1. 1. Conceito Série de processos complexos que se inter-relacionam com atributos físicos,...

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Sistema Solo - Planta- Atmosfera

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1. Conceito• Série de processos complexos que se inter-relacionam com atributos

físicos, químicos e biológicos do solo, da água, da planta e da atmosfera.

• Essas interações biogeoquímicas definem diversos ciclos de nutrientes de extrema importância para a vida de animais e vegetais, dentre os quais se destacam o ciclo do nitrogênio, carbono, enxofre e de nutrientes no sistema solo-planta.

• As trocas entre a superfície terrestre, solo, planta e a atmosfera são componentes cruciais nos ciclos de praticamente todos os elementos biogeoquimicamente ativos, incluindo água, carbono, nitrogênio, metano, compostos orgânicos voláteis, entre outros.

• Esses ciclos são de extrema importância, uma vez que definem mudanças nas condições climáticas às possíveis alterações na composição dos biomas e, consequentemente, na ciclagem dos elementos a eles associados.

Nota de aula da disciplina de ciclos biogeoquímicos globais /CCST/INPE. Prof° Dr. Jean Pierre H.B. Ometto e Prof° Dr. Antonio Donato Nobre

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2. Equilíbrio Dinâmico (steady state)

1-) Substancias inorgânicas (gases, minerais, íons)

2-) Produtores (plantas-conversão de alimentos)

3-) Consumidores (animais)

4-) Decompositores (microrganismo)

• O homem tem o potencial de alterar esses equilíbrios, interferindo no comportamento das leis básicas que regem essa dinâmica.

• Interferindo na ciclagem de nutrientes e modificando os ciclos biogeoquímicos, responsáveis pela manutenção da qualidade de vida na terra.

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3. Alterações humanas

- Aumento da demanda por alimentos e consequente pressão na agricultura (criação da Agricultura Sustentável);

- Problemas de poluição ambiental;

- Armazenamento e tratamento de lixo;

- Contaminação de lençóis freáticos;

- Aumento das emissões de GEE para a atmosfera;

- Interferência nos ciclos biogeoquímicos, entre outros.

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4. Fatores de Influência- Água

• A água possui capacidade de trabalho ou movimento, que é conferido por moléculas (Potencial Hídrico), sendo responsável pelo principal componente de transporte de nutrientes e gases.

• A estrutura da molécula de oxigênio é importante na interação solo-planta, uma vez que as transformações e formações de compostos se dão a nível aquoso, principalmente nas chamadas pontes de hidrogênio (mantém coesão) onde ocorrem as interações intermoleculares

Polo -

Polo +

Livro: Solo, planta e atmosfera: Conceitos, processos e aplicações . Klaus Reichardt e Luís Carllos Timm ,2004.

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• A interação da água no sistema solo-planta-atmosfera se dá de diversas maneiras nos ciclos biogeoquímicos, no ciclo da água e na movimentação de nutrientes entre os sistemas.

• De uma maneira geral, a chuva é responsável pela recarga hídrica do solo, podendo se infiltrar ou escoar superficialmente pelo terreno, com potencial de causar erosão.

• A parcela infiltrada fica armazenada nos poros do solo, disponível para as plantas, podendo ser percolada para horizontes mais profundos quando há a saturação do meio, contribuindo para a recarga dos aquíferos.

Artigo: Interactions Between Biogeochemistry and hydrologic systems . Kathleen A. Lohse ., et al, 2009.

(Precipitação interna)

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• A água dentro do solo não permanece estática, uma vez que parte dos poros é preenchida por ar, fundamental para a respiração dos microrganismos e das raízes de plantas.

• A água no solo se movimenta em todas as direções, mas principalmente de regiões úmidas para mais secas.

• Horizontes mais superficiais se encontram mais secos que os horizontes mais profundos pode-se observar a ascensão capilar.

Livro: Solo, planta e atmosfera: Conceitos, processos e aplicações . Klaus Reichardt e Luís Carllos Timm ,2004.

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Caso do semiárido Brasileiro

• O semiárido é uma das regiões brasileiras marcadas pelo histórico de secas, com efeitos adversos sobre a população. A irregularidade nos níveis pluviométricos e má distribuição de chuvas gera um cenário agravante relacionado aos recursos hídricos.

• Os solos das regiões áridas e semiáridas são caracterizados por solos com altos teores de sais (Solos Halomórficos) compreendendo uma área de 91.000 km² do Nordeste.

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• Esse tipo de solo é desenvolvido em condições imperfeitas de drenagem,

• Baixa precipitação pluvial;

• Presença de camadas impermeáveis

• Elevada evapotranspiração

• Esses fatores contribuem para o aumento da concentração de sais solúveis na solução do solo (salinidade) e/ou o aumento da percentagem de sódio trocável (sodicidade).

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A evapotranspiração elevada favorece a ascensão capilar dos sais para a superfície, sendo um processo natural nas regiões áridas e semiáridas (Ribeiro, 2010);

Foto: Brasil de fato, 2013Diagrama do processo de salinização no semiárido (adaptado de Fanning, 1989)

• A intensificação da agricultura tem resultado no aumento da área de solos degradados por salinidade nas regiões mais pobres do país.

• A irrigação inadequada favorece a ascensão dos sais para as camadas mais superficiais

Livro: Manejo de salinidade na agricultura: Estudos básicos e aplicados. Mateus R. Ribeiro, 2010.

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• Na ocorrência de irrigações elevadas (manejo inadequado) ou chuvas atípicas os sais, em especial o Nitrato (NO-

3) é lixiviado para as camadas mais profundas do solo, podendo contaminar o lençol freático

• As águas subterrâneas são as principais fontes hídricas para a população dessas regiões, o que gera um impacto social a contaminação desses açudes.


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Excesso de nitrato em águas

Metahemoglobina

No organismo humano o nitrato se

converte em nitrito, que combina-se

com a hemoglobina, formando a

metahemoglobina. Esta substância

impede o transporte de oxigênio no

sangue.

Existem evidências de associações entre

consumo de água com alta concentrações de

nitrato e doenças gástricas.

Nota de apresentação de qualificação /CCST/INPE. Doutoranda no curso de Ciência do Sistema Terrestre . Karinne Reis Deusdará Leal, 2012

Cianose infantil

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Importância da água para os vegetais

• Age como solvente e transporte para nutrientes minerais e substâncias orgânicas;

• Contribui fundamentalmente para a absorção e transporte de minerais das raízes para as folhas;

• Forma o ambiente adequado onde a maioria das reações bioquímicas ocorre, participando em muitas delas como reagente (hidrólises). É também a fonte de elétrons na fotossíntese;

• Influencia a estrutura e, conseqüentemente, a função de macromoléculas (proteínas, ácidos nucléicos, polissacarídeos, etc.) e de membranas.

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• Contribui para o crescimento e para a manutenção da forma e estrutura dos tecidos tenros;

• Contribui para que as plantas não sofram tanto com as flutuações de temperatura do ambiente.

ab

c

d

f

e

(a) e (b) Deposição atmosférica úmida e seca

(c) Interceptação e escoamento pelo caule;

(d) decomposição; (e) lixiviação;

(f) carreamento de sedimentos pelo rio.

Principais interações entre o ciclo hidrológico e ciclos biogeoquímicos

na interface entre os ambientes terrestre,

aquático e atmosférico.

As setas indicam trocas de matéria e energia mediadas biologicamente.

Nota de apresentação de qualificação /CCST/INPE. Doutoranda no curso de Ciência do Sistema Terrestre . Karinne Reis Deusdará Leal, 2012

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5. Fatores de Influência- Solo

capazes de sustentar plantas, Retém e armazena água transformar resíduos (ação de decompositores) fonte de nutrientes para as plantas Local de transformações físico-químicas de substancias


Horizonte OMatéria orgânica em deterioração

Horizonte AMatéria mineral misturada com

húmus

Horizonte EPartículas

minerais coloridas. Zona de eluviação

e lixiviação

Horizonte BAcumulação de

argila transportadas de

cima

Horizonte CCamada mineral

de material inconsolidado

Rocha

Solos de Floresta Solos de Pastagens

16Adaptado de http://www.geography.hunter.cuny.edu/~tbw/ncc/chap4.wc/soils/soil.profiles.jpg

A disponibilidade de água desenvolve um papel central nos processos bióticos (mineralização e decomposição) os quais, interagindo com a temperatura e gênese do solo, determinam os limites da vegetação e desenvolvimento do solo.

Tipos de vegetação interfere muito na

interação do solo com o sistema planta-atmosfera

Sendo fator limitante no desenvolvimento da

vegetação

Serapilheira

Mistura de humus e minerais

Argila, solos e minerias

Rocha mãe

Rocha mãe

Rocha mãe

Rocha mãe Rocha mãe

Humus, ferro e alumínio

Argila e componentes de

cálcio

Minerias coloridos ácidos

Grosso, ácida, detritos orgânicos

Grosso, alcalina, escuro, muito rico

em húmus

Compostos de ferro e alumínio misturado com

argila

Ácida, de cor clara

Mistura fina, humus-mineral

Desprezível, porque a matéria orgânica é

decomposta e reciclada

rapidamente

seco, contendo acumulações variáveis de

argila, carbonato de cálcio, sais

solúveis

Luz

Floresta temperada decídua Solo de Floresta de Coníferas Solo de Pastagens

Solo de Floresta Tropical Solo de Desertos

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A00 MO não decomposta

A0 MO humificada

A1 Horizonte mineral com MO

A2 Horizonte de perdas (minerais) A3 Horizonte de transição

B1 Horizonte de transição

B2 Horizonte de iluviação (ganha elementos- Fe, Al e Ca)

B3 Horizonte de transição

A

B

C

Horizonte de Eluviação (perde

elementos)

Perde elementos químicos por

lavagens sucessivas com a

água da chuva

Constituintes do Solo

SólidaLíquida Gasosa

- Matéria Orgânica (MO)- Matéria Mineral (Rocha)

- Solução de sais minerais- Componentes orgânicos

- O2 reduzido- CO2 elevado- Umidade saturada

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Modificado de Mtthew Pippen

Evaporação Transpiração Infiltração Escoamento Superficial Percolação

Fração SólidaInterações solo-planta-atmosfera

Textura

Estrutura

Porosidade


19

Modificado de Mtthew Pippen

Escoamento sub-superficial e subterrâneo

Afloramento do aquífero


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Fração Líquida Interações S-P-A

Tese de Doutorado de Karinne Reis Deusdará Leal

FLUXOS HIDROLÓGICOS E TRANSFERÊNCIA DE ESPÉCIES QUÍMICAS DE CARBONO E NITROGÊNIO NA INTERFACE SOLO-ATMOSFERA EM AMBIENTES DO SEMIÁRIDO BRASILEIRO

Objetivo:

Caracterizar as diferenças nas

transferências de água e de

nutrientes (espécies de carbono e

nitrogênio) na interface solo-

atmosfera, entre uma área com

vegetação típica de caatinga e uma

área de pastagem, localizadas no

semiárido do Agreste

Pernambucano.

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• Fazenda Riacho do Papagaio: (i) área de caatinga de 4,4 ha, em estágio de regeneração e (ii) área de pastagem de Braquiária decumbens Stabf, de 16 ha.

• O presente estudo será desenvolvido comparando-se os resultados entre ambos os sítios.

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• O O2 é consumido por microrganismos e pelo sistema radicular das plantas superiores , de tal forma que a concentração é menor do que a atmosfera livre.

• O CO2 é liberado em processos metabólicos que ocorrem no solo e por isso em geral seu teor é mais alto.

• Adubações e fertilizações alteram esses fluxos.

• Os gases se movimentam no interior dos agregados do solo, interagindo com as moléculas de água e raízes das plantas podendo ser liberados na forma de N (NH3 e N2O) , CO2, O2 e SO2

• Quando ocorre a entrada de água no espaço poroso do solo expulsa o ar liberando ele para a atmosfera. A difusão dos gases baseado na diferença de pressão é outro fator importante na movimentação dos gases no solo.

Fração Gasosa Interações S-P-A

25Nota de aula de biogeoquímica do nitrogênio em ecossistemas tropicais – CENA/USP. Profª Dr. Marisa de Cássia Piccolo

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PASTAGEM CAATINGA

Estação Chuvosa Objetivos

• Obter fluxos de gás carbônico, metano e óxido nitroso em dois diferentes ambientes no estado de Pernambuco: caatinga natural e áreas transformadas em pastagens;

• Determinar a existência de variação sazonal entre os períodos de chuva e seca em cada ambiente;

• Analisar a influência da alteração do uso da terra na emissão destes gases do efeito estufa;

• Disponibilizar os dados de fluxo de massa de carbono e nitrogênio para a determinação do balanço biogeoquímico regional do ecossistema caatinga.

PASTAGEM

Estação Seca

CAATINGA

Projeto de Pesquisa apoiado pela FAPESP (CCST/INPE)

MEDIDA DE FLUXO DE GEE DO SOLO EM AMBIENTES COM DIFERENTES COBERTURAS VEGETAIS NO ESTADO DE PERNAMBUCO

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Te m pe ratura do Solo (°C)

D ata co le ta

Te

mp

era

tura

so

lo (

°C)

1 8 /0 4 /1 3 1 9 /0 4 /1 3 2 0 /0 4 /1 3 2 0 /0 8 /1 3 2 1 /0 8 /1 3 2 2 /0 8 /1 32 2

2 4

2 6

2 8

3 0

3 2

3 4

3 6

3 8 Pa s ta g e m C a a tin g a

Dióx ido de Carbono (CO 2)

D ata co le ta

CO

2 (g

m-2

d-1)

18 /04 /13 19 /04 /13 20 /04 /13 20 /08 /13 21 /08 /13 22 /08 /13-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14 Pastagem Caatinga

Me tano (CH 4)

D ata co le taC

H4 (m

g m

-2 d

-1)

1 8 /0 4 /1 3 1 9 /0 4 /1 3 2 0 /0 4 /1 3 2 0 /0 8 /1 3 2 1 /0 8 /1 3 2 2 /0 8 /1 3-1 5

-1 0

-5

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0 Pa s ta g e m C a a tin g a

Óx ido Nitroso (N 2O )

D ata co le ta

N2O

(m

g m

-2 d

-1)

18/04 /13 19/04 /13 20/04 /13 20/08 /13 21/08 /13 22/08 /13-0 ,8

-0 ,6

-0 ,4

-0 ,2

0 ,0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

1 ,0

1 ,2

1 ,4

1 ,6 Pastagem Caatinga

Estação Seca

Estação Chuvosa

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• As comunidades vegetais desempenham importante papel na circulação de nutrientes orgânicos e minerais na biosfera, acumulando-os em sua biomassa e devolvendo-os ao ambiente através de diversos mecanismos (Larcher, 2006).

6. Fatores de Influência- Planta

Livro: A economia da Natureza. Robert E. Ricklefs, 2003.

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• Elo de ligação entre a água do solo e a água da atmosfera (ciclo da água)

• As raízes dão sustentação e absorvem água e nutrientes do solo

TranspiraçãoEvaporação de água para o

ar diminui o potencial hídrico da folha

CoesãoColuna de água no xilema

(elemento condutor) é mantida por coesão das moléculas de água nos elementos dos vasos

TensãoBaixo potencial hídrico na raiz provoca a entrada de

água no solo, que se desloca por osmose até a

medula

EvaporaçãoPerda de água na forma de vapor, através da superfície

do solo

EvapotranspiraçãoTranspiração + evaporação

Fonte: Adaptado de http://304turma.blogspot.com.br/2010/07/fisiologia-vegetal.html

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• Macronutrientes

- Nitrogênio (NO-3 e NH4

+)

- Fósforo (H2PO-4 e HPO2-4)- Potássio (K+)- Cálcio (Ca2+)- Magnésio (Mg2+)

- Enxofre (SO42-)

• Micronutrientes - Zinco (Zn2+)- Cobre (Cu2+)- Manganês (Mn2+)- Ferro (Fe2+)- Boro (ácido bórico H3BO3)- Molibdênio (MoO41-)- Cloro (Cl-)

Carbono + Oxigênio + Hidrogênio

Fonte: Adaptado de http://www.profpc.com.br/ciclos_biogeoqu%C3%ADmicos.htm

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Perdas por lixiviação são, geralmente, maiores em ecossistemas perturbados.


Floresta Chilena:A quantidade de

elementos derivados da precipitação que saem

do sistema é igual a que chega

Nutrientes dissolvidos na entrada da precipitação

Árvore leva os nutrientes do solo, alguns de

intemperismo de rocha, alguns de fontes

atmosféricas

Azul = precipitação derivada de nutrientes

Vermelho = Precipitação

derivada de rochas

Saída de nutrientes para as águas subterrâneas e

córregos

Impacto do ácido na FlorestaCada H+ adicionados ao solo

pela chuva ácida substitui uma quantidade equivalente de um elemento nutriente,

tais como K

As folhas das árvores tornam-se amareladas,

assim como os nutrientes tornam-se

escassos no solo

Íons H+ do ácido substituem os elementos nutrientes no solo: para cada unidade de ácido adicionado ao solo, na quantidade equivalente

um elemento nutriente é removidos

Mais elementos nutrientes são lixiviados do solo do que chegam

do intemperismo de rochas ou da

precipitação. A floresta entra em declive

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Tipos de fotossíntese

• Plantas C3

Plantas C3 são as mais numerosas do planeta e apresentam as melhores condições de frescor e umidade com luz normal.

O dióxido de carbono, que é respirado pela planta converte a luz em alta energia e açúcares e é incorporado a um composto de três carbono.

A fotossíntese ocorre em todas as partes

da folha em plantas C3.


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Tipos de fotossíntese• Plantas C4

Plantas do tipo C4 incluem milho, cana de açúcar e vários tipos de grama.

Estas plantas absorvem o dióxido de carbono através de seus estômatos (poros na superfície da folha por meio dos quais o dióxido de carbono entra e água e oxigênio saem)

taxa mais rápida do que as plantas C3, permitindo que o dióxido de carbono seja entregue mais rapido para a fotossíntese nas células internas.

A C4 indica que o dióxido de carbono é incorporado em um composto de

quatro carbonos.


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• Plantas CAM

O dióxido de carbono é armazenado como um ácido durante a noite, quando os estômatos estão abertos.

Plantas CAM, como cactos, têm melhor desempenho em condições áridas, onde o ácido é dividido para liberar o dióxido de carbono durante o dia para a fotossíntese, quando os estômatos estão fechados.

Desenvolveram um método que permite a sua sobrevivência e o seu crescimento em condições onde outros tipos de plantas se tornariam dormentes e até mesmo perderiam suas folhas.

Tipos de fotossíntese


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Fonte: Livro “A economia da natureza“Robert E. Ricklefs, 5ª edição 2003 (pag. 54)

O metabolismo da planta se comporta de maneira

distinta de acordo com as características do seu

processo de fotossíntese.

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• Constituintes da atmosfera

7. Fatores de Influência- Atmosfera

Fonte: Reichardt, 1993

Composição média do ar seco próximo ao solo, em porcentagem de

volume ou ppm, segundo a Organização Meteorológica Mundial

(OMM)

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A deposição atmosférica é uma importante via de recarga de nutrientes para o solo e pode ser dar forma seca (poeira) e úmida (precipitação pluviométrica e neblina)

Os eventos de chuva apresentam grande importância no processo, uma vez que durante a precipitação, ocorre a “lavagem” de partículas de aerossol e a dissolução de gases pelas gotas (Shimshok & De Pena, 1989).

Regiões Costeiras Na, Mg e S

Regiões semi-áridas Ca

Em contrapartida a deposição seca sobre as folhas podem danificar os tecidos vegetais e dificultar as atividades fotossintéticas.

http://algarve-saibamais.blogspot.com.br/2009/12/preservar-natureza-combater-poluicao-do.html

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São as principais fontes de C e N na interface superfície-atmosfera

(a) e (b) Deposição atmosférica úmida e seca

(c) Interceptação e escoamento pelo caule;

(d) decomposição; (e) lixiviação;

(f) carreamento de sedimentos pelo rio.

(g) Escoamento pelo tronco

Principais interações entre o ciclo hidrológico e ciclos biogeoquímicos

na interface entre os ambientes terrestre,

aquático e atmosférico.

As setas indicam trocas de matéria e energia mediadas biologicamente.

g

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• O ciclo do nitrogênio: processo pelo qual o nitrogênio circula através das plantas e do solo pela ação de organismos vivos, podendo culminar em liberações para a atmosfera

8. Exemplos de Interação Solo-Planta-Atmosfera

Livro: Ecologia. Eugene P. Odum, 2012.

40

• Formas quimicamente disponíveis de N: amônio (NH4+), nitrato (NO3

-), e uréia ((NH2)2CO)

• Elemento versátil que pode ser encontrado na forma orgânica e inorgânica

• Os microrganismos (notadamente bactérias) têm um papel fundamental na ciclagem do N

Livro: Ecologia. Eugene P. Odum, 2012.

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• N2 Amônia (NH4+) ou Nitrato (NO3

-)

• Forma que os organismos conseguem obter N da atmosfera

• Utilização de bactérias na agricultura (Rhizobium) : convertem o N da atmosfera na forma assimilável pela planta

Fixação do N

• Uma forma artificial de disponibilizar N para a planta é através da adubação nitrogenada com incremento de NPK

• Causa impactos com emissão excessiva de N2O

• Com utilização de fixadores biológicos há uma redução nas emissões atmosféricas

Fonte: Adaptado de http://www.acervodigital.unesp.br/bitstream/123456789/262/1/o_ciclo_do_nitrogenio.pdf

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Absorção do N

• NH4+ (Amônia) N orgânico

• NH4+ é rapidamente incorporado em proteínas e outros compostos

nitrogenados orgânicos pelas plantas ou organismos do solo

• Consumidores no topo da cadeia alimentar usam esse nitrogênio fixado

Mineralização do N

• N orgânico NH4+

• Decomposição: N orgânico transformado em N inorgânico (NH4+) por

fungos e bactérias

• Esse NH4+ pode então ser usado por plantas ou transformado a NO2

- e NO3

- via nitrificação


43

Nitrificação

• NH4+ NO2

- NO3-

• Bactérias transformam amônio a nitrato ganhando energia• Ocorre apenas em ambientes aeróbicos• NH4

+ se adsorve as partículas de solo com carga negativa

• NO3- é lixiviado com redução da fertilidade do solo e contaminação do lençol

freático

Desnitrificação

• NO3- NO2

- NO N2O N2

• Processo anaeróbico feito por bactérias desnitrificadoras dando origem ao N2O

• Esta é a única transformação que remove N dos ecossistemas (irreversível) e faz o balanço do ciclo do N


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Exemplo de Interação Solo-Planta

Artigo: Interactions Between Biogeochemistry and hydrologic systems . Kathleen A. Lohse ., et al, 2009.

Precipitação internaSerrapilheira

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Conclusões

• O sistema solo-planta-atmosfera é muito complexo e envolve diversos fatores interligados em forma de ciclo.

• Esta diretamente relacionado com os principais ciclos biogeoquímicos existentes.

• Atividades antrópicas podem interferir nesses sistemas causando degradação dos meios onde ocorrem como o solo, a água e o ar.

• São sistemas sensíveis e devem ser manejados com técnicas adequadas evitando prejuízos a qualidade do meio ambiente.

46

Obrigado

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