira se refere a uma abertura na floresta criada pela morte de uma árvore de dossel. O ecossistema florestal maduro poderia ser visto como uma média das respostas da dinâmica de tais clareiras. A floresta é composta de um mosaico de clareiras; portanto, entendendo a dinâmica da clareira, fica mais fácil entender a dinâmica da floresta. As clareiras variam em tamanho (que influencia as condições microclimáticas dentro da clareira) e nas freqüências de ocorrências temporais e espaciais (que afetam a probabilidade de um propágulo alcançar uma clareira de um tamanho particular). 33 a) Regeneração e tamanho da clareira A queda de uma grande árvore produz uma mudança abrupta no chão da floresta em relação às seguintes variáveis: - a luz é dramaticamente aumentada em quantidade e é também alterada a qualidade com mais radiação no vermelho final do espectro eletromagnético e menos no azul final. - aumento na temperatura do solo e diminuição da umidade relativa e da superfície do solo. - mudanças nas propriedades do solo depois da formação da clareira incluindo o aumento da decomposição e a disponibilidade de nutrientes. O solo mineral é exposto. A mudança repentina nessas e em outras importantes variáveis podem matar mudas já estabelecidas que se adaptaram ao micro-clima e favorecer novas mudas, provavelmente de outras espécies. Quando uma pequena árvore cai, a clareira é pequena e pode ser preenchida pelo crescimento de árvores que estão presentes na área. Em florestas tropicais, há 3 categorias de clareira quando relacionadas com os tipos de sementes: 1) Especialistas de clareiras grandes => a semente germina sob alta temperatura e luz de grandes clareiras – as sementes são altamente intolerantes. 2) Especialistas de clareiras pequenas => as sementes são capazes de germinar sob sombra, mas exige a presença de uma clareira para crescer até o dossel. 3) Especialistas de sub-bosque => aparentemente não exigem clareiras para germinar e nem para crescer até os tamanhos reprodutivos. b) O papel das espécies na determinação dos tamanhos de clareira O tamanho da árvore que morre e produz a clareira influencia a regeneração (que influencia a composição do dossel). Portanto, há influência entre a composição do dossel e o tamanho da clareira; logo, os traços das espécies fecham este ciclo (loop) causal. Por ex., de uma espécie de árvore que exige grande clareira para regeneração espera-se um crescimento diferenciado (grande) até a sua morte. 34 Capítulo 6 - Análise de dimensão, produção primária líquida e Ciclagem de nutrientes Este capítulo é praticamente dedicado aos estudos de biomassa (acima do nível do solo e abaixo do nível do solo) e a sua dinâmica. Neste caso, o grupo de manejo florestal superou o da ecologia. Há vários trabalhos publicados, o método para estimar biomassa e os modelos já desenvolvidos está descritos na Parte II desta apostila, item 13.4. 6.1. Importância dos estudos de biomassa As estimativas de biomassa florestal são informações imprescindíveis nas questões ligadas, entre outras, às áreas de manejo florestal e de clima. No primeiro caso, a biomassa está relacionada com os estoques de macro e micronutrientes da vegetação, que são obtidos pelo produto da massa pelas concentrações de cada mineral. No caso do clima, a biomassa é usada para estimar os estoques de Carbono, que, por sua vez, são utilizados para estimar a quantidade de CO2 que é liberada à atmosfera durante um processo de queimadas. O manejo florestal está associado ao uso sustentável dos recursos florestais existentes, para atender às demandas da sociedade, por produtos madeireiros e não-madeireiros. Tratando-se de Amazônia, os cuidados têm que ser redobrados porque estes recursos estão em ecossistemas heterogêneos, complexos e frágeis. Os solos da Amazônia são antigos e, em sua maioria, pobres em nutrientes (especialmente para a agropecuária) e ácidos. A contrastante exuberância de sua cobertura florestal está associada às estratégias de conservação e de ciclagem de nutrientes dentro do próprio sistema. É importante conhecer a distribuição de nutrientes nos diferentes compartimentos (tronco, galho, casca, folha), para controlar a exportação dos mesmos pela colheita florestal e entrada via “inputs” atmosféricos e, com isto, minimizar os impactos ambientais da produção madeireira. Para as questõesclimáticas, há grande interesse em quantificar a biomassa que é convertida, principalmente em dióxido de carbono, pelas diferentes formas de uso do solo amazônico (Fearnside et al., 1993, Foster Brown et al., 1995, Higuchi & Carvalho Jr., 1994, Skole et al., 1994, Schroeder & Winjum, 1995 e Fearnside, 1996). Esta informação é necessária para uma correta avaliação da contribuição dos projetos de desenvolvimento da região, no processo de mudanças climáticas globais, no âmbito da Convenção do Clima, assinada pelo 35 Governo Brasileiro durante a Conferência das Nações Unidas sobre Desenvolvimento e Meio Ambiente, Rio-92. Para estudar biomassa é importante revisar estudos primários como o ciclo do carbono e o ciclo do nitrogênio. 6.2. Como estimar a biomassa As estimativas de biomassa, atualmente disponíveis na literatura, dos diversos tipos florestais da Amazônia, vêm de estudos que se utilizam de métodos diretos e indiretos. O método direto consiste na derrubada e pesagem de todas as árvores que ocorrem em parcelas fixas, fornecendo estimativas, que segundo Brown et al. (1989), não são confiáveis porque baseiam-se em poucas parcelas, pequenas e tendenciosamente escolhidas. No método indireto, as estimativas têm sido produzidas a partir de dados de inventários florestais, que foram executados com a finalidade de planejar a exploração e o manejo florestal, sendo o volume da madeira, a principal variável. Neste método, a biomassa é estimada a partir do volume da madeira, usando-se a densidade média da madeira e um fator de correção para árvores com DAP < 25 cm. Estes dois métodos ainda geram muita polêmica e controvérsias e produzem estimativas desencontradas, mesmo quando se usa o mesmo banco de dados (Fearnside et al., 1993, Brown et al., 1989 e Higuchi et al., 1994 e Foster Brown et al., 1995). A tabela 1 ilustra o que foi posto anteriormente. Esta tabela foi parcialmente reproduzida de FEARNSIDE et al. (1993), considerando apenas a biomassa viva acima do nível do solo. São produzidas estimativas diferentes, com o passar do tempo, pelos mesmos autores e para o mesmo banco de dados (montado nos anos 70). Além disso, Foster Brown et al. (1995) criticam estes bancos de dados, afirmando que as alturas das árvores foram obtidas sem aparelhos de medição e que, estes erros não amostrais não são mencionados. Tabela 1: Algumas estimativas de biomassa para a floresta densa da Amazônia brasileira*. Tipo de floresta local biomassa (t) Fonte Densa (RADAMBRASIL) Amazônia 268 Brown & Lugo (1992a) ) – cf. fonte* Densa (FAO) Amazônia 162 Brown & Lugo (1992a) - cf. fonte* Densa (RADAMBRASIL) Amazônia 289 Brown & Lugo (1992b) - cf. fonte* Densa (FAO) Amazônia 227 Brown & Lugo (1992b) - cf. fonte* Densa (presente) Amazônia 142.3 Fearnside (1992a) - cf. fonte* 36 Densa (presente) Amazônia 319.9 Fearnside (unpub. 1993) - cf. fonte* (*) Fonte: parcialmente reproduzida de Fearnside et al. (1993) O consenso existente entre os pesquisadores que trabalham com biomassa é de que é praticamente impossível determinar a biomassa de cada árvore, pelo método direto, ao executar um inventário florestal. Por esta razão, os recursos da análise de regressão para o desenvolvimento de modelos estatísticos, para estimar a biomassa de árvores em pé, devem ser empregados para superar este problema. Salomão et al. (1996) citam apenas dois modelos estatísticos utilizados na Amazônia; um proposto por Sandra Brown e colaboradores e, outro, proposto por Christopher Uhl e colaboradores. O primeiro requer o conhecimento da densidade da madeira de cada indivíduo, que é praticamente impossível obte-la durante o inventário; e o segundo, é recomendado para florestas secundárias. Além destes, há o modelo de Overman et al. (1994), para a floresta amazônica colombiana, desenvolvido principalmente para árvores de pequenos diâmetros. O método para estimar biomassa que é atualmente utilizado pelo LMF está descrito no item 13.4. 6.3. Modelos alométricos Como é impossível estimar biomassa com o método destrutivo, a solução é desenvolver modelos alométricos para estimar a biomassa de árvores em pé e de raízes. O LMF desenvolveu equações alométricas para árvores de diferentes espécies e classes diamétricas da floresta densa de terra-firme, região de Manaus (AM), tanto da parte aérea como de raiz (Santos, 1996; Higuchi et al. 1998; Silva, 2007) e em diferentes fitofisionomias como a campinarana (Woortmann, 2010). Para o desenvolvimento dos modelos alométricos é necessário derrubar a árvore, cubá-la, separar em compartimentos (tronco, galhos grossos, galhos finos, folhas, frutos), pesar tudo e obter o peso fresco da árvore. Como variáveis independentes no modelo são possíveis utilizar o DAP, e a altura. Uma parte do material depois de pesado é selecionada enviada ao laboratório onde são determinados os teores de água da amostra a o teor de carbono. Deste modo a equação fornece o peso fresco da árvore, mas é possível descontar o teor de água e obter o peso seco e multiplicar pelo teor de carbono e descobrir quanto de carbono há na área. A equação do LMF para floresta de terra firme (Silva, 2007) pode ser ajustada para outros locais. Este ajuste é realizado com a altura dominante (Lima, 2010), que é indicativa de qualidade de sítio. A equipe do LMF encontra a altura dominante com o inventário da madeira caída 37 (Rocha, 2010). Pois estimar a altura das florestas na Amazônia é uma atividade que agrega alto erro não amostral. É quase impossível visualizar o topo da árvore que está sendo medida e estimar a altura no “chute” é menos aceitável ainda. 6.4. Produção primária líquida (NPP) a) Estimativa de biomassa Para a estimativa de biomassa é necessário primeiramente a alometria do peso fresco para posteriormente converter massa fresca em massa seca e esta para estoque de carbono. Utiliza-se como variável dependente da equação, o peso da massa fresca (não seca) e como variáveis independentes, diâmetro à altura do peito (DAP) e altura total de árvores individuais. O principal atributo dos modelos é o tamanho da árvore e, por esta razão, têm que absorver a alta diversidade florística e as diferentes associações botânicas, distribuições espaciais e densidades da madeira (intra e interespecíficas), da vegetação de terra-firme (onde a equação foi gerada). Alguns modelos alométricos testam o uso de densidade da madeira como variável independente do modelo. Porém, medir a densidade da madeira em árvore em pé na floresta não tem sido viável. Os equipamentos de campo possuem limitações, pois até conseguem medir árvores de baixo a médio grau de densidade, porém em árvores com densidade de média a alta o equipamento faz muito esforço e quebra, inviabilizando a coleta desta variável no inventário florestal. Ainda, podemos observar na tabela abaixo a variação da densidade da madeira em toda a árvore e comparar com a densidade obtida na altura do DAP. Tabela 6.4.1: Informações sobre densidade da madeira Espécie 0% 25% 50% 75% 100% média DAP 1 0,856 0,790 0,757 0,753 0,718 0,775 0,824 2 0,696 0,697 0,683 0,650 0,684 0,682 0,706 3 0,879 0,903 0,866 0,741 0,724 0,823 0,913 4 0,536 0,521 0,509 0,499 0,471 0,507 0,546 5 0,681 0,678 0,640 0,640 0,615 0,651 0,700 6 0,818 0,807 0,806 0,653 0,704 0,758 0,838 7 0,725 0,707 0,711 0,693 0,704 0,708 0,717 8 1,027 0,990 0,946 0,929 0,961 0,971 1,015 9 0,891 0,870 0,862 0,862 0,846 0,866 0,896 10 0,571 0,533 0,485 0,445 0,367 0,480 0,528 11 1,077 1,033 1,000 0,987 1,056 1,031 1,059 12 0,891 0,870 0,807 0,716 0,846 0,826 0,896 média 0,804 0,783 0,756 0,714 0,725 0,756 0,803 desvio 0,167 0,163 0,159 0,159 0,191 0,165 0,168 38 mín. 0,536 0,521 0,485 0,445 0,367 0,480 0,528 máx. 1,077 1,033 1,000 0,987 1,056 1,031 1,059b) Produção abaixo do nível do solo Para reconhecer a biomassa viva abaixo do nível do solo, é necessário gerar uma equação espécifica para biomassa de raízes. Utiliza-se a medição e peso de raízes até 2 mm pois o IPCC (2006) afirma que raízes finas (menores que 2 mm) são de difícil separação empírica (Woortmann, 2010). A metodologia para determinação de biomassa de raízes esta descrita no item 13.4. 6.5. Distribuição da biomassa É possível observar a distribuição de biomassa nos diferentes compartimentos da árvore, sendo o tronco que representa 69% da biomassa da parte aérea de uma árvore, em segundo os galhos finos com 17%, galhos grossos com 11% e as folhas são apenas 3%. Figura 6.5.1: Contribuição (%) de cada parte (tronco, galho grosso, galho fino e folhas) ao peso total acima do nível do solo de uma árvore. (Silva, 2007). Ainda podemos observar a relação da composição (%) da biomassa viva da floresta primária da região de Manaus com relação a parte aérea e raízes. Devido a estrutura desta floresta em média 74% da biomassa da árvore é parte aérea e 26% são raízes. Possivelmente em outros tipos de vegetação, como o cerrado essa proporção será muito diferente. 39 Figura 6.5.2: Repartição (%) da biomassa viva total acima e abaixo do nível do solo (Silva, 2007). 6.6. Ciclagem de nutrientes Grande parte da floresta amazônica desenvolve-se sobre solos muito pobres em nutrientes e a sua manutenção depende fundamentalmente, de sua capacidade de conservar e reciclar os principais elementos que necessita por meio de mecanismos capazes de compensar as perdas de nutrientes (Schubart et al., 1984). Essas características podem dar, à primeira vista, a impressão de uma contradição com a sua exuberante cobertura florestal (Walter, 1979). De fato, quase todas as reservas de nutrientes exigidas pela floresta estão contidas na fitomassa acima do nível do solo. Cada ano, uma parte dessa fitomassa cai, é rapidamente mineralizada e, os nutrientes liberados, são imediatamente reabsorvidos pelas raízes. As grandes reservas nutricionais contidas na fitomassa das florestas virgens dependem de seu capital acumulado durante o tempo que a rocha matriz não estava ainda intemperizada. A elevada eficiência na reciclagem de nutrientes minerais é correlacionada com alta diversidade biológica. A reciclagem de nutrientes se contrapõe à lixiviação dos solos, pois representa um mecanismo de conservação de nutrientes no ecossistema; ao mesmo tempo, promove a produtividade biológica, mantendo o bom estado nutricional das plantas. O conhecimento disponível permite concluir que a manipulação dos recursos florestais da 40 Amazônia no sentido de uma redução drástica da sua diversidade biológica poderá ter conseqüências indesejáveis, tanto ecológicas quanto econômicas (Schubart et al., 1984). Diante dessas condições, Jordan (1991) questiona: como as florestas tropicais úmidas sobrevivem num ambiente que tem um grande potencial para perdas de nutrientes? Parece que um número de mecanismos se desenvolveu nas espécies tropicais que as capacitam a minimizar as perdas. Alguns dos mais importantes mecanismos de conservação de nutrientes de espécies tropicais são as árvores e o ecossistema subterrâneo. Das árvores, os mecanismos são: (i) grande biomassa das raízes; (ii) concentração de raízes perto da superfície; (iii) raízes aéreas; (iv) o relacionamento simbiótico entre as raízes de plantas superiores e os fungos micorrízicos; (v) tolerância aos solos ácidos; (vi) a cinética da tomada de nutrientes - como a disponibilidade de nutrientes no solo é baixa, as espécies com baixa exigência sobreviverão e crescerão, ao contrário de espécies com alta exigência como culturas anuais e pastagens; (vii) longa vida das espécies tropicais, que permite a tomada de nutrientes além de suas necessidades imediatas durante as estações de abundância de nutrientes, para usar mais tarde em períodos de escassez; (viii) morfologia e fisiologia da folha que reduzem a necessidade de absorção de nutrientes em substituição de folhas que caíram ou foram comidas; (ix) alelopatia; (x) translocação rápida de nutrientes das folhas para os ramos; (xi) eficiência do uso de nutrientes; (xii) padrão reprodutivo que não somente regula o uso de nutrientes como também pode manter populações de predadores de sementes em níveis relativamente baixos; (xiii) alta concentração de sílica na superfície do solo pode ser um importante mecanismo para assegurar um suprimento de fosfato para as raízes superficiais; (xiv) epífitas que têm um relacionamento mutualístico com as árvores, de tal maneira que as folhas fornecem suporte físico para as epífitas que, por sua vez, aumentam a disponibilidade de nutrientes para as folhas; (xv) "drip tips" que podem reduzir a quantidade de água sobre a folha e, conseqüentemente, a lixiviação potencial. Segundo ainda Jordan (1991), o mecanismo anterior de conservação de nutrientes parece ter evoluído em espécies como um resultado das pressões de seleção em ambientes pobres em nutrientes. Os mecanismos parecem capacitar indivíduos para superar, em parte, as limitações impostas pela baixa fertilidade do solo e baixo pH. Há um outro mecanismo em florestas naturais que também conserva nutrientes. Em contraste com os mecanismos associados com espécies de árvores, este mecanismo pode ou não ter sido desenvolvido como um resultado das pressões 41 seletivas num ambiente de baixa fertilidade. Independente disso, ele serve para reduzir as perdas de nutrientes do ecossistema inteiro e parece ser mais importante em solos pobres em nutrientes do que em solos ricos em nutrientes. Este mecanismo é a comunidade de organismos que vivem sobre a superfície do solo e dentro do ambiente do solo mineral. Em florestas não perturbadas, os nutrientes liberados pelas plantas e animais mortos normalmente não movem diretamente as micorrizas e raízes das árvores, mas, em vez disso, passam por uma série inteira de ciclos de pequena escala ou "espirais" dentro da porção de matéria orgânica do solo, similares aos espirais de nutrientes em igarapés. Os ciclos às vezes começam com os artrópodes. As partículas passam pelos seus sistemas digestivos, os compostos orgânicos são trocados, freqüentemente por simbiose, por compostos mais simples que são mais facilmente utilizados por outros organismos do solo. A decomposição pode também começar com a invasão do tecido por bactérias e fungos. Se as concentrações de nutrientes nos tecidos são baixas, os fungos podem ser os primeiros invasores. Como as exoenzimas excretadas das hifas dos fungos quebram os compostos orgânicos complexos, a colonização de bacteriana pode ser favorecida. Os nutrientes no solo são relativamente susceptíveis a perdas quando eles estão na solução do solo, ou quando são adsorvidos sobre superfícies de argila mineral. Em contraste, os nutrientes incorporados nos tecidos de organismos da comunidade subterrânea podem não ser facilmente perdidos pela lixiviação, volatilização ou reação com ferro e alumínio, no caso do fósforo. 42 Bibliografia: Barbour, M.G., Burk, J.H. e Pitts, W.D. 1980. Terrestrial plant ecology. The Benjamin/ Cummings Publishing Co. 604p. Brown, S., A.J.R. Gillespie e A.E. Lugo. 1989. Biomass Estimation Methods for Tropical Forests with Applications to Forest Inventory Data. Forest Science, 35(4):881-902. Fearnside, P.M., N. Leal Filho e F.M Fernandes. 1993. Rainforest Burning and the Global Budget: Biomass, Combustion Efficiency, and Charcoal Formation in the Brazilian Amazon. J. of Geophysical Research, 98(D9):16733-16743. Fearnside, P.M. 1996. Amazonian Deforestation and Global Warming: Carbon Stocks in Vegetation Replacing Brazil’s Amazon Forest. Forest Ecology and Management 80:21-34. Foster Brown, I., L.A.
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