Carbon, water and energy fluxes in Eucalyptus plantations and Savanna in Brazilian tropics

Abstract

In Brazil the eucalyptus’s plantations area is higher than 5.7 million ha, stand out for Mato Grosso do Sul State (MS) which had led the expansion over the last five years (2011-2016). Most of these areas in MS are into a native savanna forest replaced by degraded pasture and annual crops in the past. Therefore, the effect of this land-cover change on regional carbon and water cycle remains unclear. Here, it was used the eddy covariance technique, meteorological, soil and plant measurements to explore the environmental dependence of intrinsic water- and radiation efficiencies in two different studies in Brazilian tropics: First study (1) reported a full rotation cycle (9 years) of carbon, water and energy fluxes from a clonal Eucalyptus grandis plantation. Overall the environmental variables, photosynthetically active radiation (PAR), air temperature (Tair), water vapor saturation pressure deficit (VPD), rainfall, and soil water content (SWC) followed seasonal drought and wet conditions. During the 9-years of study, the annual total rainfall ranged between 986 to 1496 mm yr -1 , with an average of 1238 mm yr -1 . Before the harvest of trees, the eucalyptus forest was a strong carbon sequestration during all years (1-8 years), the annual net ecosystem exchange (NEE) sum increased from -256 to - 1515 g C m -2 yr -1 , the annual gross primary production (GPP) sum increased from 2312 to 4059 g C m -2 yr -1 , and the annual ecosystem respiration (Reco) sum increased from 1195 to 2751 g C m -2 yr -1 . The first year after harvest of trees (including site preparation and planting of new trees), the annual sum was NEE = 883, GPP = 1248 and Reco = 2132 g C m -2 yr -1 , indicating a small carbon source for this period. Thus, the total carbon sequestration during a full rotation cycle was 78 t C ha -1 . Energy balance (Rn = LE + H +G) described typical daily patterns of sensible, latent and soil heat transfer, with maximal fluxes at solar noon. The annual total evapotranspiration (ET) ranged between 837 to 1432 mm yr -1 , with an average of 1154 mm yr -1 . Patterns in intrinsic water-use efficiency (WUE i ) and canopy conductance (g s ) during the study matched those variations in leaf area index (LAI), GPP and ET. In conclusion, our results provide an important contribution of carbon, water and energy balance in a full rotation cycle of eucalyptus plantations that can be useful to evaluate land-cover changes for this region and even in other regions of Brazil. Second study (2) the goal was to compare the differences in carbon, water and energy fluxes between a native Savanna forest (SAV) and eucalyptus plantation (EUC) during December 2012 to August 2013. The daily Tair (mean 23 °C), PAR (mean 34 mol m -2 day -1 ), and rainfall cumulative (sum 1013.5 mm) were similar among the two ecosystems. In contrast, the daily values of VPD and SWC were lower in SAV than EUC throughout the study period. The sum of NEE (-1136 g C m -2 ) for this period indicates that the ecosystem with EUC is a carbon sink, in contrast, for the SAV ecosystem the sum of NEE (256 g C m -2 ) indicated to be a carbon source ecosystem. Overall, the latent heat flux (LE) dominated the energy balances at both ecosystems, followed by sensible heat flux (H) and soil heat flux (G). The total ET at the SAV ecosystem and EUC ecosystem was estimating as 948 and 1050 mm, respectively. Leaf area index (LAI) in SAV ecosystem varied 3.8 to 1.9 m -2 m -2 , and in EUC ecosystem varied 4.7 to 3.2 m -2 m -2 , wet and dry period respectively. In summary, the savanna ecosystem was a weak carbon source from the ecosystem to atmospheric (2.5 t C ha -1 ), and the eucalyptus ecosystem was a strong carbon sink from the atmosphere to ecosystem (11 t C ha -1 ) over the study period (9 months). The results indicate that the eucalyptus plantations in savanna biome are well adapted to the environmental conditions and have a good response to variability of climate conditions. In addition, the land-cover change and land use practices from pasture to eucalyptus plantations can help or even restore the biodiversity of savanna biome

No Brasil, a área com plantações de eucalipto é superior a 5,7 milhões de ha, destacando-se o estado do Mato Grosso do Sul (MS), que liderou a expansão em áreas plantadas nos últimos cinco anos (2011-2016). A maior parte dessas áreas plantadas no estado do MS está em áreas de floresta nativa do Cerrado, que foram substituídas principalmente por pastagens degradadas e culturas anuais no passado. Portanto, os efeitos desta alteração na cobertura do solo, no ciclo regional de carbono e da água ainda não estão compreendidos. Neste contexto, foi usada a técnica de covariância dos vórtices turbulentos, medidas meteorológicas, do solo e da vegetação para explorar as eficiências intrínsecas do uso da água e da radiação em dois diferentes estudos nos trópicos brasileiros: Primeiro estudo (1) teve como objetivo avaliar um ciclo completo de rotação (9 anos) de fluxos de carbono e água de uma plantação clonal de Eucalyptus grandis. No geral, as variáveis ambientais, radiação fotossinteticamente ativa (PAR), temperatura do ar (Tair), déficit de pressão de vapor de água (VPD), precipitação e o conteúdo de água no solo (SWC) seguiram as condições sazonais de época seca e chuvosa. Durante os 9 anos de estudo, a precipitação total anual variou entre 986 e 1496 mm ano -1 , com uma média de 1238 mm ano -1 . Antes do corte das árvores, a floresta de eucalipto mostrou-se ser um forte sumidouro de carbono durante todos os anos (1-8 anos), a soma anual da produtividade líquida do ecossistema (NEE) aumentou de -256 para -1515 g C m -2 ano -1 , a soma anual da produção primária bruta (GPP) aumentou de 2312 para 4059 g C m -2 ano -1 , e a soma anual da respiração do ecossistema (Reco) aumentaram de 1195 para 2751 g C m -2 ano -1 . O primeiro ano após o corte das árvores (incluindo a preparação do local e o anovo plantio), a soma anual foi NEE = 883, GPP = 1248 e Reco = 2132 g C m -2 ano -1 , indicando ser fonte de carbono neste período. Assim, o total de carbono sequestrado durante um ciclo completo de rotação foi de 78 t C ha -1 . O balanço de energia (Rn = LE + H + G) descreveu padrões diários típicos de transferência de calor sensível, calor latente e fluxo de calor no solo com fluxos máximos ao meio-dia solar. A evapotranspiração (ET) total anual variou entre 837 e 1432 mm ano -1 , com uma média de 1154 mm ano -1 . A eficiência intrínseca de uso da água (WUE i ) e a condutância do dossel (g c ) corresponderam as variações do índice de área foliar (IAF), GPP e ET durante o período de estudo. Em conclusão, os nossos resultados forneceram uma importante contribuição dos balanços de carbono, água e energia em um ciclo completo de rotação em plantações de eucalipto que podem ser úteis para avaliar mudanças de cobertura do solo nesta região e até mesmo em outras regiões do Brasil. Segundo estudo (2) o objetivo foi comparar as diferenças nos fluxos de carbono, água e energia entre uma floresta nativa de Cerrado (SAV) e em plantações de eucalipto (EUC) durante o período de dezembro de 2012 a agosto de 2013. Os valores diários da Tair (média de 23 °C), PAR (média de 34 mol m -2 dia -1 ) e da precipitação acumulada (soma 1013,5 mm) foram semelhantes entre os dois ecossistemas. Ao contrário, os valores diários de VPD e SWC foram menores no ecossistema da SAV do que no ecossistema EUC ao longo do período estudado. A soma da NEE (-1136 g C m -2 ) para este período indica que o ecossistema com EUC é sumidouro de carbono, ao contrário, para o ecossistema com SAV a soma da NEE (256 g C m -2 ) indicou ser um ecossistema fonte de carbono. No geral, o fluxo de calor latente (LE) dominou o balanço de energia em ambos os ecossistemas, seguido pelo fluxo de calor sensível (H) e pelo fluxo de calor do solo (G). A evapotranspiração total na SAV e no EUC foi estimada em 948 e 1050 mm, respectivamente. O índice de área foliar (LAI) no ecossistema SAV variou de 3,8 a 1,9 m -2 m -2 e no ecossistema EUC variou de 4,7 a 3,2 m -2 m -2 , no período úmido e seco, respectivamente. Considerando o período estudado, o cerrado foi fonte de carbono do ecossistema para a atmosfera (2,5 t C ha -1 ), já o plantio de eucalipto foi um forte consumidor de carbono da atmosfera para o ecossistema (11 t C ha -1 ) ao longo do estudo período (9 meses). Os resultados indicam que as plantações de eucalipto no bioma de savana estão bem adaptadas às condições ambientais e têm uma boa resposta à variabilidade das condições climáticas. Além disso, a mudança da cobertura do solo e as práticas de uso do solo do cultivo com pastagens para plantações de eucalipto podem ajudar ou mesmo restaurar a biodiversidade do bioma de savana