Present and future pools of soil carbon, nitrogen and phosphorus in the brazilian Cerrado

Abstract

The Cerrado is considered the richest savannah in the world, which can be attributed to its great physiognomic variation. Soil fertility gradients have helped to explain the occurrence of these physiognomies, although there is still much to be understood, including the influence of different forms of limiting nutrients for the Cerrado. Associated with this climate models project that the central region of the Cerrado could suffer substantial reduction in precipitation in coming decades which may beinfluence its biogeochemical functioning. Therefore, this PhD.thesis is divided in three chapters that respectively have the following objectives: (1) Characterize the vegetation in the different Cerrado Physiognomies, and to assess how it relates to soil N (total, of microbial biomass /MBN,ofthe dissolved organic matter/DON, and inorganic/NH4- N e NOs-N), P (total P) and C (total C) pools, as well as to the total phytomass (aboveground biomass, fine roots and litter production); (ii) to understand how soil N and P pools vary among seasons, and how they will be affected by forecasted changes in precipitation; and (iii) to describe the main growth patterns of the functional groups in Cerrado woody species (Leguminous species — LEG; Calcicole species — CAL; Other savanna species — OTR)and assess how they might be affected by forecasted reductions in precipitation. Forthis, we carried outa rainfall reduction experiment in Cerrado natural plots, simulating future climate change scenarios. The experiment was carried out specifically on three physiognomies: Dystrophic Cerradão (i.e. a closed forest; CFC), Cerradostricto sensu Dense (i.e. dense cerrado; DC), and Cerradostricto sensu (i.e. an open cerrado; OC). The N and P pools are important drivers for the Cerrado, having significant influence under phytomass production and, consequently, in the soil carbon stocks. The availability of the different nutrient pools varied among seasons, but the effect of the season was different for N (higher in the rainy season) and P (higher in the dry season) pools. OTR and CAL groups presented cumulative radial increment also lowerin relation to the group LEG. The group LEG and OTR were not affected by the climatic seasonality, whereas CAL had its growth paralyzed during the dry season. The rain reduction treatment showed a greater efficiency in simulating climate change scenarios in the OC physiognomy, and although it did not influencethe soil nutrient polls, it caused a significant reduction in the growth of OTR trees. The reduction in tree growth described in our study may represent a major impact on the role of the Cerrado as a promoter of ecosystem services, especially those related to Carbon sequestration

O Cerrado é considerado a savana mais rica do mundo,o que pode ser atribuído à sua grande variação fisionômica. Gradientes de fertilidade do solo têm ajudado a explicar a ocorrência dessas fisionomias, embora ainda haja muito a ser compreendido, inclusive sobre a influência das diferentes formas dos nutrientes limitantes para o Cerrado. Associado a isso modelos climáticos preveem que a região central do Cerrado poderá sofrer uma redução substancial na precipitação nas próximas décadas, o que pode influenciar no seu funcionamento biogeoquímico. Diante disso, essa tese de doutorado foi dividida em três capítulos que apresentam, respectivamente, os seguintes objetivos: (i) Caracterizar a vegetação em diferentes fisionomias do cerrado e avaliar como ela se relaciona com os estoques de nitrogênio (N total, da biomassa microbiana/MBN, da matéria orgânica dissolvida/DON,e inorgânico/NH4-N e NOsN), fósforo (P total) e carbono (total C) do solo, bem como a fitomassa total (biomassa aérea, raízes finas e produção de serapilheira); (ii) entender como os estoques de N e P do solo variam entre as estações, e como eles serão afetados pelas mudanças previstas na precipitação: (iii) descrever os principais padrões de crescimento dos grupos funcionais de espécies arbóreas do Cerrado (espécies leguminosas — LEG; espécies Calcícolas - CAL; outras espécies savânicas - OTR)e avaliar como eles podem ser afetados pelas reduções previstas na precipitação. Para tal, realizamos um experimento de redução de chuvas em parcelas naturais do Cerrado, simulando cenários futuros de mudanças climáticas. O experimento foi realizado especificamente em três fisionomias: Cerrado stricto sensu (OC), Cerradão Distrófico (CFC) e Cerrado stricto sensu Denso (DC). Os estoques de N e P são importantes modeladores do Cerrado, tendo influência significativa sob a produção de fitomassa e, consequentemente, nos estoques de carbono do solo. A disponibilidade dos nutrientes variou entre as estações, mas o efeito da estação foi diferente para o N (maior na estação chuvosa) e P (maior na estação seca). Os grupos OTR e CAL apresentaram menor incremento radial acumulado em relação ao grupo LEG. Os grupos LEG e OTR não foram afetados pela sazonalidade climática, mas o grupo CAL teve seu crescimento paralisado durante a estação seca. O tratamento de redução de chuva demonstrou maior eficiência em simular os cenários de mudanças climáticas na fisionomia OC, e embora não tenha influenciado os estoques de nutrientes do solo, provocou uma redução significativa no crescimento das árvores do grupo OTR. A redução no crescimento das árvores descrita em nosso estudo pode representar um grande impacto no papel do Cerrado como promotor de serviços ecossistêmicos, especialmente aqueles relacionados ao sequestro de carbono